准东煤燃烧过程中Na_Ca_Fe对结渣行为影响的机理研究.pdf

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1、 第 卷 第期 年月 动 力 工 程 学 报 收稿日期： 修订日期： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ， ， ） 作者简介： 魏 博（ ） ， 男， 陕西高陵人， 讲师， 博士， 研究方向为煤与其他固体颗粒燃烧及污染物治理 谭厚章（ 通信作者） ， 男， 教授， 博士， 电话（ ） ： ； ： 文章编号： （ ） 中图分类号： 文献标志码： 学科分类号： 准东煤燃烧过程中 对结渣行为 影响的机理研究 魏 博， 谭厚章， 王学斌， 阮仁晖， 胡中发， 王毅斌 （ 西安交通大学 热流科学与工程教育部重点实验室， 西安 ） 摘 要：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

2、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 时， 存在熔融态 的硅酸盐、 硅铝酸盐和 ， 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； 具有助熔作用， 可与硅钙镁铝钠体系形成低温共熔物， 当 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 关键词：准东煤；燃烧过程；结渣行为；灰颗粒 ， ， ， ， ， （ ， ， ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ； ， ， ； ， ， ， ， ； ，

3、 ： ； ； ； 近期发现的准东煤田位于中国新疆昌吉地区， 其煤炭预测储量达到 ， 这一地区将是中国未 来的主要能源基地之一 准东煤易于开采， 目前 准东煤的使用均以露天煤为主， 价格低廉， 且具有挥 发分含量高、 灰分含量低及着火点较低等特点， 是良 好的动力用煤 但由于其 、 含量高， 直接燃 用准东煤会使锅炉屏式过热器产生严重结渣、 沾污 等问题， 影响锅炉的安全经济运行 、 是引起准东煤结渣的主要元素 ， 但 不同的元素引起结渣的机理不同 等 指出在高 碱金属煤燃烧时会形成层状结渣， 首先大量 的 硫酸盐和氯化物亚微米颗粒受热泳力作用在管壁上 形 成 黏 性 内 层，然 后 气 相 碱

4、 金 属 与 碱 土 金 属 （） 物质（ ） 在灰颗粒表面发生均相凝 结， 并在灰颗粒表面形成熔融的一层， 致使灰颗粒撞 击表面时产生液桥或固桥， 形成结渣 等 在 燃烧准东煤的某 锅炉中沿烟气流程进行 取样分析， 发现在炉膛出口水平烟道区域（ 烟气温度 在 附近） 所取灰样中 与含量明显高于 其他部位所取灰样中 与 含量 含铁物质也会 造成灰沉积和结渣 ， 在锅炉还原性气氛下产生较 多的 ， 能 自 身 黏 结， 并 且 降 低 灰 的 熔 点 质量分数超过的灰颗粒处于熔融 态， 能黏在换热器表面 从以上分析可见， 、 和 种元素都会引 起结渣， 而目前大多数研究为模拟锅炉结渣状况， 采

5、用带冷却的取样装置或在实际锅炉停炉后取得渣样 进行分析， 所取渣样是经过复杂的物理化学变化后 形成的， 要获得详细的结渣机理， 必须对每一种元素 所起作用进行解耦， 分别分析每一种元素在结渣过 程中所起的作用 为了达到这一目的， 笔者采用非冷 却的取样探针， 在沉降炉实验系统中不同烟气温度 下取得沉积灰样进行分析， 重点分析烟气温度为 时灰样的形貌及灰颗粒间的结合形式， 获 得种元素的致渣机理， 为解释高碱金属煤结渣过 程提供参考 实验部分 燃料特性 以新疆准东五彩湾矿区煤种为研究对象， 煤质 特性见表， 煤灰特性见表， 其中 为变形温度， 为软化温度， 为半球温度， 为流动温度 从表和表可以

6、看出， 该煤种灰分质量分数较低， 仅为 ； 煤灰中 质量分数达到 ； 煤灰中 和 的质量分数分别为 和 ， 的质量分数为 ， 的质 量分数 为 ， 的 质 量 分 数 较 低， 仅 为 高质量分数的 、 和 表明该煤种在 燃烧过程中可能会出现较强的沾污和结渣问题 表 煤质特性 参数 工业分析元素分析 （ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（， ） 数值 表 煤灰特性 参数 灰成分灰熔融温度 （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （） （ ） （ ） 数值 实验系统与分析方法 沉降炉实验系统和沉积灰样取样装置如图所 示 ， 燃烧系统主要包括煤粉给料单元、 温度控制 单元和灰样沉积单

7、元螺旋微量给粉机将给粉速率 控制在 ， 由一次风携带进入下料管 下料 管由一根层水冷套管构成， 以防止煤在恒温段外 燃烧， 二次风则通过下料管周边炉膛 炉膛直径为 ， 采用三区硅钼加热， 有效加热长度为 ， 恒温段长度为 实验过程中， 炉膛温 度设置为 为保证燃烧完全， 采用 网筛在振筛机上将实验用煤进行筛分， 使煤样粒径 控制在小于 范围内， 同时通过调整风量， 控 制炉膛出口氧气体积分数约为 为获得不同烟 气温度下的灰样特性， 取样探针采用非冷却形式， 由 沉降炉底部伸入， 通过调整其位置， 收集烟气温度 （ 即取样温度） 分别为 、 、 和 时的灰样进行分析烟气出口处通过水冷换 热器降低

8、烟气温度， 分离烟气中灰颗粒后， 由引风机 动 力 工 程 学 报 第 卷 图 沉降炉实验系统与取样装置示意图 排出 沉积时间设置为 采用扫描电镜能谱 分析（ ） 对不同工况下灰样的微观形貌以 及 、 、 和 等关键成分的含量进行测量 结果与讨论 不同取样温度下灰样微观形貌 对炉膛温度为 时， 不同取样温度下所 取灰样采用 放大至 倍下观察其微观形 貌， 如图所示 从图可以看出， 当取样温度为 时， 灰样基本全部熔融， 而灰样表面出现的 白色小球可能是由于取样探针从底部取出时管壁上 的固态飞灰颗粒黏附而形成的 因此， 在 分析 时需避开有白色小球区域， 取表面光滑的熔融态表 面来获取熔融灰样的

9、真实成分 当取样温度为 时， 灰颗粒之间熔融、 交连在一起； 当取样温度低 于 时， 灰颗粒呈现出较强的独立性， 表明灰颗 粒在取样探针上沉积以前就已经凝固 不同取样温度下灰样中无机元素分布 图给出了不同取样温度下灰样的成分变化 从图可以看出， 取样温度为 时， 灰样中主 要成分为 、 、 和 ， 而 、 质量分数较 低， 几乎没有存在 这说明当烟气温度为 时， 基本上全部含 化合物已分解， 以 气体形 式存在 当取样温度降低至 时， 灰样中 、 和 的质量分数降低， 的质量分数基本不 变这是由于烟气温度为 时， 灰样中固相 具有固作用， 吸收烟气中的、元素， 使灰 样中和 的质量分数升高 采

10、用 获得的元 素含量为相对含量， 即各元素在灰样中的质量分数 因此， 当灰样中 和 质量分数升高时， 、 和 的质量分数降低 灰样中、 的质量分数升高， 而 的质量分数基本不变， 说明 的实际质量分 数也升高， 这是由于存在气相 的化合物与灰样 中 、 反应被捕捉而造成的 研究表明， 硅、 铝氧 化物在 时对碱金属的捕捉效果最优， 温度 升高而形成的碱金属硅铝酸盐则会分解 当取样 温度继续下降至 以下时， 、 的质量分数 继续降低， 而 的质量分数反而升高 这是由于大 量 与结合形成的气相 在灰颗粒表面沉 积， 使灰样中 的质量分数升高， 、 的质量分 数继续降低 与此同时， 含 的化合物也开

11、始在灰 颗粒表面沉积， 导致 的质量分数升高 图 不同取样温度下灰样的微观形貌 图 灰样成分随取样温度的变化 时灰样中熔渣分类 全部熔融的灰颗粒在受热面沉积时的流动性较 强， 在重力的作用下容易脱落； 完全没有熔融的固体 灰颗粒与受热面撞击时为刚性碰撞， 很难在受热面 上黏附， 即使黏附上也很容易通过吹灰的方式被吹 落； 部分熔融的灰颗粒流动性较差， 将在受热面上持 续生长而引起最严重的结渣 从图 还可以看 出， 当取样温度为 时， 灰颗粒间相互熔融在 一起， 此时该煤种结渣最严重， 而此烟气温度在实际 锅炉中与屏式过热器区域温度对应 研究表明， 在燃 第期 魏 博， 等： 准东煤燃烧过程中

12、对结渣行为影响的机理研究 烧准东煤的锅炉屏式过热器上确实发生了严重的结 渣问题 因此， 对沉降炉中烟气温度为 所在 位置处的灰样进行详细分析， 结果如图所示 图 （ ） 为采用背散射电子成像技术（ ） 将灰 样放大 倍后熔渣的微观形貌， 不同类型熔渣的 成分分析如图（） 所示 从图（） 可以看出， 灰样 主要以熔渣形式存在 根据微观形貌及元素成分分 析， 熔渣主要分为以下种类型 第一类： 从形貌上看熔融程度较高， 且有不同颜 色的球状颗粒嵌入熔渣边缘， 如图（ ） 中 、 、 所 示区域 从对应的图（） 中的成分分析结果可见， 该类区域熔渣主要元素为 、 、 、 和 ， 同 时 、的质量分数很

13、高， 均为 左右， 明显高 于其他低碱煤灰的 、质量分数 第二类： 从形貌上看灰样表面粗糙、 多孔， 如 图 （ ） 中 、 、所示区域， 从对应的图（） 中的成 分分析结果可见， 该类区域熔渣主要由 、和 组成 （）微观形貌 （）不同颗粒的成分分布 图 不同类型熔渣的微观形貌和成分分析 诱发结渣机理 将图 （） 中 典 型 区 域 放 大 至 倍， 如 图 （ ） 所示 从图（） 可以看出， 一些亮度不同的 圆球颗粒通过灰色熔融态灰黏结在一起， 对不同颗 粒（ 、） 进行 分析， 结果如图（） 所 示 从灰样微观形貌及成分分析可见， 图（） 中颗 粒的熔融态灰样主要成分为 、 和 ， 同时

14、和 的质量分数分别超过和； 颗粒的主 要成分为 ； 颗粒的主要成分为 、 、 和 ； 颗粒为 ； 颗粒的元素质量分数由 高到低依次是 、 、 、 、 和 通过灰样微 观形貌及成分分析可以清晰地看出， 质量分数较 高的灰样在烟气温度为 时呈熔融态， 可与 其他灰颗粒黏结在一起 这也可以证明此温度下 质量分数高的熔融态灰样可直接撞击并黏附在管壁 或已形成的焦体上， 当壁面渣层较厚时， 可在渣体表 面形成熔融态的膜， 以捕捉其他灰颗粒， 引起更严重 的结渣 （）微观形貌 （）成分分析 图 引起熔渣的微观形貌和成分分析 诱发结渣机理 将图 （ ） 中典型区域放大至 倍， 如 图 （ ） 所示 从图（）

15、 可以看出， 灰颗粒由上、 下 部分表面形貌完全不同的颗粒组成 上部表面粗糙， 下部表面光滑， 但部分连接处融合在一起 对区域 和区域分别进行 分析， 结果如图（） 所 示 从图（） 可以看出， 上部表面粗糙部分的主要 成分为 、 和 ， 而下部表面光滑部分则主要 为 、 和 ，的质量分数很低， 这说明下部表面 动 力 工 程 学 报 第 卷 由纯度较高的硅酸钙组成 为了分析上部表面粗糙 区域中几种主要元素的结合方式， 将图（） 中区域 继续放大至 倍， 如图（） 所示 从图（ ） 可 以看出， 该区域主要分为表面光滑的熔融块状物（ 、 ） 和白色细小絮状颗粒（、）种类型， 分别对其进 行 分

16、析， 结果图（） 所示 从图（） 可以看 出， 种表面光滑的熔融块状物（ 、） 的成分近似， 仅含 、和 ， 对应的质量分数分别为 、 和 左右， 分别除以各元素的相对原子质量可得 到其原子数量比约为 ， 因此 可推测该区域主要由 组成 而絮状颗粒（、 ） 仅含 、 和 ， 是硅酸钙气溶胶 从上述分析可 知， 在烟气温度为 时， 灰样中存在熔融态的 ， 与熔融态钠的硅酸盐、 硅铝酸盐类似， 熔融 态的 可以撞击并黏附在壁面上， 当渣层增厚 时， 将在沉积表面形成熔融态膜， 进而黏附其他灰颗 粒或气溶胶颗粒， 引起结渣 （） 倍微观形貌（ ） 倍对应元素成分分析 （） 倍微观形貌 （） 倍对应元

17、素成分分析 图 引起熔渣的微观形貌和成分分析 诱发结渣机理 在背散射电子成像图片中， 不同亮度表征了不 同的元素成分 从图（） 还可以看出， 熔渣主体呈 暗灰色， 在外侧边缘存在较多灰白色球形颗粒 在煤 中原子序数较大的成分主要为 ， 推测该类灰白色 球形颗粒为 为更进一步分析 在结渣过程 中所起的作用， 将图（） 中颗粒所在区域放大至 倍， 如图（） 所示， 其中个区域的成分分析如 图 （ ） 所示 从图（） 可以看出， 一颗灰白色球体 嵌入深灰色熔渣边缘 从图（） 可以看出， 灰白色 球体中只存在 和 ， 对应的 质 量 分数分 别为 和 ， 因此可断定该颗粒为 而 灰色熔渣中除 、 、

18、质量分数较高外， 与 的质量分数也分别达到 和 这是由于 在 下， 对硅钙镁铝钠体系具有较强的助 熔作用， 可与硅钙镁铝钠体系形成低温共熔物， 当 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 结 论 （ ） 当炉膛温度为 时， 烟气温度高于 ， 煤中硫酸盐全部分解， 煤灰基本熔融， 而 在烟气温度为 时重新形成大量的 和 少量的 ， 煤灰颗粒间呈现出较强的相互结 合性， 当烟气温度降低至 以下时， 灰颗粒基本 凝固， 但仍有部分 、 的气溶胶颗粒在其表面 凝结 （ ） 在烟气温度为 时， 含 硅酸盐、 硅 铝酸盐本身熔点较低（ 低于 ） ， 可以直接黏 附在过热

19、器壁面并捕捉其他灰颗粒， 从而引起结渣 第期 魏 博， 等： 准东煤燃烧过程中 对结渣行为影响的机理研究 （）微观形貌 （）成分分析 图 含 熔渣的微观形貌和成分分析 （） 在 烟气环境下存在熔融态 ， 在结渣过程中起到黏结作用 （ ） 在 下， 对硅钙镁铝钠体系有助 熔作用， 可与硅钙镁铝钠体系形成低温共熔物， 降低 焦体熔融温度， 并形成新的熔融物 参考文献： ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， （ ） ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， （） ： 王云刚，赵钦新，马海东，等准东煤灰熔融特性试 验研究动力工程学报， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ：