（工程热物理专业论文）黑液水煤浆的燃烧、沾污结渣及其污染物排放特性研究.pdf

摘要 - _ _ _ _ - - - _ _ - - _ - - ，- _ _ _ ，_ _ - _ _ _ 一 摘要 电站锅炉的沾污结渣不仅会降低锅炉效率、影响经济性，而且会造成很大的安全 隐患而黑液水煤浆这种新型燃料更是由于其特殊的煤质特性，使得其沾污结渣较为 严重。 本文针对黑液水煤浆，首先进行基础研究，研究了黑液水煤浆的煤质特陛和流变特 性并进行了烧结试验，发现黑液水煤浆属易烧结煤种此是决定于黑液水煤浆的燃料 特性。炉膛的沾污结渣状况离不开燃烧情况，利用热重分析仪分析了黑液水煤浆等煤种 的燃烧特性，并与试验炉内燃烧状况进行对比；通过红外联用定性分析了新汶精煤1 、 黑液水煤浆、新汶精煤2 、新；文常规水煤浆四种煤质燃烧热重后排放气体的成分，可知 黑液水煤浆有较好的环保效应这与实际燃烧试验结果相符。 在0 2 5 m w 试验炉上进行热态试验，对新汶矿业集团黑液水煤浆和常规水煤浆进行 对比燃烧试验，从炉膛不同部位的灰渣成分来分析炉内的结渣机理。研究了煤中h a 、k 、 c a 、a i 、s i 、f e 等矿物质元素沿烟气行程的分布及其在渣块不同层面上的分布，着重研 究了不同成分对结渣的形成及分布的影响。 从常规的结渣判断方法入手，总结了常规判别方法的缺点，继而基于模糊数学提 出灰色聚类综合评判模型，并对其进行了验证。 关键词：结渣；烧结：黑液水煤浆：燃烧特性：环保：灰色聚类：预测 a b s t r a c t a b s t r a c t s l a ga n da s hd e p o s i to nc o a l f i r e db o i l e ri n t h e r m a lp o w e rp l a n tn o to n l yd e c r e a s et h e b o i l e re f f i c i e n c ya n dt h ep l a n te c o n o m y ，b u ta l s o a r e p o t e n t i a l h a z a r do fm a n ys a f e t y a c c i d e n t t h es l a g g i n go fb l a c kl i q u o rc w si se s p e c i a l l ys e r i o u sb e c a u s eo fi t se s p e c i a lc o a l c h a r a c t e r i s t i c i nt h i sp a p e r ，h a v i n gs t u d i e dt i l ef u e lc h a r a c t ej + i s t i c sa n dr h e o l o g yb e h a v i o r so fb l a c k l i q u o rc w s a r es t u d i e d ，a n ds o m es i n t e r i n ge x p e r i m e n t sh a v i n gb e e nd o n e ，w ef o u n dt h e b l a c kii q u o rc w st e n d st o s i n t e r i n g u n d e r h i g ht e m p e r a t u r e ，t h es i n t e r i n gp r o p e r t y i s d e t e r m i n e db ym i n e r a l si nc o a l b ya n a l y z i n gs e v e r a lc o a l sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sl i k e t h eb l a c kl i q u o rc w sb ym e a n so ft g - d t g 1t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h er e a l i t v c o m b u s t i o ns t a t u si nt e s tb o i l e r t h ec o m b u s t i o np o l l u t ee m i s s i o no fx i n w e nw a s h e dc o a l n o l ，b l a c kl i q u o rc w s ，x i n w e nw a s h e dc o a ln 0 2 ，x i n w e nc w sw e r es t u d i e db yu s i n gt h e c o m b i n a t i o no ft ga n df t i r ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h eb l a c kl i q u o rc w sh a sg o o dp r o p e r t i e s o fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n dt h ec o n c l u s i o nw a sa c c o r d a n tt ot h ep r a c t i c a lc o m b u s t i o n e x p e r i m e n t x i nw e nc w sa n db l a c kl i q u o rc w sw e r ec o m b u s t e do nt h e0 2 5 m wt e s tf u m a c e ，a n d t h e s l a gt h e yp r o d u c e da l o n gt h e f u r n a c ei sm e a s u r e da n da n a l y z e dt od e t e r m i n et h e d i s t r i b u t i o no fm i n e r a ls p e c i e s t h ed i s t r i b u t i o no fm i n e r a ls p e c i e s ，s u c ha sn a ，k ，c a ，a i ，s j a n df e ，a l o n gt h ef u r n a c ea n di nt h es l a gh a v eb e e n s t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h ei n f l u e n c eo f m i n e r a ls p e c i e so nt h ef u s i o nc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e d i s t r i b u t i o ni sd i f f e r e n ta m o n gt h em i n e r a ls p e c i e sa l o n gt h ef l u ei nt h ef u r n a c ea n di nt h e s l a g a n d t h ed i s t r i b u t i o no fm i n e r a l s p e c i e sh a v et h e i ro w nr u l e ，t h ed i s t r i b u t i o ni s c o n s i s t e n tw i t ht h ef u s i b i l i t yo fa s ho fc o a l b e g i n n i n gw i t hn o r m a lr e g u l a t i o n ss l a g g i n gj u d g m e n tm e t h o da n ds u m m i n gu pi t s d i s a d v a n t a g e ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dag r a yc l u s t e r i n gs y n t h e t i c a l l ya d j u d i c a t em o d e lb a s e do n f u z z ys y n t h e t i cj u d g m e n t ，a n dt h ep r e d i c t i o nh a sb e e nd e t e r m i n e db yt h ee x p e r i m e n t a t i o no n t h e0 2 5 m wc o m b u s t i o nt e s tf u m a c e k e yw o r d s ：s l a g g i n g ；s i n t e r i n g ；b l a c k l i q u o rc w s ；c o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ：g r a yc l u s t e r i n g ：f o r e c a s t ： 第一章绪论 1 1研究背景 1 1 1引言 第一章绪论 我国是煤炭大国，煤炭资源丰富，煤种品味高低不等，变化范围很宽，造成占电力产业 比例很大的火电站动力用煤多是高灰分低热值的劣质煤。由于电站锅炉燃用煤质较差且多 变、锅炉运行水平等诸多因素，使得锅炉受热面产生磨损、积灰、结渣等一系列问题。近年 来，许多电广为追求经济效益而降低成本，普遍燃用劣质煤或是煤质多变的混煤，运行的煤 种很难保证与锅炉的设计煤种相同，使得锅炉沾污结潼的问题异常突出。据统计，在我国大 容量锅炉中半数以上存在沾污结渣现象，形势十分严峻。目前，锅炉受热面洁污结渣是许 多电厂经常遇到而又较难解决的问题。 1 1 2 煤粉炉沾污结渣过程及其机理 煤中除了碳氢化台物等可燃成分以外，还含有硅、铝、铁、钙、硫、钠等所组成的各种 形式的无机矿物质，矿物质的主要成分是s i0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、a o ，犬体上以页岩、高蛉土、 碳酸盐、硫酸盐、氯化物等形式存在。煤燃烧时，煤中的无机矿物质及金属有机物便形成了 残渣，即灰渣或煤灰。灰渣和未燃尽蒋炭粒子随着烟气在妒膛和受热面流动，附着在受热面 上，形成沾污和结渣。 洁污和结渣是锅炉熠气侧出现的两种不同而又有相联系韵现象。洁污也硝沾灰或积灰。 是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上的沉积多发生在锅炉对流受热面上”1 。结渣主要是 由烟气中夹带的熔化或部分熔化的颗粒碰撞在受热面上被冷却凝固而形成，结渣的形态主要 是以粘稠或熔融的沉淀物形式出现，多发生在辐射受热面上。 锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程，国内外各大锅炉制造公司、高等院校、科研机构 对结渣机理进行了长期的研究和探索，发表了大量的研究结果，积累了许多锅炉结渣知识， 提出了许多行之有效的防结渣设计和运行技术措施。然而由于结渣涉及煤的燃烧、炉内传热、 传质、煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复杂过程，至今 还没有能定量描述结渣过程的数学模型。 从炉内结渣过程来看，锅炉一旦投运受热面上棘会出现沉积物，这主要是由于气 化矿物质的凝结和初级飞灰的沉积造成的，这一过程未必会引起结渣，但却使受热面表 面温度升高。当炉膛内温度较高时，煤中的部分灰粒会呈熔融、半熔融状态，如果这部 分灰粒在到达受热面之前得不到足够的冷却，就会有较强的粘附能力，而当受热面表面 ( 或沉积物表面) 湿度高于一定值时这部分灰粒会因惯性撞击而粘附在受热面上”1 。 浙江人学硕士论文 撞击在受热面上的熔融、半熔融态的灰粒在受热面上冷却后，可能因各种囡素( 如重力、 气流剪切和灰粒撞击等) 的作用而脱落，也可能园撞击熔融、半熔i 女颗粒多来不及完全 凝固、沉积物内部烧结及捕捉表面的存在等而继续粘附。随着受热面上粘附颗粒的增多， 热阻增大，沉积物表面温度逐渐升高，导致灰粒不断粘附上去。上述过程继续发展，乃 至灰渣层熔融形成流动渣等。结渣是一个动态的发展过程，而一定数量的熔融、半熔融 态颖粒撞击到受热面上则是结渣过程的关键。形成这种熔融、半熔融状态的过程是非常 复杂的，有关学者从灰渣形成机理与灰渣输运机理两者相结合的角度研究，来分析灰渣 形成及沉积机理“。 灰渣形成机理和灰渣输运机理结合形成的沉积机理理论将煤中的灰份分为原生矿物 质、次生矿物质和外来矿 白质，有些研究者也将原生矿物质和次生矿物质总称为内在灰 份，而外来矿物质则称为外在灰份。三种灰份在煤中的存在形态不同，在燃烧过程中其 形态变化也不同，图1 - 1 为煤燃烧过程中灰份转变示意图”。对原生灰份与煤中有机 物相联系的n a 离子、k 离子及其氧化物在高温下挥发成气态。对于与煤有机体相连的钙 和镁离子，当煤燃烧，煤颗粒表面，边界层中的含氧量足够低时，也会导致钙镁的挥发， 但是挥发性的钙镁一且到达氧化性气氛中便会迅速氧化而生成小于1 “m 的小颗粒；挥发 态的钠、钾、钙一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝生成低熔点灰粒相，另一方 面，也发生均相成核凝结，生成0 0 2 0 5 “m 灰尘微粒。对于次生灰份，在煤粒燃烧过 程中，随着碳的消耗，离散的灰粒发生积聚( 核缩过程) ，或者，碳燃烧时发生破裂，灰 粒也跟着破碎，形成不同尺寸的灰粒。对干外在灰份，有些灰粒在燃烧过程中熔化，粘 结在一起形成较大的灰粒，而有些灰粒随着碳粒在熔化过程中的爆破形成较小的残留飞 灰。 由在袭恃 外在灰份 图卜1 燃烧过程中煤灰形态变化示意图 中元景 由于飞灰在炉内的生成机理不同，使得飞灰颗粒尺寸呈双峰行分布，如图卜2 所示 第一个峰值在01u1 1 1 左右第二个峰值位子1 0 1 2um 。第一个峰值是由于挥发性灰的冷 凝，第二个峰值是灰份积聚核碎裂后的残留飞灰。在极大多数情况下，残留飞灰的尺寸上限 4 第章绪论 为单个煤颗粒的尺寸，尺寸下限为煤颗粒中单个灰粒的尺寸。 份额 00 11 0 粒径u m 图卜2 飞灰颗粒典型尺寸分布 灰颗粒向水冷壁面输运是结渣的重要环节。灰颗粒的输运机理主要有三类，第一类 为挥发性灰的气相扩散第二类为热迁移，第三类为惯性迁移，见国卜3 ”，对尺寸小 于1um 颗粒和气相灰份的输运，扩散输运是最重要的，主要有三砷扩散机理：1 费克扩 散，2 小粒子的布朗扩散，3 湍流漩涡扩散。对- t - d 、于1 0um 的灰粒，热迂移是一种重 要的输送机理，研究表明，热迁移是造成灰份沉积的重要因素之一。对于大于1 0 um 的 灰粒，惯性力是造成灰粒向水冷壁面运输的重要因素，灰粒撞击水冷壁面的概率取决于 灰粒的速度，在典型的爆物镊炉中，气流速度为1 0 2 5 m s ，直径为5 1 0 pr t i 的灰粒就 有脱离气流冲击水冷壁面的可能性。 布 惯性撞击 ：o ： 图卜3不同尺寸灰渣输运机理 综合灰渣形成机理与灰渣运输机理，可以得到灰渣形成及沉积机理图，见图卜4 。 浙江大学倾士论文 矿物杂质 煤粉5 0 粒1 im 于) 传热表面 喇；f f 销1 5 l c 峙 1 5 i i i i 州冉廿廿 。扩 图i - - 4 燃烧过程灰渣形成及沉积机理 由于灰粒的形成机理及输运机理不同，灰渣在管壁上沉积存在两个不同的过程。一个为 初始沉积屡的形成过程，初始沉积层是厚度为02 o 5 m m 的化学活性高的薄灰层是由尺 寸小于5um 的灰颗粒所组成的。初始沉积层中碱金属和碱土金属类硫酸盐含量较高，这些 微小韵颗粒由范德瓦尔力和静电力保持在管壁上，并与管壁金属反应生产低熔点化合物，强 化了微小颗粒与壁面的连接。初始沉积层具有良好的绝热性能，它的形成使得管壁外表面温 度升高。另一个是沉积过程为较大的惯性力作用下冲击到管壁的初始沉积层上，当初始沉积 层具有粘性时，它捕获惯性力输运的灰颗粒，并使渣层厚度迅速增加。有研究表明”1 初始 沉积层f e 2 0 3 含量要明显高于覆盖层，这是初始沉积层中的灰组分与管壁发生反应而引起的。 此外，初始沉积屡中n a 2 0 、s 0 3 的含量也比较高。初始沉积层的厚度较薄，因而初始层并不 会对锅炉的安全运行构成威胁，造成炉内结渣迅速增加并对锅炉安全运行构成威胁的主要因 素是惯性沉积。 1 1 3 锅炉沾污结渣的危害 结渣的危害很大，轻则会弱化传热，导致锅炉热效率降低和n o x 排放量增加等：重则导 致机组降负荷运行或非计划性停炉，甚至发生其它更为严重的恶性事故。总的来说可归结为 安全上的危害和经济上的损失两个方面。 1 1 3 1 安全上的危害 1 由于灰渣的传热阻力增大，使得水冷壁的吸热能力降低，造成炉膛出口烟温升高 第一苹绪论 导致过热汽温升高，危害过热器。 2 结渣会引起高温腐蚀。在高温烟气的作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣 会与管壁发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀，使管壁厚度由外向内减薄。通常情 况下水冷壁管年腐蚀量为0 8 2 - 25 r l l m a ，但如果燃煤含硫量高或设计、运行不当， 腐蚀速度可高达5 r r , m a ，二、三年甚至更短就需更换水冷壁。 3 在赜燃器出口处，可畿会因结渣而影晌煤粉气流的正常喷射，甚至碛口被焦渣堵住 而停炉。 4 燃烧室上部大块渣掉落时，会砸坏水冷壁管和冷灰斗，有可能使冷灰斗出口发生堵 塞，造成炉膛灭火，甚至人身伤亡。 5 由于传热阻力的增大，可能会使锅妒无法维持满负荷运行，只得增加投煤量，引起 炉膛出口烟温进一步升高，使得灰渣更易粘附在受热面上，从而形成恶性循环，并 诱发一系列恶性锅炉事故。 1 1 3 2 经济上的损失 1 降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面上沉积后，由于其导热系数很低，因此 热阻很大。一般污染数小时后水冷壁的传热靛力会降低3 0 - 6 0 。园沽污造成排熠温 度的升高会使锅炉效率降低1 2 * ，严重影响其运行的经济性。 2 在传热减弱情况下，为维持锅炉出力需消耗更多燃料，使送、引风机负荷增加，因 此引起电耗增加。 3 受热面结渣旦失去控制，就会对运行和生产构成严重危害，此时被迫降负荷运行 甚至停炉检修。国外统计表明，5 0 0 m w 机组每停运天就要损失1 0 万美元以上，同 时检修费用也是不可忽视的一个大数字。 有资料表明”1 ，美国每年团结渣带来的各种经济损失达2 0 - 1 0 0 亿美圆，我国有研究表 明，长期不欧灰，灰沉积使中等容量锅炉( 在某些特定位置沿着炉体截面方向，利用双铂铑热电偶测温装置测量火焰 温度，以了解炉内燃烧状况及烟气温度分布； ( 4 ) 用硅碳棒进行灰渣取样，并进行灰渣沉积过程的动态特性测量； ( 5 ) 用自制的灰污热流计与数采仪、计算机相连，动态监测、记录灰粒沉积过 程中探头热电馁断获取的温度信号，通过两热电偶温差可获得吸收热流受灰污染过程的 影响，以比较两种煤浆灰渣导热特性；与此同时，由灰污热流计探头所收集的灰沉积物 和试验时间能计算出平均沉积速率： ( 6 ) 在尾部烟道用烟气分析仪抽取烟气进行污染物排放测量； ( 7 ) 在尾部烟道用飞灰取样仪收集飞灰样品。 另外每次试验结束后在炉壁不同位置及炉底灰斗、转向室等处取渣样，以供下 一步分析之用。 3 3 2 炉内燃烧状况 在两种水煤浆的对比燃烧试验中，采用红外高温计和双铂铑热电偶测温装置对 炉内火焰温度进行了多次测量，红外高温计测温速度极快，园i 比可以进行频繁澳l 量。 应用双铂铑热电偶测量装置对几个特定部位的炉膛截面沿径向不同距离测量火焰温 度，以了解炉内燃烧状况和烟气温度分布。表3 - 6 、3 - 7 和图3 16 、3 - 17 分别示出了 燃烧常规水煤浆和黑液水煤浆时炉膛轴向温度场分布表中的位置指的是沿炉体轴向 距离燃烧器出口的距离，单位为m m 。表3 - 8 和图3 1 8 、3 - 1 9 直观地反映出了燃烧两种 煤浆时用双铂铑热电偶所；舅i | 得的截面径向温度分布，其中径向距离是指测量点距离炉 壁的位置，单位为r a n l 。 表3 - 6 常规水煤浆燃烧时炉膛轴向温度分布 星三主堕望堡壁塑塑塑鳖壁墨薹堡墼堑丝 表3 7 黑液水煤浆燃烧时炉膛轴向温度分布 位置m 4 2 06 7 0 7 2 59 7 51 0 5 51 1 5 01 3 3 0 15 3 01 9 8 02 1 2 5 平均温度 1 0 1 11 1 1 21 1 7 31 2 2 3 1 2 1 512 2 11 2 1 91 1 9 71 1 9 51 1 6 7 壅! 二! 由翌! ! 堡垫皇堡型墨茎兰型堡竺鱼墼亘堡旦兰壁坌至! 三 截面径向距离常规水煤浆 黑液水煤浆 竺! ! ! ! 竺墼亘! ! 垄竺重亘 ! ! ! 竺墼亘! ! ! ! 竺墼耍 2 0 7 5 1 5 0 2 2 5 1 2 4 01 3 0 51 2 2 01 1 7 3 1 2 8 0 1 3 1 0 1 3 3 0 1 2 8 0 1 2 9 0 1 2 9 5 1 2 3 5 1 2 5 0 1 2 3 0 1 19 6 12 0 0 1 1 9 5 2 8 01 3 0 0 1 2 4 01 2 1 51 1 9 0 图3 - 1 6 燃烧常规水煤浆时炉膛温度场分布 图3 - t7 燃烧黑液水煤浆时炉膛温度场分布 浙江大学硕十学位论文 01 0 0 l炉膛径 l 2 0 03 0 01 向距离“。)【 图3 1 8 燃烧常规水煤浆时截面温度场分布 图3 - 19 燃烧黑液水煤浆时截面温度场分布 由以上图、表可知，两种水煤浆在炉内的燃烧状况良好，沿炉体轴向温度场呈现出 中间高两端低的分布，在同一截面上温度分布也比较对称，表明雾化、燃烧情况良好。 此外，烧常规水煤浆时炉内温度水平高于黑液水煤浆，这是因为常规水煤浆发热量略高， 并且浓度较高，浆流量较大，单位质量燃料用于水分蒸发所消耗的能量较少。 虽然两神水煤浆在炉内的着火、燃烧状况良好，但燃烧两种水煤装时炉内温鹰水平 相差较大，常规水煤浆最高温度达1 4 3 0 ( 2 ，黑液水煤浆最高温度为1 2 5 9 c 。尽管如此， 常规水煤浆沾污结渣很轻微，而黑液水煤浆却非常严重，其主要原因是燃料本身特性造 成的，常规水煤浆灰熔点为1 3 5 3 。c ，黑液水煤浆则仅为1 1 2 1 。因此在分析沾污结渣趋 势时除了应考虑燃烧温度外，还应结合：i j ! ；料本身的灰熔融特性。 3 3 3 污染物排放特性 燃烧黑液水煤浆时飞灰含碳量为3 69 ，排烟温度1 0 8 c ，新汶常规水煤浆燃烧时 排烟温度为2 2 5 54 c ，烟气成分如表3 - 9 所示。 一面面一截藏 m m 一：2铊 娜湖姗姗啪m咖 p v 巡蚂 第三章试验煤种的燃烧特性及其排放特性 由上表可知，燃烧黑液永煤浆时氯氧化物、硫氧化物排放量比新汶常规水煤浆有显 著下降，这一方面是因为黑液水煤浆本身含s 、n 量低，此外，还有一个主要的原因是由 于黑液水煤浆含量高，具有自身脱硫脱氮效果。因此黑液水煤浆的污染物排放量是较 低的。 3 4 小结 本章先从热重的角度分析了试验煤种的燃烧特性和污染物排放特性，再从实验室 燃烧试验对比分析了实际燃烧状况，并分析了试验煤质的污染物排放特性，主要结论 如下： 1 从t g & d t g 曲线上看，几种煤样基本都在6 0 0 c 附近达到了挥发分及固定碳的剧 烈燃烧，但是黑液水煤浆则在4 5 0 ( 2 附近就达到了d t g 的最大值，并且d t g 曲 线很锋锐，d t g m a x 前后曲线比较陡峭，说明黑液水煤浆的着火特性较好，并且 燃烧较剧烈，燃烧状况很好，这跟黑液水煤浆中含有大量n a 等碱金属有很大 关系。 2 经过分析，可知黑滚水煤浆的着火点最低( 4 0 0 ，2 c ) ，额汶水煤浆其次( 4 9 0 5 c ) ， 瓤汶精煤2 和新汶精煤1 的着火点基本相同，都在5 0 8 c 左右。 3 在热解的角度上，本文提出了d 指数，通过热解t g & d t g 曲线上特征点的温度来判 断煤的燃烧性能，得出的结论是：新汶精煤1 的挥发份析出最快，这是由于精煤1 中挥发份含量最高；黑液水煤浆较新汶精煤2 的挥发性好。 4 综合考虑煤的着火和燃烧稳定性等因素对燃尽的影响，从燃尽指数c b 上分析煤的 燃尽性能，得出结论是：黑液水煤浆的燃尽性能最好。常规水煤浆其次，新汶精煤 2 再次，新汶精煤1 最差。 5 对煤酌化学动力学参数进行计算，来了解煤质的燃烧状况。通过计算可知：几种试 验煤种的活化能在第一阶段均比第二阶段要高说明在着火和燃烧前期需要的热量 较多，同时还可以看出，黑液水煤浆在两阶段的活化能均最小，新汶精煤2 其次， 新汶常规水煤浆更次之新汶精煤1 活化能最大。因此从着火和燃尽的角度来看， 黑液水煤浆的特性最好，新汶精煤1 的燃烧特性最差。 6 通过热重红外联用分析热重燃烧后污染物的排放，可知，黑液水煤浆能大大减少 4 5 浙江大学硕士学位论文 s 0 2 等污染物的排放，并且黑液水煤浆燃烧状况良好，没有出现c o 等碳的不完全 燃烧产物：新汶常规水煤浆的环保效应也比较明显，在整个过程中，只出现了非 常微量的s o ：排放，新汶精煤1 的燃烧状况及其污染物排放状况最差。 7 通过实验室燃烧试验，对比几种煤在实际燃烧过程中的燃烧状况。从燃烧状况来 看，新汶常规水煤浆、黑液水煤浆都能在试验炉上稳定燃烧，燃烧情况良好，此 外，烧常规水煤浆时炉内温度水平高于黑液水煤浆，这是由于常规水煤浆浓度较 高，单位质量燃料用于水份蒸发所消耗的能量较少。 8 由于黑液水煤浆本身具有水煤浆的有点，加上煤质中含有大量的n a 等碱金属物质， 使得黑液水煤浆燃烧后n o x 、s o x 等污染物排放比精煤1 有显著的减少，可见黑液 水煤浆具有较好的环保效益，是值得提倡的一种燃烧技术。 参考文献： 1 陈镜泓，李传儒热分析及其应用 m 】科学出版社，1 9 8 5 2 方立军，高正阳，阎维平、利用热天平对电厂混煤燃尽特性的试验研究 j 】华北电力 技术2 0 0 1 ，1 ：7 - 9 ，2 4 3 侯拣歧，冯金梅，陈春元，等混煤煤粉着尖和燃尽特性的试验研究 j 】电站系统工 程，1 9 9 5 ，1 1 ( 2 ) ：3 0 _ 3 4 4 聂其红，孙绍增，李争起，等褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究 j 】燃烧科学与 技术，2 0 0 1 ，7 ( 1 ) ：7 2 7 6 5 】朱群益李瑞扬，秦裕琨，等煤粉燃烧反应动力学参数的试验研究 j 动力工程， 2 0 0 0 ，3 ( 6 ) ：7 0 3 - 7 0 6 6 】李彦彬，刘建宏钠盐对焦炭燃烧反应的优化作用 j 燃料流通科技，1 9 9 5 ，4 ：2 6 2 7 ， 3 0 7 吕晓泉，张佳心大气环境中添加剂碳酸钠对碳粒燃烧规律的影响 j 哈尔滨船舶工 程学院学报，1 9 9 0 ，11 ( 1 ) ：2 5 2 - 2 5 8 8 】d e s r o c h e s d u c a m ee m a r r ye ，m a r t i n0 e t c c o - c o m b u s t i o i lo fc o a ia n dr n u n i c i p a i s o li dw a s t ei n c if c u l a t i n gf i u i d i z e db e d j 】f u e i 1 9 9 8 7 7 ( 1 2 ) l 1 3 1 1 1 3 1 5 9 】g u ii e t tbk ，r a g b u n a t h a nk d u n nje ，e f f e c to fc o f ir i n gh i g h - s u i f u rc o a lw i t h m u n i c i p a l w a s t e0 1 3f o r m a t i o no f p o i y c h i o r i h a t e dd i b e n z o d i o x i na n d p o i y c h i o r i n a t e dd i b e n z o f u r a n 【j 】 e n v lr o n n n t a l e n g i n e e r i n gs c i e n c e 1 9 9 8 5 ( 1 ) ：5 9 7 0 ， 【1 0 张军，汉春利，刘坤磊，等煤中碱金属及其在燃烧中的行为 j 热能动力工程，1 9 9 9 ， 1 4 ( 2 ) ：8 3 - 8 5 11 张力，崔严鹏冉景娌水处理固体废物用作燃煤脱硫剂的可行性研究 j 重庆环境 第三章试验煤种的燃烧特性及其排放特性 科学1 9 9 9 ，2 1 ( 3 ) ：4 7 4 8 【1 2 m a t s u d a t am ，t a k e d a k ，- i y a t a n a t ，e t c s i m u l t a n e o u sc h i o r i n a t i o na n ds u l p h a t i o n o fc a f c i n e df i m e s t o n e j 】c h e m i o f f le n g i n e e r i n gs c i e n c e 1 9 9 6 5 1 ( 1 1 ) ：2 5 2 9 2 5 3 4 【1 3 l a w r e n c ear u t h e n e r g yf r o mr n u n i c p a l s o li dw a s t e ：ac o m p a r is o nw i t hc o a i t e c h n o i o g y j p r o ge n e r g yc o m b u s ts c i 。1 9 9 8 ，2 4 ( 2 ) ：5 4 5 5 6 4 1 4 刘言华，车得福，惠世恩，等n a c i 对燃煤污染物排放的影响研究j 西安交通大学 学报，2 0 0 0 ，3 4 ( 5 ) ：4 2 4 5 ，5 8 1 5 杨新兴，金元仲，朱凤元利用造纸黑液制备洁净水煤浆技术 j 河北煤炭，2 0 0 2 ， 4 1 6 范浩杰，姚强，曹欣玉，等，碱金属化合物添加剂对氧化钙固硫影响的试验研究 j 燃 烧科学与技术，1 9 9 7 ( 1 ) ：1 0 5 1 11 【1 7 车得福，刘艳华，等城市垃圾与高硫煤混烧排放特性的模拟 j 燃烧科学与技术， 2 0 0 2 ，8 ( 3 ) ：2 0 7 2 1 0 4 7 浙江大学硕士学位论文 第四章黑液水煤浆燃烧过程中炉内矿物 质的动态分布特性研究 煤中矿物质的行为会直接影晌到燃烧后煤灰的熔融特性，影响到燃煤锅炉的结渣程 度。国外为了对燃煤产物进行利用而对妒内各种矿物质进行研究的较多“；s w a i t ie s 等人对煤中微量元素的分布进行了研究”，对煤燃烧后微量元素的分布、迁移及富集规 律有了一定的认识。黑液水煤浆的最大的特点就是碱含量高，据研究，煤中若含有较多 的碱性矿物质，则极易发生结渣问题”。，进而引起磨损和腐蚀，并严重影响热效率。因 此了解碱金属、碱土金属等在炉内的动态分布是非常有必要的。实验表明，煤的化学成 分能部分预测飞灰及焦渣在炉膛内不同受热面之间的细微差异”“。本章对黑液水煤浆及 常规水爆浆燃烧时及燃烧后的灰渣进行分析分析水煤浆中备矿物质在炉内的迁移过程， 着重研究其对结渣特性造成的影响。 煤和水煤浆在燃烧过程中经历了预热、水分蒸发、着火、燃烧及燃烬的过程。煤中 矿物质成分随燃烧过程将发生迂徙、富集，有其自身的分布规律，为此我们在沿火焰行 程不同位置抽取飞灰的样品进行灰成分的分析，在相应的位置的炉壁提取渣样进行灰成 分和灰熔点的测量，从而来研究煤中矿物质成分的分布规律；提取渣样进行电子探针分 析，分析了结渣过程中矿物质的动态附着过程，来研究炉内结渣过程中各矿物元素所起 的作用。 4 1 试验概况 4 1 1 试验台架及系统 水煤浆的燃烧试验在浙江大学热能工程研究所实验室0 2 5 m w 试验台架上进行试验 主体呈“u ，字形，高约3 5 m ，内径3 0 0 m m ，炉内壁涂有耐火混凝土。炉膛及烟道均采用 水冷却系统。沿炉体轴向开设有2 0 多个观测孔，以便于观测、取样。 整个试验系统主要由试验炉本体、浆路系统、气路系统、油路系统和水系统几部分 组成。浆路系统包括搅拌罐、调速电机、供浆泵、输浆管；油路系统包括油泵和输油管； 气路系统包括引风机、送风机、流量计和风管；水系统则由水泵和水管组成。试验台系 统结构示意图如图4 1 ，各主要系统的布局如图4 2 图4 - 4 。 试验炉示意图如图1 ，试验时，水煤浆从炉顶喷入，试验炉炉体上布置了很多测孔， 试验中，在测孔中插入颗粒取样枪，采取不同部位韵颗粒样，试验完毕后从炉壁上采取 炉壁渣样，分析其灰成分，研究矿物质元素的迂徙，以揭示黑液水煤浆在炉内的结渣影 响因素。 第四章黑液水煤浆燃烧过程中炉内矿物质的动态分布特性研究 图4 - 1 02 5 u 试验台示意图 图4 2 试验炉照片 浙江大学硕士学位论文 图4 - 3 煤浆搅拌罐及供浆系统照片 4 1 2 试验煤质 圈4 - 4 水煤浆喷枪燃烧器布置 本文试验水煤浆是新汶精煤2 制成的常规水煤浆和黑液水煤浆。黑液水煤浆为一 5 0 第四章黑液水煤浆燃烧过程中炉内矿物质的动态分布特性研究 种特殊的液体燃料，浓度为5 5 0 8 ，实际应用的黑液水煤浆煤浆固体浓度为引，新 汶常规水煤浆浓度为6 58 6 。表4 1 是本文试验用的常规水煤浆和黑液水煤浆的煤质 特性分析。表4 - 2 为两种水煤浆未燃烧前的灰成分分析及其灰熔点，由表中可以看出 黑液水煤浆煤灰成分、灰熔融特| 生较为特别，与常规水煤浆相比，黑液水煤浆灰中n a 、 k 舍量非常高，分别为2 1 5 9 x 和55 1 ，由此导致其软化温度极低，仅1 1 2 1 ，比常 规水煤浆灰分别低2 0 2 ，十分容易带来燃烧设备的沾污结渣。这可能成为妨碍黑液水 煤裳工业应用的主要因素。 表4 1新汶两种水煤浆工业分析、元素分析 常规水煤浆 o 7 92 6 47 2 31 1 631 81 3 4 4 8 03 8 9 11 2 5 41 3 5 31 3 7 9 1 4 2 9 黑液水煤浆 5 5 i2 1 5 95 2 20 8 12 6 81 2 82 8 7 33 4 1 5 1 0 9 51 1 2 11 2 0 8 1 2 1 0 4 1 3 燃烧状况 图4 - 5 圈4 - 6 为试验炉膛内的烟气温度分布，由图可以看出：两种水煤浆在炉内的 燃烧稳定良好，沿炉体轴向温度场主燃区均在t 2 0 0 c 以上，黑液水煤浆的最高温度在 1 2 6 0 c ，而常规水煤浆的最高温度为1 4 3 0 t 2 根据两种煤浆的灰熔点温度可知，其温度 水平已可满足结渣特性试验的要求。 y 窭 皇 坦 譬 e l 竺 d i s t a n c et ot h eb u r n e r ( m m ) 圈4 - 5 黑液水煤浆妒膛温度沿火焰行程分布 浙江大学硕士学位论文 d i s t a r l c et ot h eb u m e r ，m m 固4 - 8 常规水煤浆妒膛温度沿火焰行程分布 图4 7 示出了黑液水煤浆不同部位的灰渣软化温度沿火焰行程的分布情况，由图可 看出，黑液水煤浆灰渣灰熔点在离燃烧器出口附近的地方比较低，沿着烟气行程，灰渣 的软化温度逐渐升高，在离燃烧器出口1 0 0 0 t m 附近的灰熔点较高，随后又逐渐降低。从 试验炉内的结渣情况来看，在离燃烧器出口1 0 0 0 r r n 附近炉壁结渣较其它位置轻微。造成 这种现象的原因。可能是由于受到炉内热力场的影响，t 0 0 0 t r m 附近炉内温度最高，可靛 会造成炉内各种元素特别是碱性金属的燕发升华而不至于贴壁，使得炉壁渣大部分是一 些高熔点的元素颗粒，归根结底这是由于燃烧过程中不同矿物质沿火焰行程其动态分 布不同造成不同位置的结渣状况的差异。 d i s t a n c et ot h eb u r n e r ( m m ) 图4 7 黑液水煤浆渣祥软化温度 沿火焰行程分布 5 2 p、2三雹mej p、ml三要口ej_ 苎唑兰墨丝垄堡茎燮丝型堡! 丝堕! 望堕盟垄查坌查量堡旦窒 4 2 矿物质沿火焰行程的动态分布 4 2 1 碱金属( n a ，k ) 炉内的迁移状态 在煤的原始矿物中，只有挥发性的 矿物杂质才导致沾污和结渣。对煤燃 烧利用而言，煤中钠是有害成分，通常它 盘 与锅炉高温受热面的积放相关”。”，钠和垫 钾一般被视为造成锅炉对流烟道沾污的誊 祸因。碱金属从煤的有机物结构中挥发比。- n 从玻璃状的飞灰颗粒中再挥发更容易，如嚣 钠在火焰高温区短时间内可能以原子n a 或n a 2 0 的形式存在，因为有水蒸气存在， 故它们便反应生成n a o h ；而在较低温度 时，与c 0 2 、s 0 2 、0 2 及s 0 3 反应生成n a 2 s 0 4 n a 2 c 当存在硫的氧化物时，最主要 脚焉黧 的生成物为k a 2 s 0 4 。在火焰中没有挥发出。帅n 卸锄1 喁口丧中n 翘含量为晶 来的钠残留在由不挥发的国有灰份所构啼冲呦懒1 0 成的复杂的灰粒内，其百分比较大。低于 9 8 2 时挥发的钠凝聚在带出的飞灰上，使较细的飞灰含钠量大大增高。在较低温度 下生成的沉积物内比高温下生成的沉积物更容易出现钠的富集。最终，挥发钠和残留 钠的作用是相同的，都使飞灰熔融并增加沾污。图4 - 8 示出了钠含量对积灰的影响， 由图可知当钠含量较低时，不管灰分含量多少，积灰速度都很低，而钠含量高时， 积灰随媒的灰分呈指数增加。此外，煤中钠也是引起烟机叶片积灰和腐蚀的主要成分 。气态碱金属( 主要是钠) 的存在已成为影响锅炉正常安全运行的一个重要因素， 因此，对煤中钠及其燃烧过程中的行为研究一直是国内外的一个重要方向”1 。 碱金属在煤中不论以何种状态存在，一旦分解和形成氧化物m z o ( n a z o 。k 2 0 ) ，就会 与烟气中及受热面灰渣内的s 0 3 反应，生成硫酸盐m 2 s o 。 m ，o + s o 、冉m ，s o 。 硫酸盐m 2 s 0 4 的熔点低( n a 2 s 0 4 的熔点只有8 8 1 ，k 2 s 0 4 的熔点也仅有1 0 7 4 ) 。 且硫酸盐往往进一步与铁的氧化物反应生成熔点更低的硫酸盐络合物n a 3 f e ( s o 。) 。合 k 3 f e ( s 0 4 ) 3 。 m t s o , + s o 、斗m 1 s t 0 7 3 m 2 s 2 0 7 + n 2 0 3 呻2 m ，屁( s d 4 ) 3 浙江大学硕_ 上学位论文 它们两者熔点分别为6 4 6 c 和6 1 4 c 。它们除了紧密粘贴在受热面上使吹灰难以凑 效外，还具有腐蚀性。 本节对水煤浆燃烧过程中钠沿火焰行程的分布特性进行研究，着重研究其对结渣的 形成及分布的影响。 黑液水煤浆的最大特点就是碱含量高，n a 2 0 和k 2 0 的含量分别是2 15 9 和 5 5 1 ，是一般常规水煤浆的碱含量的7 8 倍。碱含量及其分布对炉体的结渣有很 大的影响。试验表明炉内碱的沉积并不是一成不变的，而是有选择性的，图4 - 9 、 图4 10 分别为从距燃烧器出口9 7 5 m m 15 3 0 m m 之间炉壁渣和炉内颗粒物的n a 2 0 和 k 2 0 分布状况。从炉内n a 2 0 、k 2 0 的迁徙状况可看出，黑液水煤浆的渣中含有大量的 碱，并在离燃烧器出口1 0 0 0 m m 附近含量稍有降低，由上可知黑液水煤浆在离燃烧器 出口1 0 0 0 m m 附近的结渣状况稍微较它处轻，从图4 7 灰渣的熔融性可知，在离燃烧 器比口t o o o m m 附近的灰熔点较高。同时从图4 - 9 、4 - 1 0 中也可以看出，炉内颗粒 物的碱含量大大超过炉壁渣，呈先迅速增大，后逐渐减小，并趋于平稳说明大量 的碱并不是沉积在炉壁上，而是从炉底渣或者飞灰中排出，研究表明碱性氧化物在 高温下易燕发或升华，将临时改变炉膛中悬浮飞灰的熔融特性，然后凝结于受热面 上，形成初始沉积物，结合图4 - 5 炉膛温度分布可以看出：炉壁渣在炉内温度最高 点附近碱金属含量最低，说p , q 此时的碱金属大部分都在高温下蒸发升华。这点不仅 是对于碱含量较高的黑液水煤浆如此，对于碱含量很低的常规水煤浆亦然，图4 1 1 、 图4 1 2 是新汶常规水煤浆的n a z o 、k 2 0 在炉内的迂徙情况，由此可见，在水煤浆的 燃烧过程中，碱在炉内的附着沉积是先降后增，并且大量的碱并不是沉积在炉内， 而是随着剩余颗粒物或飞灰排出炉外，这对防止燃烧设备的沾污结渣是有好处的。 值得注意的是，n a 、k 对灰沉积的贡献主要体现在参与初始沉积物的形成，后续沉 积到受热面的主要是a i 、f e 、s i 、c a 等的化合物。 述 q 图4 - 9 黑液水煤浆n a ：0 沿火焰行程分布 图4 1 0 黑液水煤浆k 2 0 沿火焰行程分布 第四章黑液水煤浆燃烧过程中炉内矿物质的动态分布特性研究 圈4 11常规水爆浆n a 扣沿火焰行程分布图4 12 常规水煤浆k 2 0 沿火焰行程分布 4 2 2a iz 0 。和s i 0 2 炉内的迁移状态 硅和