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。     

O2/CO2气氛下烟气物性参数对燃煤锅炉对流传热影响的模拟研究

新疆准东煤作为一种可开发利用前景广阔的高碱金属煤种,易沾污结渣特性极大限制了其高效利用。前人大量研究了准东煤在常规气氛下的燃烧特性,但鲜见其在富氧气氛下的燃烧和传热特性研究。为了研究富氧气氛下燃用准东煤对碱金属释放及换热器传热性能的影响,运用化工流程分析软件Aspen Plus建立空气和富氧气氛下准东煤燃烧工艺流程模型并进行反应模拟。通过控制氧燃比恒定并调节O_2/CO_2配比进行变工况分析,使准东煤燃烧绝热火焰温度与空气气氛下较为接近,对应工况下锅炉内具有相似的温度分布。借助吉布斯反应器模拟得出反应物系在满足相平衡和化学平衡的条件下所得产物组分及状态参数、Na元素的赋存与转化规律,为预测Na元素释放形式提供参考。由于富氧燃烧烟气富含高浓度CO_2且水蒸气含量增加,富氧燃烧方式下燃煤烟气的传热特性将发生显著差异。运用带有Boston-Mathiasα函数的Peng-Robinson立方状态方程(PR-BM物性方法)对准东煤在空气和富氧气氛下燃烧产生的烟气进行物性估算,对比分析不同气氛下烟气密度、比热容、导热系数、黏度随温度的变化规律,为分析空气及富氧气氛下准东煤燃烧烟气的对流传热特性差异提供更为准确的参数。采用外掠管束强制对流传热修正计算方法分析了不同燃烧气氛下锅炉烟道内各对流受热面的传热性能。并采用CFD软件对一束高温再热器管屏进行"烟气-管壁-蒸汽"流固耦合传热数值模拟,对比空气及富氧气氛下燃煤烟气物性参数对换热器传热系数的影响。结果表明:40%O_2/60%CO_2气氛下,Na元素释放规律与21%O_2/79%N_2基本一致。随着烟温的降低,Na存在形式逐渐由NaCl和NaOH向Na2SO_4转变。但烟气再循环的富集作用会加剧准东煤灰沾污结渣。由于富氧燃煤烟气中三原子气体浓度增加,物性参数发生变化使得对流传热性能增强,各对流受热面传热系数为常规工况的1. 24～1. 27倍。在换热器结构和烟气及蒸汽入口流速、温度相同时,富氧工况下再热器各管圈对流传热系数较常规工况增加约21. 43 W/(m~2·K),出口蒸汽平均温度提高约11. 32 K。     

高灰熔点煤高温下煤焦CO2/水蒸汽气化反应特性的实验研究

我国煤炭年产量中，1400℃以上的高灰熔点煤约占50％以上。为探索固态排渣方式的高灰熔点煤气流床气化，本文选出具有代表性的三种高灰熔点煤种和一种低灰熔点煤种，在TGA-51H型高温热天平上进行了煤焦-CO2和煤焦-水蒸汽气化反应特性的实验研究，并利用SEM考察了气化条件下煤焦及灰的微观结构。实验结果表明：在煤焦-CO2、H2O反应过程中，反应速度明显表现出高温区域的扩散反应和低温区域的化学反应；无论在1273K～1573K的低温区域，还是在高于1573K的高温区域，反应速率随燃料比（FC/V）的增加而减小。     

气体再燃低NOx排放试验研究

在一台具有空气分离、燃料分级燃烧等多用途的一维热态试验台上,研究了天然气再燃燃烧过程中停留时间、空气过量系数、温度、煤种等一些关键因数对NOx释放规律的影响。结果表明：提高再燃区停留时间有利于降低NOx的排放,其最佳停留时间为0．6s;再燃区过量空气系数存在一个最佳值(0．8～0．9);脱氮效率随着再燃量的增加而增大,随着再燃区温度的增加而增大;对于不同煤种,均能起到显著的降低NOx排放作用;试验室的脱氮率为70％～80％,NOx的排放浓度可在200mg／Nm^3以下。     

抛煤机锅炉炉内增拱气固两相流研究

在抛煤机锅炉炉内增拱强化燃烧基础上,在6000m3/h的冷态试验台上,研究炉拱对炉内气体粒子携带能力及粒子捕捉能力的影响,确定炉拱最佳捕捉粒径范围为≥154μm,拱的最佳角度为与水平面成15°夹角。     

煤颗粒在一定温度和压力下的气化动力学过程模拟

IGCC技术是洁净煤技术的重要方向,气流床气化炉是IGCC的重要设备之一。对气流床气化炉数学模型的研究是突破气化炉核心技术的关键所在,通过对从一种简化的气流床气化炉动力学模型人手,建立起气化炉中C、O_2以及合成气主要成分和炉内停留时间关系的动力学模型。在已知入口参数的条件下,以预测气化炉出口合成气成分、流量、碳转化率等参数,计算结果和相关学者的论文研究结果相符。通过建立气化炉动力学模型,得出气化炉中C、O_2和合成气主要成分随炉内停留时间的变化关系。     

煤灰中高熔点矿物质莫来石的实验与量化研究

莫来石是煤灰中高熔点主要矿物质成分之一,笔者采用量子化学的理论和计算方法,对其化学状态,表面化学活性位置及其成键特性进行了研究。计算结果表明,煤灰中莫来石分子簇的最高占据轨道基本是由与Si原子相连接的O7,O12组成,且具有很高的能态。同时,通过计算结果推知煤灰中莫来石表面化学活性强弱关系Al1＋O13〈Al8＋O13〈Al1＋O12〈Si6—O7〈Al8＋O14〈Si6—O12,因此在Al1＋O13,Al8＋O13易断键,使晶格发生重组,量子化学计算从微观方面很好的解释了配煤对降低高灰熔点煤的熔融机理,实验结果也很好的验证了理论计算。     

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。     

结渣初始层中Na2SO4的第一性原理研究

以量子化学从头算法(Ab initio quantum chemistry)和密度泛函理论(DFT)为理论基础,采用广义梯度近似(GGA)及PW91算法,对煤灰沉积初始层中的含钠矿物质Na2SO4的电子结构和热力学性质进行了计算。通过声子态密度法计算了Na2SO4的热力学性质(熵、热容、焓和吉布斯自由能),并对所得数据组图。通过Na2SO4与菱镁矿的热力学性质的对比分析,表明Na2SO4在高温区更易熔融并在受热面形成结渣初始层,从而导致水冷壁沾污结渣。     

气化条件下混煤灰熔融特性及矿物质演变规律

通过实验研究了高温气化条件下混煤灰的熔融特性及矿物质演变规律.结果表明,气化条件下混煤灰熔融温度的变化规律并不与配煤比例成线性关系,而与相应三元相图的液相线温度具有良好的相似性;随着低灰熔点煤灰的加入,混煤灰在三元相图上的位置逐渐由莫来石结晶区向钙长石结晶区移动,并在二元共晶线或三元共晶点附近熔融温度的变化最为显著,且低于周围位置的熔融温度;由于低灰熔点煤灰中含有较多的硬石膏、辉石、长石等矿物,高温气化条件下能分解成CaO、FeO等助熔矿物,这些助熔矿物能够与高灰熔点煤灰中的莫来石、石英等发生反应生成钙长石、铁橄榄石等低熔融矿物,从而降低了高灰熔点煤灰的熔融温度.