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。     

高碱煤碱金属迁移特性及其对受热面沾污行为的影响

对新疆某台燃用新疆某高碱煤锅炉炉内灰中主要元素及矿物质迁移转化规律进行了实验研究与分析测试。研究结果表明:煤中20%的Na2O和10%的SO3由锅炉底渣排出,而其余部分的Na2O和SO3则随炉内烟气以气态或固态形式进入锅炉受热面,并在末级过热器、末级再热器受热面上主要以Na_2SO_4、CaSO4以及Na-Al-Si等低温硅铝酸盐的形式存在,从而引发锅炉高温受热面发生严重沾污、结渣等问题;通过对锅炉受热面沾污层断面的SEM-EDX分析表明:Na、Fe、Ca、S等元素是引起煤灰初始沾污的主要元素;在致密的初始沾污层上由Na_2SO_4、CaSO4等组成的大量沾污层,约有50%~96.14%的Na和Ca在600℃~850℃温度区间被硫化,且由于Na+的活性高于Ca2+,相同温度下Na的硫化比例要比Ca的硫化比例要高,除非在温度较高的区域(1 429℃),由于Na的蒸发作用,导致Ca的硫化比例比Na的硫化比例要高。     

高岭土对新疆高碱煤沾污结渣特性的影响研究

为深入研究高岭土对减缓新疆准东高碱煤沾污结渣特性的影响规律与作用机制,利用3 MW_(th)多功能煤燃烧中试平台模拟实际电站锅炉四角切圆燃烧环境下研究高岭土对新疆准东高碱煤燃烧过程中灰的生成及沾污结渣特性的影响。试验结果表明:高岭土成分以SiO_2为主,虽然SiO_2单质熔点高达到1 730℃,但煤灰中SiO_2主要以非晶体状态存在,有时可提高熔融温度,有时则起到助熔作用;添加10%高岭土后,其炉膛结焦比纯烧准东高碱煤要好一些,虽然仍有流渣,但其渣的致密程度要比纯烧准东高碱煤要低;在炉膛燃烧区域准东高碱煤的碱酸比(B/A值)高于添加高岭土对应灰样的碱酸比值,而在高温对流受热面烟温区域(末级过热器、末级再热器区域),添加高岭土后其灰样的碱酸比值比燃准东高碱煤工况下灰样的碱酸比要低,添加高岭土后,与纯烧准东高碱煤相比,高碱酸比分布温度区间沿烟气流向方向向后推移,即易发生严重沾污的烟温区间向低温区域偏移。因此,相同条件下其在对流受热面上的沾污烧结程度要低,添加高岭土对降低锅炉对流受热面发生大面积沾污具有一定的效果。     

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。     

富氧燃烧条件下煤灰的沾污沉积特性研究

O_2/CO_2富氧燃烧发电技术被认为是未来最具潜力的燃煤低碳电力技术,近年来国内外都得到了快速发展。由于O_2/CO_2富氧燃烧条件下锅炉烟气组份发生了很大变化(以CO_2+H_2O为主),煤灰在富氧燃烧锅炉炉内的沾污、沉积行为也将发生较大变化。为此,在3 MWth煤燃烧热态试验平台上对比研究了煤在空气燃烧和O_2/CO_2富氧燃烧条件下灰的沾污沉积特性。研究结果表明:煤在空气燃烧和O_2/CO_2富氧燃烧条件下各受热面沉积灰样的化学组成并没有显著变化,富氧燃烧条件下沉积灰样中SO_3和Fe_2O_3发生了富集,而Si_2O和Al_2O_3的含量相对偏低,O_2/CO_2富氧燃烧条件下沉积灰样的煤灰熔融温度其在比空气燃烧条件下的煤灰熔融温度约低200℃。     

高碱煤液态排渣燃烧条件下碱金属释放特性研究

采用液态排渣旋风燃烧技术可优先将煤中Na等碱金属以硅铝酸盐熔渣的形式从炉底排出,从而有效减缓燃高碱煤锅炉尾部受热面的强沾污、结渣问题。高温液态排渣燃烧条件下Na的迁移、释放特性对其在炉内渣膜的捕捉行为影响巨大。为此,在沉降炉上研究了3种典型高碱煤(地表高氯煤、将军庙煤、沙尔湖煤)在液态排渣高温热解—燃烧过程中,煤中Na的释放特性以及Ca、Fe等对Na释放行为的影响。研究结果表明：热解阶段,水溶性Na主要以Na₂SO₄、NaCl等形式释放,1 500℃下释放率为63.1%～68.6%;酸溶性Na主要通过分解或与自由基反应释放,1 500℃下释放率为64.4%～79.2%;高温下,部分水溶性Na、酸溶性Na会与灰中硅铝酸盐矿物反应转化为不可溶性Na。Ca、Fe在热解阶段对Na的释放影响并不显著;焦炭燃烧阶段,水溶性Na和酸溶性Na的释放率达95%以上,灰中不溶性Na分别为3种原煤中不溶性Na的2.64倍、2.28倍和5.6倍,表明高温液态排渣燃烧条件下,高温熔渣对Na具有一定的捕捉作用,且以不可溶性Na的形式固化于高温熔渣当中。     

准东煤灰熔融特性试验研究

将神华准东煤（神华煤）和天池能源准东煤（天池煤）与碱沟煤按照不同质量掺混比进行混合并制得灰样,将NaCl、CaO、Al2O3和SiO2按不同添加比例加入神华煤和天池煤并制成灰样,对上述混合灰样的熔融特性进行研究.结果表明：碱沟煤掺混2种准东煤后,随着准东煤质量掺混比的增大,混合灰各个灰熔点特征温度先降低后升高;随着灰样中Na含量增加,准东煤灰样的变形温度显著降低,软化温度、半球温度和流动温度先降低后趋于不变;当灰样中Na含量达到一定比例后,NaCl对准东煤灰熔融特性的影响明显减弱;CaO对准东煤灰熔点的影响较复杂,可以降低也可以提高灰熔点;随着Al2O3添加比例的增加,准东煤灰熔点先升高后急剧降低;随着SiO2添加比例的增加,神华煤灰样的变形温度先升高后降低,而天池煤灰样的变形温度逐步升高,其他3个特征温度均逐渐降低.     

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。     

高碱煤灰渣在涂镍钢表面的粘附特性研究

利用高温钼丝烧结点仪记录准东和神华2种煤灰在奥氏体钢和涂镍钢表面的熔融形态及接触角变化,分析煤灰的熔融特性和在材料表面的粘附特性。结果表明:准东煤灰的初始烧结温度(770℃)较低,半熔融态灰渣量(24%)较大,说明高碱煤更易沾污;1 200℃~1 280℃内,准东煤灰在涂镍钢表面的接触角比奥氏体钢大8.5°以上,该温度区间内涂镍钢可有效减弱高碱煤结渣;1 150℃~1 190℃内,准东煤灰在涂镍钢表面的粘附功增长缓慢,涂镍钢对该温度区间内的高碱煤结渣有减弱作用。     

烟气激冷对准东煤沾污特性的影响

在3 MW煤粉锅炉试验台和循环流化床(CFB)锅炉试验台上研究了烟气激冷对准东煤沾污积灰的影响,并用X射线衍射(XRD)和X射线荧光检测(XRF)对沾污物质进行了分析。结果表明:无论是煤粉锅炉还是CFB锅炉,烟气激冷均可减轻受热面的沾污;准东煤的初始沾污积灰主要是由Na2SO4造成的,而CaSO4被尚未凝结的Na2SO4捕捉,引起沾污加剧;烟气激冷使Na2SO4在接触沾污测试管之前就已凝结固化,从而起到减缓沾污的作用。     

生物质燃烧过程中Cl及碱金属K、Na的析出特性

针对生物质高氯、高碱金属含量导致的直接燃烧产生的受热面腐蚀问题,对生物质燃烧过程中Cl、K和Na的析出规律进行研究。使用马弗炉在500~900℃下燃烧麦秆、稻秆、玉米秆、棉花秆和油菜秆5种生物质,对灰样进行XRF和XRD分析,获得上述物质中Cl、K和Na的析出规律。结果表明:在500~600℃下燃烧时,少量Cl和K析出;在600~800℃下燃烧时,大量Cl和K以KCl形式析出;当燃烧温度高于800℃以上,除油菜秆外所有生物质中Cl和K的析出非常缓慢。在500~900℃下燃烧时,生物质灰样中Na含量变化均很小。     

弱还原性气氛中碱金属盐对煤灰沾污特性的影响

将碱金属盐添加剂折算为对应的碱金属氧化物加入不同种类的煤灰中,在弱还原性气氛中进行烧结实验以研究煤灰沾污特性.结果表明:天池能源煤具有较强的沾污特性,这是因为其煤灰中Na元素含量较高;煤灰中加入碱金属盐可以明显促进煤灰的烧结,降低煤灰的初始沾污温度;煤灰的沾污特性受到碱金属盐与灰样中固有矿物成分的共同作用;低温阶段Na基化合物对煤灰烧结特性的影响强于K基化合物,而高温阶段则是K基化合物的影响更强.     

准东煤燃烧过程中Na/Ca/Fe对结渣行为影响的机理研究

在一维沉降炉实验系统中进行准东煤燃烧实验,采用非冷却的取样探针在不同烟气温度下收集灰样并进行分析,以获得烟气中不同无机成分在结渣前的形态及灰颗粒间的结合方式.结果表明:当烟气温度为1 000℃时,存在熔融态Na的硅酸盐、硅铝酸盐和CaSO_4,这些熔融态的灰颗粒会撞击、黏附在管壁上;当渣层逐渐增厚时,表面温度升高,可能在渣层表面形成熔融态的膜,以捕捉其他灰颗粒;Fe具有助熔作用,可与硅钙镁铝钠体系形成低温共熔物,当Fe_2O_3颗粒撞击到焦体熔融表面时,其助熔作用会降低焦体表面的熔点而形成新的焦体.     

酒糟在流化床中燃烧特性的试验研究

利用X射线荧光光谱仪、灰熔点仪和热重分析仪等对酒糟的灰成分、灰熔点及着火温度进行了测试,并在小型流化床试验台上进行了酒糟燃烧试验,对不同含水率酒糟的着火特性、烧结特性和NOx排放质量浓度进行了研究.结果表明:酒糟灰中K2O和Na2O的含量很低,只有4.936%;酒糟灰的软化温度较高,高于1 290℃;干燥酒糟的挥发分较高,高于250℃就能够着火燃烧;当石英砂的平均粒径为300μm、流化床内的流化速度大于0.36m/s时,流化状况良好;在900℃下,酒糟在石英砂流化床中燃烧不会出现烧结现象;在不同的燃烧温度下,NOx排放质量浓度均较大,且随着燃烧温度的升高而增大;酒糟可以在石英砂流化床中燃烧,且燃尽效果良好.     

洗煤对高碱煤碱金属迁移及灰熔融特性的影响

针对燃用某高碱煤种遇到的强沾污、结渣难题,对典型高碱煤种分别用去离子水、1 mol/L硝酸和1 mol/L醋酸铵进行了洗煤,并用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICPOES)、X射线荧光仪(XRF)、和X射线衍射仪(XRD)等分析测试仪器对不同溶剂洗煤前后煤中的碱金属元素、矿物质组成进行了分析与测试。研究结果表明:3种洗煤介质对煤中Al和Si几乎没有脱除效果。但去离子水对煤中Na、K、S、Fe的脱除率在50%左右;硝酸和醋酸铵能对煤中Ca和Na的脱除率达到90%左右;洗煤后煤灰的熔融温度虽然变化不大(DT升高11~42℃),但洗煤后由于Na、S等碱金属的脱除,使得在灰的熔融过程中,初始液相析出温度由原煤的700℃升至900℃(硝酸)和1 100℃(醋酸铵);且初始液相析出的质量百分比也由17wt%降低至5.38wt%(去离子水)/5.09wt%(硝酸),这对降低高碱煤的沾污程度起着至关重要的作用。     

高碱金属煤燃烧过程中渣体抗剪特性研究

为了研究高碱金属准东煤燃烧过程中渣体的断裂及脱落机理,以新疆准东地区某350 MW电站锅炉除尘器粉煤灰为研究对象,搭建了高温直剪实验系统,通过土工试验中重塑灰样的方式研究煤灰在高温下的抗剪切特性。结果表明:当剪切温度为200℃时,煤灰颗粒间的内摩擦角和黏聚力为71.570°和123.360 kPa;当剪切温度升高至800℃,内摩擦角和黏聚力为62.122°和404.390 kPa;温度升高使灰颗粒间的滑动摩擦和镶嵌作用产生的摩擦阻力降低,使颗粒间胶结作用增强。     

炉内燃烧温度对准东煤灰熔融特性影响的实验研究

当炉内燃烧温度为950℃、1 150℃和1 350℃时,改变炉膛出口氧体积分数,分别设置为2.0%~2.5%、4.0%~4.5%和6.5%~7.0%,在准东煤沾污结焦实验台上进行实验,并收集沾污段的飞灰进行可燃物化验、电子扫描电镜扫描和X射线荧光光谱仪检验等分析.结果表明:炉内燃烧温度升高会使煤粉表面烧结性更强,阻碍了氧气向煤粉内部的扩散,导致飞灰可燃物质量分数增大;钠元素在950~1 150℃存在某种形式的快速释放,而钾元素则不会;炉内燃烧温度越低,煤灰熔融温度越低,结渣性越强,但这不是引起炉内沾污积灰的主要原因;炉膛出口氧体积分数的变化对飞灰成分和碱金属析出的影响较小.     

添加剂对准东煤结渣和沾污特性影响的研究

在0.4 MW准东煤燃烧与沾污试验台上进行了3种不同添加剂对某准东煤燃烧时结渣、沾污特性影响的研究。结果表明:炉膛内和蛇形管前屏只存在结渣现象,结渣物是以Fe、Ca为主形成的低熔点复合盐类,而Na对结渣贡献并不占主要地位;各工况的准东煤真实灰熔点在1 100℃左右;烟温在800℃左右时受热面以沾污为主,Na_2SO_4和CaSO_4的冷凝沉积占主导;准东煤自身燃烧产生的底渣作为添加剂时缓解结渣、沾污效果不明显;添加高岭土时结渣物虽较厚但较为疏松,易于清除,说明其具有明显的减弱结渣强度的作用;以将军庙煤为添加剂时能明显减弱沾污强度。     

燃煤过程中元素Na和Fe在可吸人颗粒物中的形态与分布

通过对平顶山烟煤在沉降炉内的燃烧试验,结合热力学平衡计算分析,研究了两种选定的矿物质成灰元素Na和Fe在可吸入颗粒物中的形态与分布。燃烧试验条件为:煤粉粒径小于63μm,燃烧温度在1400°C,炉内燃烧气氛为空气气氛。试验采用低压撞击器(LPI)按不同粒径大小从0.03~10μm共分为13级,分别采集燃烧后的可吸入颗粒物。并采用热力学平衡计算分析方法研究了氧化性气氛中元素Na和Fe的化学形态和物理相。试验和计算结果显示:钠元素主要以Na单质的形式气化,大部分以NaO、Na2SO4、NaCl、Na3PO4的形式存在于亚微米颗粒中,极少量以NaAlSi3O8相存在于PM1.0-10中;Fe元素主要以FeO的形式气化,部分以Fe2O3的形式存在于亚微米颗粒中,部分以Fe3O4和Fe2O3的形式存在于PM1.0-10中。图1表2参6     

O2／CO2煤粉燃烧对矿物质成灰行为的影响

通过乌兰木伦煤在高温沉降炉中的燃烧实验,研究了O2/CO2燃烧时煤中矿物质的成灰行为.通过对所生成灰样的详细分析,并和O2/N2气氛下煤灰特性比较,研究了O2/CO2燃烧对矿物质成灰行为的影响.结果表明,与O2/N2燃烧相比,O2/CO2燃烧对灰样中生成的主要矿物质物相未产生显著影响,但改变了它们的相对含量;煤粉在O2和CO2体积比R为1:4条件下燃烧时,亚微米颗粒的生成量在较空气燃烧时减少,而当O2和CO2体积比R为2:3时,亚微米颗粒的生成量较相同氧浓度的O2/N2燃烧时大幅度增加;燃烧气氛还显著地影响亚微米颗粒的元素组成.