基于自发辐射分析的高碱煤燃烧炉内在线监测技术研究进展

准东煤等高碱煤在新疆地区储量巨大,但其富含的碱金属元素极易导致炉膛受热面沾污、结渣等问题,会影响锅炉运行的安全性,研发高碱煤高效清洁燃烧发电技术对实现“双碳”目标有重要意义。总结了基于自发辐射分析的高碱煤燃烧炉内在线监测技术的研究进展,重点介绍了发射光谱技术、自发辐射图像处理及成像技术在高碱煤燃烧监测领域的研究现状及应用情况,进而对其发展趋势和动态进行探讨。发射光谱技术通过对火焰发出的不同波长光谱辐射信号进行处理获取温度与组分,近期,已广泛用于测量工业炉膛燃烧火焰温度和气相碱金属质量浓度,并基于此对炉内结渣趋势进行定性判断。自发辐射图像处理及成像技术具备信号空间分布的解析能力,利用CCD、CMOS等面阵传感器获取炉内自发辐射图像,基于图像处理与热辐射成像原理,结合辐射反问题求解方法,可以获得燃烧场在三维空间的温度分布以及二维壁温分布,使结渣的三维可视化监测成为可能。未来需基于发射光谱技术、自发辐射图像处理及成像技术对二维或者三维的受热面结渣沾污进行监测,结合炉内燃烧温度与气相碱金属质量浓度等参数分布,建立高碱煤燃烧受热面结渣沾污的定量判断指标,最终达到对受热面结渣沾污在线预测的目标。

全氧燃烧玻璃窑用耐火材料抗碱蒸气侵蚀性研究

采用坩埚法对全氧燃烧玻璃窑用优质硅砖、零膨胀硅砖、熔铸锆刚玉砖(AZS33)、α-β刚玉砖于1600℃保温24 h进行了抗碱蒸气侵蚀性对比试验,并对侵蚀后试样进行了显微结构分析。结果表明:1)优质硅砖和零膨胀硅砖显气孔率较高,在高温碱蒸气条件下,硅砖中的钙硅氧化物和玻璃相不断析出滴落,持续溶解SiO_(2)颗粒,抗碱蒸气侵蚀性差;2)熔铸锆刚玉砖在碱蒸气的作用下,产生较多的玻璃相,玻璃相滴落后留下气孔,但熔铸锆刚玉砖显气孔率低,碱蒸气侵蚀渗透慢,抗碱蒸气侵蚀性优良;3)α-β刚玉砖的玻璃相含量低,显气孔率低,碱蒸气侵蚀后骨架结构保持完整,抗碱蒸气侵蚀性更优;4)4种砖抗碱蒸气侵蚀性能的优劣顺序为:α-β刚玉砖>熔铸锆刚玉砖>零膨胀硅砖>优质硅砖。

耦合炉内气相碱金属检测的结渣预报系统研究

高碱煤在燃烧过程中释放的碱金属导致炉膛受热面的沾污、结渣问题,影响锅炉运行的安全性,开展炉内结渣趋势的判断研究具有重要意义。采用煤灰成分分析的结渣趋势判别方法与火焰发射光谱技术结合,在锅炉上安装了一套火焰发射光谱系统用于检测炉内气相碱金属质量浓度,使用气冷式取样枪在炉膛出口区域开展结渣试验以获得沉积样的沉积趋势。根据在线监测结果,开发了一种动态预测炉内沾污结渣预报系统。试验结果表明,系统能够实时反映燃烧工况下各参数的监测结果,可以对当前燃烧状态下的结渣趋势进行提示,为预防结渣和进行燃烧调整提供参考。

富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与NO_x生成规律实验研究

为研究高碱煤在分级条件下的富氧燃烧行为,同时探究了高碱煤在该条件下的积灰行为与NO_x生成规律。利用两段炉实验系统,首先对比了高碱煤在空气分级和富氧分级条件下的NO_x生成和积灰情况,然后分析了富氧分级条件下总氧体积分数和主燃区氧体积分数的影响。结果表明,在氧体积分数均为21%时,富氧分级燃烧可以实现比空气分级燃烧更小的燃料氮转化率(6.8%、 9.6%)和更少的积灰量(62.4、147.3 mg)。富氧分级条件下,随着总氧体积分数的增加(15%~50%),积灰量近似地线性增加,氧体积分数每增加10%,积灰约增加40 mg,燃料氮转化率也呈现上升趋势,但氧体积分数为15%~30%时变化较小。随着主燃区氧体积分数的增加(25%~60%),燃料氮转化率和积灰质量均提高,主燃区氧体积分数每增加10%,积灰约增加21 mg。该研究表明,在研究高碱煤在分级条件下的富氧燃烧时,应同时关注NO_x生成和积灰情况,这可以为促进高碱煤的清洁安全利用和碳减排事业提供更全面的信息。

燃烧过程中碱金属原位测量技术综述

准东煤、生物质等高碱燃料在燃烧过程中释放的碱金属极易导致炉膛受热面沾污、结渣,影响锅炉运行的安全性,开展燃烧过程中碱金属定量测量对优化燃烧具有重要意义。将广泛采用的碱金属原位测量技术分为主动式、被动式2类:主动式包括激光诱导荧光技术、激光诱导击穿光谱技术与吸收光谱技术,被动式包括火焰发射光谱技术与图像处理技术;详细介绍了各种测量技术的基本原理及其在工业燃烧炉膛中的应用情况。主动式的碱金属原位测量技术对火焰几乎没有干扰,燃烧过程中原子和分子的光谱状态可以用很高的时间、空间分辨率观察,对碱金属的测量精度高,已经广泛用于实验室燃烧检测研究。而被动式的碱金属原位测量技术由于装备简单、对恶劣环境的适应性强,被证明有在现实工业条件下应用的潜力。最后,总结了碱金属原位测量技术的主要设备、应用、测量组分与检测限值,并指出了当前碱金属检测技术的不足及未来发展趋势。

氧分级对准东煤富氧燃烧NO_(x)生成与积灰特性的影响

准东煤储量丰富,但由于其碱及碱土金属含量较高,会导致严重的换热面沾污问题,影响锅炉效率和运行安全。富氧燃烧有望实现准东煤的清洁利用,且分级条件下的富氧燃烧可进一步降低NO_(x)排放,但同时也会影响煤中矿物质演变。目前氧分级对高碱煤燃烧积灰的影响规律鲜有研究,氧分级对NO_(x)和积灰的耦合作用尚不明确。利用两段炉试验系统,研究富氧分级燃烧条件下高碱煤燃烧过程中的NO_(x)生成和积灰特性。试验结果表明,富氧条件下烟气中的NO体积分数远低于空气条件,富氧气氛下的NO体积分数仅为80×10^(-6)左右,而空气气氛下NO体积分数已超过170×10^(-6)。相同O_(2)体积分数下(21%),富氧条件下的灰沉积倾向弱于空气条件,富氧条件下为26.20 mg/g,而空气条件下为16.45 mg/g,证明了富氧燃烧的优越性。随着主燃区O_(2)体积分数的增加(25%~60%),准东煤的燃料N转化率及灰沉积倾向逐渐升高,积灰的整体结构更加致密,积灰颗粒之间的团聚和黏连现象严重,独立存在的灰颗粒数量明显减少,颗粒表面的凹坑不断发育,出现较多的孔隙结构,烧结现象逐渐加剧。该研究有利于加深对高碱煤富氧分级燃烧下的积灰和NO_(x)生成特性的认识,为促进高碱煤的安全清洁利用提供借鉴。

气氛及硅铝添加剂对高碱煤灰成分转化特性的影响

高碱煤在燃烧过程中极易出现严重的积灰结渣问题,同时富氧燃烧是一种有利于CO_(2)减排的燃烧技术,然而关于富氧燃烧气氛对高碱煤灰组分演化行为的影响机理尚不明晰,且以往研究在利用FactSage计算煤灰的转化特性时往往采用高温灰成分作为研究基准,无法准确研究在低温下煤中无机物的转化行为。基于高碱煤等离子低温灰的成分特性,通过FactSage模拟研究了富氧燃烧中灰成分的演化行为,同时对气相中元素的分布规律,O_(2)体积分数对灰中物质组成的影响及硅铝添加剂对灰演变行为的影响进行了探索。研究结果表明:当温度为600℃时,O_(2)/CO_(2)气氛更有利于Cl的挥发。气相中的氯化物及硫酸盐类可能在低温下凝结在灰颗粒表面,从而加剧高碱煤的积灰结渣问题。五彩湾煤灰中的Ca,Na,Al氧化物在200℃就发生反应生成Na_(2)Ca_(3)Al_(16)O_(28),且随着温度的升高Na_(2)Ca_(3)Al_(16)O_(28)逐渐消失,可能生成复杂的低温共熔体。富氧气氛下O_(2)体积分数变化对五彩湾煤灰组分转化没有显著影响。富氧气氛中高浓度的CO_(2)会促进灰中物质的碳酸化,出现较多的Ca_(5)Si_(2)O_(7)(CO_(3))_(2)和CaMg(CO_(3))_(2),但对Na_(2)SO_(4),CaSO_(4)等硫酸盐的影响较弱。硅铝添加剂的加入会降低反应产物中的CaCO_(3)含量,但对CaSO_(4)的赋存影响较小。