高温熔渣对高碱煤碱金属捕捉特性研究

旋风燃烧技术是将煤中大部分灰在旋风燃烧器内形成液态渣膜并从锅炉底部排出的一种锅炉燃烧技术,高碱煤燃烧过程中释放的气相Na、K等碱金属在高温下与熔渣反应生成富含Na、K的低温共熔物,并随高温熔渣一起从锅炉底部排出,在解决新疆高碱煤强沾污结渣问题上具有一定的优势。实验研究了高碱煤在高温熔渣内燃烧过程Na、K、Ca、Fe等碱性金属的迁移、转换特性及其高温熔渣对碱金属的捕捉特性。研究结果表明:高碱煤与高温熔渣反应过程中挥发的Na、K、Ca、Fe、S等元素与高温熔渣反应,生成富含Na、K的变钾铁矾、三斜钾沸石、新硅钙石、白矾、斜钾铁矾等硫酸复盐和硅铝系复盐;煤中部分Na、K、S等元素通过高温熔渣的固化作用被固化至熔渣中,从而形成了一定量的富集。     

准东煤旋风燃烧过程碱金属迁移规律

为研究旋风燃烧过程对碱金属迁移的影响,对比研究了燃用准东煤的旋风炉和室燃炉内碱金属Na、K的迁移规律。结果表明:旋风燃烧条件下Na在渣中的存在形式为不可溶的硅铝复盐,而在灰中的存在形式为硫酸盐和硅铝酸盐;渣中不可溶的K被全部置换进入气相;与固态排渣的室燃炉相比,旋风炉具有较高的捕渣率,水平烟道飞灰中Na、K盐浓度会升高,但进入炉膛尾部受热面的钠盐总量可减少21.88%;不同准东煤种的烟道飞灰中Na、K盐浓度主要由煤中Na_2O、K_2O质量分数确定。     

准东五彩湾煤中碱/碱土金属含量及迁移特性试验研究

了解新疆准东煤中碱金属不同赋存形态的含量及其在燃烧过程的迁移特性对于了解准东煤燃烧过程中的沾污结渣特性具有重要意义。采用以去离子水、醋酸铵溶液、盐酸为萃取剂的有序萃取法测量准东五彩湾煤中不同赋存形态的K、Na、Ca、Mg,研究了不同萃取时间、粒径下煤燃烧过程中碱/碱土金属的迁移特性。结果表明,采用有序萃取法测量煤中Na、Ca和Mg含量的推荐测量时间为12 h,而K的则应大于24 h;从大粒径准东五彩湾煤中萃取得到的水溶性Na、Ca、Mg含量相对较少,醋酸铵溶性、盐酸溶性和不溶性含量受粒径影响不大;煤中Ca含量较高,Na、Mg含量次之,K含量较低;可溶性Na占煤中Na的质量分数为90%。Ca和Mg主要以醋酸铵溶性成分存在,可溶性成分占比高达90%;准东五彩湾煤在900℃温度下,约有一半可溶性Na迁移到了气相中,可溶性K同样有较明显的迁移量,但Ca、Mg的迁移量较少。     

准东煤燃烧特性试验研究

为探究准东煤低灰分含量、高碱金属含量特性与参比煤燃烧特性的差异,利用热重分析仪对准东煤及参比煤进行试验,分析了灰分质量分数和碱金属Na氧化物质量分数对煤样燃烧特性和动力学特性的影响。结果表明:根据折算灰量,准东煤相比参比煤的灰分质量分数更低、发热量更高、碱金属Na氧化物质量分数略高;折算碱金属Na氧化物质量分数相同时,相比高灰分参比煤,低灰分准东煤最大燃烧速率、平均燃烧速率和综合燃烧指数高,燃烧进程更为迅速剧烈,燃烧特性更优,且活化能更低;折算灰量相同时,碱金属Na氧化物质量分数高的准东煤比参比煤的最大燃烧速率和综合燃烧指数高、活化能低;准东煤特低灰分或低灰分、高碱金属质量分数是影响燃烧速率的重要因素,其中灰分的影响更明显。     

温度对准东煤燃烧碱金属释放特性影响的激光测量研究

针对煤燃烧过程中释放的碱金属引起锅炉换热面沾污和腐蚀的问题,通过在线标定,利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术定量测量了准东煤燃烧过程中钠和钾随时间的动态释放特性;实验中利用一个自制的多射流燃烧器模拟真实火焰环境,在线测量得到准东煤燃烧过程中碱金属释放过程。实验发现煤燃烧过程的挥发分阶段、焦炭阶段、灰分阶段可以通过测得的碱金属释放曲线进行时间划分;随着温度升高,煤燃烧挥发分阶段、焦炭阶段、灰分阶段的Na、K释放速率均显著增加。     

新疆高碱煤沾污结渣特性中试试验研究

为了深入研究新疆高碱煤沾污结渣特性,利用3 MW煤粉燃烧中试平台进行了典型新疆高碱煤燃烧过程中灰的生成及其沾污结渣特性研究。实验结果表明:在炉膛燃烧区域的渣样主要以含铁、钙矿物为主,如:磁铁矿(Fe3O4)、钙硅石(CaSiO_3)等;在高温对流受热面区域,由于煤中Na、K等碱金属的升华、冷凝作用以及沾污层与烟气中SO_2、飞灰颗粒之间的物理化学反应,其沾污层主要以熔点较低的无水石膏(CaSO_4)、无水芒硝(Na_2SO_4)以及Na-Al-Si和Ca-Al-Si的低温共熔体。这些低温共熔体在较低的温度下(850℃~1 150℃)具有较强的黏性,能够进一步捕捉烟气中的飞灰颗粒,加速沾污层厚度的增长,使得新疆高碱煤沾污层增长速度较其他易沾污煤要快得多。     

污泥与高碱煤协同燃烧中碱金属与重金属竞争机制研究

在CFB锅炉燃烧温度下研究了低品质燃料(高碱煤)与生物质燃料(污泥)协同燃烧中重金属元素Pb、Ni和As的迁移特性。结果表明:燃烧温度对重金属元素热力学平衡分布起到重要的作用,温度越高,Pb、Ni和As在气相中的摩尔分数越高;当温度超过1 300℃时,Pb将全部以单质形态迁移至气相中,在CFB锅炉燃烧温度区间里大部分以PbCl2(g)、少量以PbCl的形态固集于飞灰颗粒上;当温度高于1 800℃时,系统中主要成分为Ni(g);在整个燃烧温度区间,As以单质的形态存在于系统中,其摩尔分数随着温度的升高而上升;碱金属Na主要竞争燃料中的Cl和O元素,实现重金属化合物形态的转化;与Na相比,K的竞争是微弱的,在700℃时K竞争Ni化合物中的CrO_4~(2-),导致NiO摩尔分数下降,而在850℃时,K与Ni竞争系统中的O元素,这与700℃的反应过程不同。     

高碱煤燃烧过程中灰中主要元素的迁移规律

针对我国新疆高碱煤燃烧过程中的强沾污、结渣特性,对某300MW亚临界高碱煤锅炉炉内各受热面的沾污灰样进行了XRF和SEM-EDX分析.结果表明:在800~1 100℃烟气温度区间内,灰样中CaO、MgO和SO3的质量分数较高;当烟气温度降低至600~800℃时,灰样中Na2O、Fe2O3和SO3的质量分数较高,Na2SO4、CaSO4和NaFeSO4等物质是导致高碱煤燃烧过程中高温对流受热面发生严重沾污的主要原因;669~915℃烟气温度区间内的灰样发生初始熔融的温度及其所对应的液相质量分数要高于其他部位的灰样;灰样C颗粒表面附着粒径为2~4μm的富含Na、S的Na2SO4等颗粒,而钠的硫酸盐在高温下具有较高的黏性和较低的熔点,这是导致该温度下发生严重沾污的主要原因之一.     

CO_2对受限空间煤明火燃烧的灭火机理

为探究不同体积分数CO_2对受限空间煤明火燃烧的灭火机理和灭火效率,采用自主研制的煤明火燃烧实验装置,对平煤八矿煤样进行了通入3种不同体积分数CO_2和持续时间条件下的煤明火燃烧灭火实验,测定了煤燃烧过程中温度、标志性气体(O_2、CO和CH_4)组分体积分数以及热释放速率的变化规律;同时利用化学动力学软件CHEMKIN模拟了不同体积分数CO_2熄灭CH_4/O_2火焰中主要自由基体积分数、反应物与燃烧产物体积分数随火焰高度的变化关系,以此分析了CO_2抑制煤有焰燃烧的作用机理.结果表明:CO_2体积分数越高,在煤有焰燃烧阶段,CH_4燃烧火焰中的自由基H、O和OH的生成速率越低,因此火焰熄灭得越快,煤体温度上升速度、耗氧量和热释放速率越低,同时,CO和CH_4体积分数的下降速度越小;而在煤阴燃熄灭阶段,煤体温度、CO和CH_4体积分数的下降速度越快,耗氧量和热释放速率则进一步减小.由此说明CO_2的体积分数越高,对煤明火燃烧熄灭全过程的灭火效率越高,但只通入CO_2 10,min,则会发生复燃.     

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对燃烧环境中的CO在线测量

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,选用2.3,μm附近的R(30)吸收谱线,利用波长调制技术分别对高温管式炉炉中标定的CO/N2气体和自制燃油炉燃烧烟气中CO体积分数进行测量.引入激光强度影响系数Tr(t)对实验结果进行修正,以排除激光强度变化所造成的干扰.结果表明,实验验证了R(30)谱线在1,200,K以下,随着温度的上升谱线强度上升,更有利于高温下CO测量.测量CO体积分数变化趋势与燃烧工况相符,并且与其他测量仪器所测结果一致,谱线R(30)应用于工业现场中燃烧环境下的CO测量具有一定的可行性.     

Alkali retention/separation during bagasse gasification: a comparison between a fluidised bed and a cyclone gasifier

Biomass fuelled integrated gasification/gas turbines (BIG/GTs) have been found to be one of the most promising technologies to maximise electricity output in the sugar industry. However, biomass fuels contain alkali metals (Na and K) which may be released during the gasification processes and cause deleterious effects on the downstream hardware (e.g. the blades of gas turbines). Much research has therefore been focused on different kinds of gas cleaning. Most of these projects are using a fluidised bed gasifier and includes extensive gas cleaning which leads to a high capital investment.

Increasing alkali retention/separation during the gasification may lead to improved producer gas quality and reduced costs for gas cleaning. However, very little quantitative information is available about the actual potential of this effect. In the present work, comparative bench-scale tests of bagasse gasification were therefore run in an isothermal fluidised bed gasifier and in a cyclone gasifier to evaluate which gasification process is most attractive as regards alkali retention/separation, and to try to elucidate the mechanisms responsible for the retention.

The alkali retention in the fluidised bed gasifier was found to be in the range of 12–4% whereas in the cyclone gasifier the alkali separation was found to be about 70%. No significant coating of the fluidised bed's bed material particles could be observed. The SEM/EDS and the elemental maps of the bed material show that a non-sticky ash matrix consisting of mainly Si, Al and K were distributed in a solid form separated from the particles of bed material. This indicates the formation of a high temperature melting potassium containing silicate phase, which is continuously scavenged and lost from the bed through elutriation.     

旋风炉内气相燃烧及两相流动的数值模拟

在有反应两相流动及煤粉燃烧的全双流体模型（ＰＴＦ模型,ｐｕｒｅ ｔｗｏ－ｆｌｕｉｄ ｍｏｄｅｌ）基础上,采用修正的ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型,对旋风炉内的湍流气相燃烧（甲烷和一氧化碳的燃烧）及在气相燃烧条件下的两相流动进行了数值模拟研究,模拟结果表明,在有燃烧的情况下,在旋风炉的底部存在近壁回流区,该回流区有利于火焰稳定,气粒两相切向速度分布具有类似的Ｒａｎｋｉｎｅ涡结构,该研究为煤粉燃烧的数值模拟     

On the occurrence of two-stage combustion in alkali metals

Pool combustion experiments have been conducted for three alkali metals, namely, lithium (Li), sodium (Na) and potassium (K). Lithium and sodium are found to show a two-stage combustion behaviour which has been reported for a number of other metals. Here, the combustion is characterized by a sporadic rise in the flame temperature accompanied by a bright glow. Potassium is found to burn in vapour phase combustion in all cases without sporadic temperature excursions. In the present study, this different burning behaviour is attributed to the formation of thick oxide agglomerates in the case of Li and Na through the pores of which oxygen/metal vapour has to diffuse for combustion to occur. In such cases, a second stage of vapour phase combustion occurs when the oxide agglomerate is heated sufficiently so that the vapour of the liquid metal trapped in the pores breaks through to the surface. In the case of potassium, a self-cleaning mechanism, attributable to the high solubility of the metal oxides in liquid potassium and the relatively low melting point of the potassium oxides, enables a clear liquid surface to be exposed throughout for vapour phase combustion to prevail always. Recorded temperature profiles, SEM analysis of the oxide agglomerates as well as calculations of the metal–oxygen equilibrium thermo-chemistry for the three metals confirm this scenario.     

生物质燃烧过程中的碱金属问题研究

在明确了生物质燃料特点的基础上,对生物质中碱金属元素的来源和析出迁移规律进行了概述。归纳出碱金属引起的腐蚀、聚团和沉积问题,并分析了引起这些问题的影响因素。指出解决生物质碱金属问题的四种常用方法,并总结了碱金属研究过程中存在的问题。     

PFBC烟气中碱金属的脱除

燃煤中碱金属的存在对ＰＦＢＣ中的烟机造成了腐蚀。本文介绍了碱金属的脱除机理及脱除方法,为碱金属脱除的进一步研究提供了基础。     

煤中碱金属及其在燃烧中的行为

综述了对煤中碱金属存在形式及其在燃烧中释放和反应上的研究,指出了目前研究中存在的问题,提出必须加强这方面的研究。     

固体吸收剂脱除高温烟气中碱金属研究

活性矾土、二氧化硅、硅藻土及煤蒌对高温烟气中碱金属的脱除都有一定的效果。通过模拟高温烟气下的热重实验，研究了温度对这些吸收剂脱除碱金属的影响，并从化学热力学的角度对实验结果进行了分析。结论为4种吸收剂对碱金属的脱除都有一定的效果，但活性矾土和二氧化硅在实验条件下脱除碱金属效果更明显。计算结果表明，较高的温度有利于碱金属的吸收。     

入口旋流数对煤粉低尘燃烧器流场的影响

以液排渣旋风燃烧过程为基础的煤粉低尘燃烧器可在燃烧过程实现捕渣，为工业加热提供低含尘浓度的高温火焰，是工业加热过程实现以煤代油的先进燃烧技术。根据旋流燃烧流动特点，采用能考虑非均向湍流应力的雷诺应力模型，对旋流煤粉低尘燃烧器内气流流动过程场进行数值模拟计算，计算结果与流场实验测试相吻合。研究表明，气流进入燃烧器时的旋转强度（旋流数）对燃烧器内的流动特性有很大影响，在冷态模型条件下，当旋流数在7以上时，环室回流在轴向贯穿燃烧器整个流场，有利于增加煤粉颗粒在燃烧室内的循环次数，提高灰渣捕获率；低于7时，环室回流出现阻断，不再连续，易造成煤粉颗粒直接逸出，对燃烧及灰渣捕获不利。随旋流数增加，燃烧器出口处中心回流率增大，对炉膛高温烟气的抽吸作用增强。     

煤粉再燃过程中主要气体体积分数的变化规律

在一维炉上对煤粉再燃过程中烟气内主要气体体积分数随再燃区初始氧体积分数的变化规律进行了研究.再燃温度为1 273 K时,脱硝效率及H2、CO体积分数曲线随再燃区氧体积分数升高均呈不规则"M"型.脱硝效率与H2体积分数出现峰值时的氧体积分数一致,CO体积分数峰值处的氧体积分数高一些.脱硝效率及H2、CO体积分数的第一次下降是由气相着火引起的.氧体积分数进一步上升时,煤焦被气相燃烧热引燃,颗粒温度的大幅跃升促使异相脱硝反应增强,脱硝效率及H2、CO、CH4体积分数再次上升.氧体积分数更高时煤焦燃烧开始受扩散控制,火焰自焦表面外移,颗粒升温趋缓,能够到达焦表面的氧气减少,必须有氧参与的异相还原反应减弱,脱硝效率再次下降.再燃温度更高时,脱硝效率及H2、CO体积分数的变化趋势与1 273 K时基本类似,但稍平缓.     

Characterisation of an oxy-coal flame through digital imaging

This paper presents investigations into the impact of oxy-fuel combustion on flame characteristics through the application of digital imaging and image processing techniques. The characteristic parameters of the flame are derived from flame images that are captured using a vision-based flame monitoring system. Experiments were carried out on a 0.5 MW_th coal combustion test facility. Different flue gas recycle ratios and furnace oxygen levels were created for two different coals. The characteristics of the flame and the correlation between the measured flame parameters and corresponding combustion conditions are described and discussed. The results show that the flame temperature decreases with the recycle ratio for both test coals, suggesting that the flame temperature is effectively controlled by the flue gas recycle ratio. The presence of high levels of CO₂ at high flue gas recycle ratios may result in delayed combustion and thus has a detrimental effect on the flame stability.