我国高碱煤燃烧特性研究和工程应用进展

我国具有丰富的高碱煤资源。从基础研究、关键技术和工程实践等方面对高碱煤燃烧技术的研究和工程应用进展做一个较为全面的综述和总结,特别介绍了液态排渣锅炉全烧新疆高碱煤的机理研究和实践最新状况,以期为后续开发更为经济、可长期安全大比例掺烧甚至纯烧新疆高碱煤的燃烧技术提供参考。

燃用高碱煤锅炉受热面结焦及其防治研究概述

以准东煤为代表的高碱煤虽储量巨大,但火电机组掺烧高碱煤过程中造成锅炉受热面结焦问题突出,不仅降低锅炉热效率,而且严重威胁机组安全、稳定、经济运行。为解决结焦技术难题,促进高碱煤掺烧利用,对燃用高碱煤锅炉受热面结焦及其防治研究进行了综述。截至目前,国内外围绕燃煤锅炉受热面结焦特征、结焦机理、影响因素、防治措施等已经开展了广泛研究并取得了丰硕的研究成果。在控制燃煤质量、改善锅炉结构、优化锅炉运行等措施基础上,在锅炉受热面制备涂层成为防治结焦的重要技术途径。在未来研究过程中,涂层在具备突出抗结焦性能的同时,须兼具优良的耐高温、抗腐蚀、耐磨损、导热性、热疲劳等综合性能,且具有良好的制备经济性、制备效率,特别是现场适用性。

循环流化床高碱煤气化技术研发及应用进展

系统回顾了循环流化床高碱煤气化技术的研发及应用历程,重点概况了在高碱煤基础理化特性、气化反应特性及碱金属的迁移特性、防结渣技术研究及循环流化床高碱煤气化工程应用四个方面的进展与成果。梳理了高碱煤的煤质特征、碱金属的赋存形态和含量、前处理方法对碱金属含量测定的影响,以及高碱煤的燃烧和成灰特性。总结了煤种、反应进程、气化温度、氧碳摩尔比、反应气氛等对高碱煤气化性能指标和气化灰结渣特性的影响。阐述了配煤、添加剂及更换床料等方法对预防高碱煤气化结渣的作用和反应机理,采用刚玉做床料实现了循环流化床高碱煤气化中试装置稳定运行。评述了循环流化床高碱煤气化技术的自主创新以及在工业燃气、合成气领域的成功应用。最后,从建立高碱煤气化用煤数据库、开发纯用高碱煤的气化技术、开发高效脱碱及原位耦合利用革新技术、探索高碱煤与其他物料协同利用技术并制备高性能材料四个方面展望了未来高碱煤气化技术的发展方向。

高碱煤热转化过程中钠的释出特性实验研究

为研究高碱煤热转化过程中钠的释出特性,采用原煤和水萃取煤分别进行燃烧实验和热解实验来对比分析高碱煤和低碱煤中钠的释出特性,探究不同煤质的煤样在燃烧时煤样中不同赋存形态钠的释出特性变化以及气氛变化对钠释出的影响。结果表明:在进行燃烧实验时,高碱煤在300~500℃时钠的释出量增加缓慢,在500~1100℃时钠的释出量增加较快,低碱煤在300~500℃时钠的释出量增加较快,在500~1100℃时钠的释出量增加缓慢,由此可知煤质是影响钠释出的主要原因之一,钠的释出特性会因煤质中成分差异而受到较大影响;燃烧和热解2种不同气氛下钠释出特性相似,热解过程中钠释出率变化平缓,且热解过程中钠释出率会比燃烧过程低7.0%左右;有机钠和水溶性钠2种不同赋存形态钠因释出途径不同而导致释出特性有所差异。

液态排渣锅炉全烧和大比例掺烧高碱煤运行优化

为掌握液态排渣锅炉全烧和大比例掺烧高碱煤的关键参数和运行经验,基于某电厂300 MW等级液态排渣锅炉进行了长期工程试验,对可能存在的燃烧组织、NO_(x)控制、排渣和沾污等问题进行分析,针对性的对燃烧系统、热物改性系统和排渣系统进行了改造。并进行了长期的运行数据记录和关键参数记录,在全烧和高比例掺烧高碱煤30万t后,锅炉各项运行参数正常。工程试验证明:该电厂300 MW等级液态排渣锅炉经升级优化后对高碱煤的的适应能力极强,在燃煤组分w(Al_(2)O_(3))<25%、w(Fe_(2)O_(3))<15%、12%<w(CaO)<30%、硅铝比大于1.7、碱酸比大于0.5时均可以保证机组正常运行且没有明显沾污;燃用高碱煤后可有效降低第一级受热面入口烟气温度至设计值以下,避免锅炉第一级受热面结渣情况,NO_(x)生成量也较燃用原设计煤种下降超30%。

某350 MW机组对冲锅炉燃用高碱煤炉膛腐蚀防治研究

为降低燃料采购成本,保证燃料供应,甘肃某电厂大比例掺烧了部分新疆高碱的广汇煤和新疆能源煤。高碱煤掺烧后,锅炉出现较严重的受热面高温腐蚀和结焦现象,负荷最高只能带到85%ECR。为减轻高温腐蚀,对锅炉开展了煤质特性、燃烧优化调整和设备改进技术研究。结果表明:锅炉燃用较低硫份煤的情况下仍然发生较严重的高温腐蚀,主要与新疆煤中的钠、钙等碱金属及氯质量分数较高有关,通过提高氧量、降低一次风量、减弱燃烧器外二次风旋流强度和开大贴壁风等运行调整手段,可以一定程度上改善水冷壁高温腐蚀特性;彻底解决该问题,还需使用添加剂、进行防高温腐蚀喷涂、增加吹灰器、改进贴壁风和燃烧器设计等技术途径。该研究成果可为解决高碱煤掺烧过程中出现类似问题的电厂提供借鉴和参考。

新疆高碱高氯煤燃烧条件下细颗粒物生成特性研究

为比较新疆地区典型高碱煤和高氯煤在燃烧条件下颗粒物生成特性,采用三段式高温沉降炉系统开展在空气气氛下燃烧准东煤和沙尔湖煤的实验,分析燃烧后颗粒物特征。采用Dekati低压撞击器(Dekati low pressure impactor+,DLPI+)进行了颗粒物的分级收集,对其质量粒径分布、元素分布特性以及颗粒物微观形貌进行了讨论分析。结果表明:2种煤样燃烧生成的颗粒物均呈现双模态分布,沙尔湖煤的细颗粒物产率明显高于准东煤;细模态颗粒物的主要成分是Na和Cl,准东煤与沙尔湖煤产生的PM_(10)中的Cl占原煤中Cl质量的11.8%和28.9%,Na占煤灰中Na质量的2.66%和7.53%;高含量的碱金属和Cl会促进细颗粒物生成,沙尔湖原煤中的Cl大量迁徙进入颗粒物中,对细模态颗粒的生成贡献较大。

双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤热力计算及数值模拟研究

对液态排渣锅炉的深入研究将会推动纯燃高碱煤技术的推广。以一台超临界350 MW机组直流双U型火焰液态排渣锅炉为研究对象,以燃烧室、捕渣管束和冷却室为单元,从热平衡的角度出发展开热力计算,并借助数值模拟手段,研究了炉膛内设计工况下的流场、温度场和组分场及其在变负荷时的变化情况。热力计算和数值模拟表明,几处烟气温度结果偏差都低于40.0℃。燃烧室出口烟气温度偏差仅为1.2℃,冷却室出口烟气温度偏差为15.6℃。经过验证和比较,所采用的热力计算方法可以应用于双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤热力计算。数值模拟结果显示,炉内空气动力场良好,旋流形成的回流区可以增加煤粉颗粒在燃烧室的运动路径,促进煤粉的燃尽。烟气在流经捕渣管时,温度大大降低,同时流场也受到了一定的扰动,可以有效捕捉灰渣。在变负荷工况下,炉内的速度场按负荷降低成比例下降,回流区的大小基本不变。炉内的温度水平降低,当给煤量由100%降至75%时,燃烧室出口烟温降低了约75℃,而冷却室出口烟温降低了约200℃。本研究可为双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤提供参考。

高碱煤纯烧的灰化学问题及高效燃烧研究进展

煤炭在我国的能源消费结构中占有至关主要的地位,新疆地区拥有丰富的煤炭资源储量,是我国重要的能源接续区和战略储备区。新疆地区的煤炭资源,特别是准东煤中碱金属和碱土金属(Alkali metals and Alkaline Earth Metals,AAEMs)含量普遍较高,属于典型高碱煤,可供长期使用。随着新疆地区煤炭资源的大规模开采和利用,高碱煤在燃烧过程中发生的结渣、沾污和腐蚀等问题严重限制了其大规模和高效利用。实现100%纯烧高碱煤是高碱煤利用的重要目标,但解决纯烧过程中涉及的灰问题是首要问题。基于现代多元、分时、动态分方法,利用CiteSpace软件获取近20 a来高碱煤研究领域的4401条文献,对文献结果进行文献聚类分析、关键词凸显分析和时间序列分析,对不同时期的研究热度峰值区间进行了系统分析。指出了该领域未来研究需要关注AAEMs的存在形式与迁移特性、低温共熔物形成机制、燃烧高效利用调控措施等方面。以典型高碱煤为基础,总结了其基本理化特性,重点剖析煤灰碱性组分对煤灰熔融温度的影响和AAEMs的存在形式。在此基础上,调研AAEMs和低温共熔物2个核心方面研究进展,探究AAEMs迁移特性与低温共熔物的生成机制,对煤炭清洁高效利用低碳具有重要意义。然后,将高碱煤燃烧高效利用调控措施归纳为降低AAEMs含量、增加酸性组分和反应器运行与结构优化三大类别,分析了利用措施对缓解高碱煤结渣沾污的原理与效果,并指出对应方法的问题和不足。此外,提出煤粉纯化-燃烧高效利用技术或许是解决高碱煤燃烧高效利用难题的有效手段。最后,双碳背景下对火电提出了灵活性改造需求,火电机组需要提高变负荷调节能力,以保证稳定的功率输出。指出了实现高碱煤燃烧高效利用调控建议和未来研究方向,需要结合地方多样化资源优势并系统地制定整体方案,在全流程精准控制结渣、沾污和腐蚀等难题,实现清洁高效低碳利用。

“高比例燃烧高碱煤技术”专题特约主编寄语

新疆煤炭储量大、易开采、热值高、硫/灰分低,在国家能源和电力供应体系中发挥着重要作用。但新疆煤中高碱煤占比大,容易导致电站锅炉受热面沾污、结渣等问题,由于新疆距其他低碱煤产区较远,运输成本高,通过大规模地掺烧低碱煤解决该问题,会严重丧失经济性。因此,开发高比例燃烧高碱煤、甚至全烧高碱煤技术,力求高碱煤的就地转化,是实现其大规模、经济利用的关键。

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。

燃用高碱煤1000MW超超临界一次再热锅炉炉膛特征参数的选取研究

研究了高碱煤锅炉炉膛特征参数的选取,对1000MW超超临界一次再热锅炉炉膛尺寸的选择进行了探究。

燃用高碱煤锅炉的宽负荷对冲燃烧技术研究及应用

新疆准东高碱煤是优良的动力煤种,但大比例燃用高碱煤时锅炉设备易发生严重结渣问题,燃用准东煤锅炉的燃烧系统设计原则与提高低负荷稳燃能力的传统技术措施相矛盾。为解决该问题,基于煤粉稳定燃烧机理,研究了节油点火燃烧器布置优化、中层燃烧器交错布置、煤粉浓度在线可调、燃烧器结构优化等措施。某燃用准东高碱煤的350 MW机组对冲燃烧锅炉深度调峰改造项目应用该技术,实现了不投油稳燃负荷低于18%额定负荷。

液态排渣条件下高碱煤燃烧中Na的迁移转化特性

新疆高碱煤储量丰富,但其中高含量的Na制约了其大规模利用,液态排渣是有望解决该问题的有效手段。在工业电站锅炉上进行了液态排渣条件下全烧高碱煤试验,研究了液态排渣条件下高碱煤中Na的迁移转化特性和液态排渣炉中Na的保持率。结果表明:飞灰中的Na含量均高于液渣中的Na含量,液渣中的Na以非定形物质的形式存在,而飞灰中Na的主要存在形式为NaCl和霞石(NaAlSiO4)等Na的硅铝酸盐,高碱煤Na的保持率最大可达52.06%。本研究为液态排渣炉燃用高碱煤提供了参考。

鸡西褐煤碱氧氧化的研究

选用鸡西褐煤 ,在 1 80～ 2 4 0℃下 ,于氢氧化钠和水溶液中用氧气氧化 ,考察了碱煤比、反应温度、氧初压、反应时间及水量对芳香羧酸产率的影响。实验结果表明 。

高碱煤燃烧过程中屏式过热器分层结渣机理研究

中国的准东煤储量巨大,但由于其Na、Ca含量较高,燃烧准东煤的锅炉炉膛出口过热器表面上结渣和沾污问题严重。为了阐明其结渣机理,对某350 MW锅炉出口屏式过热器(烟气温度1 000℃左右)的焦样进行分析,发现焦体内部存在明显的分层结构,不同层焦样中元素含量明显不同,化合物形态也存在较大差异。这是由于在焦体发展过程中,随着沉积表面温度逐渐升高,焦体的灰颗粒之间发生差异较大的物理化学反应而形成的。通过对不同层焦样的化合物形态进行整理并详细分析,最终提出了各层不同化合物的形成机理。

液渣捕捉高碱煤中碱金属特性及机理

研究了自身液渣与高碱煤界面反应的物相变化、对高碱煤中元素的捕捉率及其迁移特性,进一步结合量子化学理论研究其行为机理.结果表明:外层渣主要物相为CaSO_4,同时有丰富的Na、K复盐;高碱煤中Na、K大量迁移到液渣中,且内、外层渣元素含量不同;不同矿物元素在渣-煤界面反应中有相异的迁移方向;液渣对Na、K的捕捉率为58.15%,、54.15%,,比自身固态灰和在高温区添加高岭土捕捉率高,且在实际应用中应远大于58.15%,;有两种最易反应路径生成KCaAl_3Si_3O_(12)(H_2O)_5.

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.

高岭土对准东高碱煤煤灰熔融特性影响的量子化学与实验研究

采用量子化学理论计算与实验表征相结合的方法,研究了高岭土对准东高碱煤煤灰熔融特性及其熔融过程中矿物质演变规律的影响,并从矿物质微观结构特性角度阐述了高岭土对改变准东煤煤灰熔融特性的影响机制。结果表明,准东高碱煤煤灰熔融温度随高岭土的添加呈现先快速升高后逐渐变缓的趋势,当高岭土添加比例大于10%时,其提高煤灰熔融温度的趋势变缓;准东高碱煤添加高岭土后,其在1 000-1200℃下的低熔融矿物钙长石、硬石膏等量明显减少,1 200-1 300℃下有一定量的莫来石生成,是其煤灰熔点升高的主要原因;高岭石分子结构中的O(26)、O(22)、Si(6)、Si(8)的反应活性较高,能够与灰中的Fe^(2+)等金属离子成键,促使高岭石的铝氧键断裂。煤中的碱金属或碱土金属(Na或Ca)氧化物中的的O2-,作为亲核试剂,与高岭石的Si(6)和Si(8)发生亲核反应,使桥氧键S-O-Si断裂。

电站锅炉高碱煤燃用技术发展现状及展望

在“碳达峰、碳中和”的大背景下,西北地区火力发电在我国电力行业中的重要性进一步提升。该地区高碱煤占比高,锅炉燃用高碱煤过程中极易出现严重结渣和沾污问题,解决高碱煤安全燃用问题对保证我国电力安全有重要意义。对国内外高碱煤燃用技术发展现状进行了介绍,通过十余年的研究,我国高碱煤燃烧技术取得了显著的进步,相关成果已经在电力行业得到了推广应用,锅炉高碱煤掺烧比例由60%以下提高到了90%以上,但目前仍未能完全实现全烧高碱煤。对实现全烧高碱煤的几种技术路线进行了介绍,同时对目前燃用高碱煤典型锅炉的设备参数及运行情况进行了介绍分析。总体而言,煤粉锅炉、流化床锅炉、液态排渣锅炉在对高碱煤适应性方面各有优缺点,都还有技术瓶颈需要进一步研究和突破。为最终破解高碱煤安全燃用难题,还需要引入更多的新技术。