生物质热转化过程中积灰沾污结渣特性及趋势预测研究进展

为阐明生物质灰的沾污结渣特性及其趋势预测研究现状,使生物质能热转化利用过程更加安全,在综合分析生物质灰沾污结渣的危害及机制的基础上,从沾污结渣特性与沾污结渣预测两方面归纳国内外研究进展,梳理出影响结渣的主要因素——灰分组成、反应温度、气氛和添加剂等;并对沾污结渣趋势的预测方法和研究趋势进行分析。针对实际工程中锅炉受热面结渣和腐蚀问题,可以采用混烧、混入添加剂、水洗、酸洗、改变受热面材料、优化锅炉和烟道结构设计、优化反应条件等措施解决。在生物质灰沾污结渣趋势预测方面,目前并没有完整的统一标准,简单沿用煤灰的结渣指标存在严重的不适应性,且现有的预测方法通常只考虑固态或熔融成分对结渣的影响,而忽略了碱金属、氯、硫等元素挥发与温度变化的关系。因此,以热转化过程中碱金属的气-固分配趋势为基础,结合不同温度下生物质灰的特点及成灰特性,建立适用于不同温度下生物质灰的沾污结渣预测模型,是下一步研究应重点关注的问题。

燃准东煤电站锅炉沾污结渣特性及防治措施研究进展

新疆地区的准东煤预测储量高达3900亿t,然而煤灰的高沾污结渣倾向严重制约着准东煤在电站锅炉的安全经济利用。为了明晰沾污结渣机理,推动准东煤在电站锅炉的高比例掺烧甚至纯烧,该文从准东煤的无机组分组成、煤的成灰特性、灰的沉积特性、电站锅炉受热面沾污结渣特性和防治措施5个方面对相关基础研究和工业应用情况进行总结。碱金属钠的释放、冷凝和低熔点组分的形成是沾污结渣主要原因,混煤和添加剂的使用以及燃烧调整是最常用的应对措施,降低炉膛出口烟气温度、优化受热面布置和吹灰方式是目前主流的炉型设计思路。开发完善新的炉型和技术手段有望为纯烧准东煤提供解决思路,但还需要应对燃准东煤电站锅炉灵活低碳发展过程的新挑战。

大型燃煤锅炉中含Na/Cl/S组分的演变与受热面结渣倾向的数值模拟

提出了一种考虑煤中含Na/S/Cl组分多步释放、气相组分相互作用、气-固反应以及盐蒸气冷凝耦合灰颗粒黏附的结焦模型,以预测炉内受热面气态碱金属组分冷凝行为、受热面结焦风险以及炉膛出口Na/S/Cl组分分布特性。结果表明:炉膛出口气态含Na组分主要以NaO_(2)、NaCl、Na_(2)SO_(4)和NaOH形式存在;最上层燃烧器至分离燃尽风(SOFA)喷口区域、最下层燃烧器至冷灰斗转角区域的水冷壁结焦风险高;炉膛出口区域后屏过热器底部颗粒黏附位置相对集中,炉内辐射式过热器结焦速率远高于气态钠盐冷凝速率,对流受热面颗粒沉积速率约是钠盐蒸气冷凝速率的3~4倍。

基于热损失分析的水冷壁结渣监测和吹灰优化

目前大多数燃煤电厂采用定时定量的吹灰方案,易造成受热面欠吹或过吹。以某650 MW超临界直流锅炉水冷壁作为研究对象,首先基于热损失和GA-BP神经网络建立水冷壁结渣监测模型,再以吹灰净收益最大为优化目标建立水冷壁的吹灰优化模型,考虑到布置在炉膛不同高度的吹灰器对灰渣的去除效果不同,对吹灰增量叠加曲线分段拟合,最后对电厂现有2种吹灰方案进行优化分析。结果表明,启动D~F层吹灰器吹灰策略的吹灰效率更高,但启动A~F层吹灰器吹灰策略经过优化后,吹灰净收益更大,目标锅炉的水冷壁吹灰时间设置为3556 s,2次吹灰的间隔时间设置为10600 s,吹灰器从A层依次启动到F层,每台吹灰器运行时间相同,获得的吹灰净收益最大为6449.41 kW,相较启动D~F层吹灰器吹灰策略优化后的结果,吹灰净收益提高17%。

碱金属迁移转化对生物质灰沾污结渣的影响研究进展

生物质热化学转化利用过程会产生大量的生物质灰,其钾、钠等碱金属元素的含量高,导致其熔融温度低,在高温下极易熔融或挥发,进而对锅炉、管道或设备受热面造成沾污结渣、腐蚀等危害。为系统了解碱金属迁移转化对生物质灰沾污结渣影响的研究并预测其发展趋势,首先,归纳生物质热化学转化过程中由碱金属迁移转化引发的安全问题及危害;其次,回顾和总结近年来国内外生物质灰沾污结渣机理方面的研究进展,主要包括不同热化学转化来源生物质灰沾污结渣演变规律和碱金属迁移转化特性研究等;最后,预测生物质灰沾污结渣防治研究的发展趋势。研究结果显示:生物质热化学转化过程中碱金属的赋存形式和演化特征是影响灰熔融和沾污结渣特性的重要因素,不同热化学转化来源生物质灰的熔融和烧结规律是灰沾污结渣防治研究的关键。以往针对碱金属迁移转化特性的研究,大多只考虑生物质自身的燃料性质、矿物组成等,对不同热化学转化过程中碱金属迁移转化对生物质灰沾污结渣和熔融烧结的影响以及不同形式碱金属成分的影响研究仍不够深入和系统,尚未形成完善的理论体系,这将成为以后的重点研究方向。

煤与污泥共气化过程中矿物转化及结渣特性分析实验设计

该文设计了一个煤与生活污泥共气化过程中矿物转化及结渣特性分析研究实验。该实验涉及煤与污泥混合样品结渣特性、灰熔融特性及共气化过程中矿物转化等方面的研究。以典型无烟煤和生活污泥为原料,利用碱酸比、硅铝比等指数对其结渣特性进行了评价,采用X射线衍射仪与傅里叶红外光谱仪对混合样共气化过程中的矿物相进行了表征。实验结果表明,生活污泥掺量超过50%会导致混合样结渣严重;污泥掺量增大使混合样灰熔融温度降低,掺量为20%时降低效果最显著。与氧化气氛相比,弱还原气氛下掺混更少的污泥即可生成较多的钙长石,从而导致熔融温度降低。通过该实验,能够使学生了解研究含碳固体废物共气化特性的基本方法,培养他们在含碳固废资源化高效利用方面的创新能力。

锅炉掺烧渣盐对过热器及省煤器吊挂管结渣积灰的影响分析

某电厂锅炉掺烧煤化工产生的废弃渣盐,加剧了锅炉高、低温过热器受热面的管壁结渣及积灰,影响锅炉安全稳定运行。对煤灰、渣盐、渣样进行了成分分析,对比了渣盐化验数据及掺烧渣盐前、后飞灰化验数据,计算了煤灰的结渣特性和沾污特性指标,分析了煤灰的结渣倾向和沾污倾向,分析了添加渣盐后锅炉灰成分的变化对受热面结渣、沾污的影响。结果表明:大量掺烧高钠渣盐会导致锅炉受热面严重结渣,严重影响锅炉安全稳定运行。

超超临界双切圆燃烧锅炉多煤种掺烧下水冷壁结渣特性的数值模拟

对某1000 MW超超临界双切圆燃烧锅炉水冷壁结渣特性进行数值模拟,探究多煤种掺烧对水冷壁结渣特性的影响规律并提出减少结渣的配煤原则。数值模拟结果表明:双切圆燃烧锅炉在燃烧时形成反向相切的双椭圆,长轴所对燃烧器近壁面温度水平较高,结渣倾向较高;当与煤种Ⅲ(高热值低灰分)、煤种Ⅱ(中等热值中等灰分)掺烧时,煤种Ⅰ(低热值高灰分)的入炉比例大于40%,炉膛各部位结渣倾向显著提高;煤种Ⅰ入炉比例为20%的工况能满足安全运行需要;配煤位置显著影响颗粒沉积的部位及沉积速率:当多煤种掺烧时,将煤质特性较差的煤种置于较低层燃烧器更为合理,煤种入炉比例相同时,调整入炉位置可以降低10.17%的颗粒沉积量,从而降低水冷壁结渣倾向。

掺烧准东煤锅炉的结渣问题分析

某超临界燃煤锅炉掺烧准东系列煤,出现渣块掉落引起捞渣机过载跳闸。从煤质分析、落渣位置、炉膛吹灰试验、空气动力场、燃烧器喷口5个方面进行诊断分析,推断结渣和落渣原因,并停炉检查验证结论。结果表明,掺烧准东系列煤后,入炉煤具有中等结渣倾向,在燃烧器周界风口变形堵塞的诱导下,燃烧后的煤灰在侧边水冷壁结渣,渣块积聚后掉落引起捞渣机跳闸。结合掺烧准东系列煤的煤质特性,从运行和检修的角度提出防控措施,为相似情况的锅炉运行提供参考。

准东煤在液态排渣锅炉中的结渣特性和元素迁移规律

高碱煤的清洁高效转化及资源化利用对实现双碳目标具有重要战略意义,液态排渣锅炉在燃用高碱煤方面存在较大优势,但目前尚缺乏全烧高碱煤的灰沉积和元素迁移特性相关研究。研究了准东煤在20 MW卧式液态排渣炉上燃烧时的积灰结渣特性和元素迁移规律。通过在捕渣屏前后设置灰沉积探针1和2,研究了换热器表面灰沉积对传热效率的影响。结果表明,初始层形成阶段通过探针表面的热流密度迅速下降,随沉积物的生长热流密度缓慢下降,沉积物生长趋于稳定时,热流密度也会在一定范围内波动。按照探针表面的热流密度变化速率,可将灰沉积的形成过程分为3个阶段,分别为快速下降阶段、缓慢下降阶段和稳定阶段。探针1和2最终稳定的相对热流密度分别为0.75和0.83。此外,通过分析炉膛不同位置灰渣和沉积物的外观形貌、矿物组成和化学成分,探究了元素迁移对积灰结渣的影响。灰沉积的微观表征表明,Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)、SiO_(2)等氧化物在高温区渣样中富集,而CaO、MgO、Na_(2)O、SO_(3)则主要出现在低温区域的沉积物中。换热器表面沉积初始层的形成与碱金属及其硫酸盐的冷凝密切相关,高温和低温区域样品中的平均Na_(2)O质量分数分别为1.38%和4.70%。铁元素会在渣中富集并充当助溶剂的作用,与硅-钙-镁-铝体系形成低温共熔体,从而导致灰熔融温度降低。

富氧双侧吹铜熔池熔炼炉上升烟道结渣的矿物学分析

富氧双侧吹铜熔池熔炼炉上升烟道烟尘结渣严重,阻塞烟道,是制约熔炼炉长周期高负荷高作业率生产的关键因素。分别利用X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和电子探针显微分析仪,研究富氧双侧吹铜熔池熔炼炉上升烟道结渣烟尘的化学成分、物相组成及微观形貌。结果表明,上升烟道烟尘的主要元素为Fe、Cu、Pb、Zn和O,主要物相是(Cu, Zn, Fe)Fe_(2)O_(4)和Fe_(3)O_(4),表面微观形貌呈致密无孔洞。结合生产过程工况条件,对烟道结渣原因进行分析,认为富氧双侧吹铜熔池熔炼炉生产过程中,富氧空气通过喷嘴鼓入炉内,强烈搅动熔体,熔体中的气泡破裂逸出,喷溅形成的小颗粒熔渣与冰铜被热气流带入上升烟道,熔渣与冰铜被氧化为高熔点的(Cu, Zn, Fe)Fe_(2)O_(4)和Fe_(3)O_(4),在烟道壁面遇冷凝结形成结渣;同时,熔炼炉负压运行,入炉原料水分低,铜精矿等未反应的粉料被烟气带入到上升烟道高温段,在氧化气氛下反应生成黏结结渣;此外,原料中Pb、Zn、As等易挥发性物质进入烟道,被氧化为低熔点化合物后与高熔点的(Cu, Zn, Fe)Fe_(2)O_(4)和Fe_(3)O_(4)黏结在一起,形成致密的结渣烟尘。因此,在冶炼生产中,建议通过控制入炉原料水分和杂质含量,减少粉料入炉;控制渣型和熔炼温度,减少熔体喷溅;使用喷嘴燃烧重油,烧熔结渣烟尘,保证生产正常稳定运行。

350MW燃用贫煤锅炉改烧强结渣沾污烟煤的调整及改造技术研究

国内某电厂2×350 MW机组锅炉原设计煤为贵州贫煤,属于中等结渣特性煤种。在掺烧靖边烟煤过程中出现了燃烧器烧损和严重结渣、沾污问题,为了解靖边烟煤的燃烧特性、结渣特性、沾污特性,以及锅炉设备对煤种的适应性,进行了一维火焰炉燃烧试验和煤灰烧结试验。靖边烟煤属于极易着火、燃尽煤种,是优质的动力用煤,但其灰分中钙、铁、钠等金属氧化物含量较高,灰熔点较低,具有严重结渣沾污倾向。靖边烟煤和原设计煤相比,燃用煤着火、燃尽特性更好,但结渣、沾污特性增强了。改造过程中根据煤质特性对燃烧器进行了调整,在炉膛区域增加20支短程吹灰器,水平烟道增加10支长伸缩式吹灰器,竖井增加24支长伸缩式吹灰器,并在改造后进行了燃烧优化调整试验。结果表明:改造后锅炉结渣明显改善,靖边烟煤掺烧比例由12.5%提高至75%,空预器入口烟气温度降低30.4℃,空预器出口烟气温度降低25.5℃,灰渣含碳量基本不变,脱硝入口NO_(x)浓度由705 mg/m^(3)降至384 mg/m^(3),锅炉效率升高1.49%,预计年节约燃料成本约280万元,改造后锅炉汽水系统和风烟系统对掺烧75%靖边烟煤具有良好的适应性。因此,可以通过设备改造增强锅炉对燃料的适应性,大幅拓宽锅炉煤种适应能力,缓解电厂购煤困难的问题。

生物质锅炉中温受热面碱蒸气冷凝与飞灰黏附多重结渣模拟

生物质作为CO_(2)零排放的清洁可再生能源,在部分替代化石燃料用于燃烧发电的领域具有良好的应用价值。但生物质燃料普遍含有大量碱金属成分,在燃烧过程中易于以气相形式析出凝结在受热面形成有黏性的初始沉积层,强化壁面对烟气中飞灰颗粒的捕获,导致锅炉受热面结渣情况进一步恶化。针对以上问题,利用Factsage软件计算生物质锅炉中温过热器初始沉积层黏附特性,结合临界速度模型,建立综合考虑KCl冷凝-飞灰捕捉的受热面结渣综合模型;利用ANSYS FLUENT软件编写用户自定义函数(UDF),对生物质锅炉中温过热器受热面沾污行为进行模拟研究,并与现场采样结果对比验证模型准确性。结果表明,中温过热器区域的沉积速率与取样结果相吻合;壁面温度升高对飞灰碰撞效率影响较小,但抑制KCl冷凝导致总沉积量降低;烟气入口速度变化影响KCl冷凝和飞灰碰撞效率,大颗粒(50、80μm)碰撞效率随烟气速度增大而增大,而10μm小颗粒更易被粘性壁面捕获,导致沉积效率更高;相同烟气入口速度下,粒径50μm和80μm飞灰为主要沉积;总体上,碱蒸气冷凝在中温过热器区域结渣过程贡献显著,KCl直接冷凝在壁面的沉积质量占总沉积质量的5.41%,黏性沉积表面捕获飞灰颗粒沉积质量占19.24%。模型适用于生物质锅炉以中温过热器为代表的中温受热面(约700℃)积灰沾污预测。

高碱煤掺烧低钠煤的混煤结渣特性试验研究

针对湛江钢铁发电单元锅炉在燃烧高碱煤时容易发生受热面沾污结渣的问题,提出了掺烧低钠煤的缓解措施。为了优化配煤掺烧方案,首先分别对高碱煤和低钠煤的煤质特性和燃烧特性进行分析,然后基于“沉降炉沉积炉”系统开展混煤燃烧试验,并采用煤灰成分评价指标预测不同掺烧比例下的混煤结渣特性。结果表明:高碱煤具有高挥发分、低灰分、高发热量及高碱金属含量的特点,具有良好的着火和燃尽性能,但结渣倾向较强。依据煤灰熔融温度判别煤种结渣倾向的评价指标参考价值比较有限,而基于煤灰成分预测煤种结渣倾向的指标中,煤灰钠当量综合考虑了煤种的灰分和煤灰碱金属含量,比碱酸比、硅铝比和铁钙比的预测结果更符合实际情况。通过与低钠煤进行掺混燃烧,能够有效降低高碱煤的结渣倾向,随着低钠煤的掺混比例增大,缓解结渣倾向的效果越明显。当掺烧质量分数75%的DN2或DN3时,混煤的结渣倾向已经低于单独燃烧DN4,进而可以解决单独燃用高碱煤时容易结渣的问题。

煤粉炉掺烧城市污泥积灰结渣与污染物排放特性

为了得到燃煤电厂掺烧城市污泥后的燃烧、结渣以及污染物排放特性,在自建一维沉降炉中,开展了5个不同掺混比例(0、5%、10%、15%、20%)下的混燃试验,并参照《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)等规定对不同工况下的样品、数据进行取样和测量。结果表明,随着污泥掺烧量增加,炉膛温度呈下降趋势,掺混比例达到20%时,炉膛顶部温度下降40℃左右;随着污泥掺烧比例增加,锅炉结渣倾向加重,燃烧生成的灰样主要成分为K-Al-Si和K-Ca-Si复合盐类;随着掺烧比例的提高,NOx的排放量呈现先增加后降低的趋势,SO_(2)的排放量逐渐降低;5种掺混比例下烟气中的二噁英与飞灰中的重金属含量分别满足《燃煤耦合污泥电厂大气污染物排放标准》(DB 31/1291—2021)与《农用粉煤灰中污染物控制标准》(GB 8173—87)要求;与纯燃煤相比,掺烧20%污泥时,可减少CO_(2)排放约0.34%。燃煤锅炉掺烧城市污泥可作为双碳战略下高效节能降碳的一种选择。

四角切圆锅炉不同燃烧器布置角度结渣特性数值模拟研究

为研究燃烧器布置角度对大规模掺烧低灰熔点烟煤锅炉的燃烧特性和结渣倾向,采用CFD方法对一300 MW四角切圆燃煤锅炉进行研究。结果表明,当燃烧器布置角度为38°时,温度分布均匀,火焰充满度高,燃烧稳定,但炉膛壁面易出现结渣;当燃烧器布置角度为42°时,高温火焰集中在炉膛中心,壁面温度降低,结渣倾向较小,但煤粉难以充分燃烧。综合考虑,当燃烧器布置角度为40°时,具有良好的燃烧效果,且结渣风险较低,可实现锅炉稳定运行。

电站煤粉锅炉掺烧强结渣煤的混煤结渣性能研究

该文研究了华北某发电厂100 MW、200 MW燃煤机组由现烧的弱结渣煤改烧强结渣混煤的炉膛受热面结渣性能变化。在煤质与灰分成分测量与分析的基础上,根据工程上动力用煤配煤原则,并结合锅炉炉膛热力计算与2台锅炉的设计特点,分析预测了不同掺混比的混煤煤质主要结渣指标与程度,得到2台锅炉掺烧强结渣煤的合理比例。在理论分析基础上的试烧实验结果表明:在锅炉满负荷运行工况下,为避免炉膛出口受热面严重结渣,410t／h锅炉掺烧强结渣煤的比例不宜超过50％;670t／h锅炉掺烧强结渣煤的比例可适当增加到80％。实际试烧实验结果与理论预测基本吻合,该研究方法可为大型煤粉锅炉掺烧强结渣煤提供一定理论分析依据。

锅炉结渣机理及防结渣技术措施研究

对锅炉结渣机理进行了探讨，提出了锅炉结渣机理方框图，并概括出了影响锅炉结渣的最重要的三个因素。对解决韶关发电厂２００ＭＷ锅炉结渣问题给出了应采取的技术措施。

生物质锅炉二级过热器结渣恶化机制分析

中国北方某地区新建的几座生物质电厂，平均运行20～30天，二级过热器表面结渣恶化，必须停炉清渣。该文对该地区最具代表性的一燃用棉花杆的生物质锅炉的二级过热器渣体成分进行了详细分析，并对其恶化的原因进行讨论，得出燃料中极高的K、Na含量是造成该地区生物质锅炉二级过热器结渣恶化最主要原因，高Ca低Si、Al、S也是造成结渣恶化的重要方面。提出可以向燃料中添加高岭土（主要成分Al2O3．2SiO2·2H2O）或掺烧高铝煤等方法来缓解结渣恶化。

典型烟煤混合生物质燃烧过程中结渣特性实验研究

以秸秆、准东煤和神木煤为研究对象,利用管式炉实验系统对生物质混煤燃烧积灰结渣现象进行研究,并在燃料中添加不同比例的高岭土、硫酸铵、硝酸铝及其复合添加组分,探究了不同添加剂对秸秆混煤燃烧成灰结渣的影响。研究发现,高岭土自身熔点较高,添加2%的高岭土提高了混合燃料中Al_(2)O_(3)含量,提高了灰熔点,抑制了秸秆混煤燃烧结渣。而在添加硝酸铝条件下,其助燃作用促进了共熔反应的进行,导致硅铝酸盐与CaO或Fe_(2)O_(3)结合生成无定型钙长石或者钙铁共熔体等从而促进结渣。高岭土能有效减轻结渣,而硫酸铵和硝酸铝的助燃作用则增强了结渣。