煤与生物质掺烧过程积灰结渣特性及灰烧结特性的实验研究

摘要

我国正面临着严峻的化石能源危机以及环境污染问题，作为可再生能源，生物质燃料的应用是改善这一现状的合适途径。大量实际运行经验及研究证明在燃煤电站中直接掺烧生物质是低成本、低风险、前景好的利用方法，然而灰沉积问题严重制约了生物质掺烧的推广，因此开展煤与生物质掺烧灰沉积问题的研究具有重要意义。本文一方面对煤与生物质掺混灰的烧结熔融特性开展实验室研究，基于烧结探针和图像处理技术获得灰块形态收缩参数，结合XRD，SEM-EDS等方法分析不同生物质及掺混比例的影响；另一方面在300KW一维炉中开展煤与生物质掺烧的中试试验，利用灰沉积探针、CCD监视系统和温度采集装置实现灰渣厚度及热流密度的在线测量，对灰渣的微观结构及矿物质成分进行分析，研究典型生物质对不同灰熔点煤的积灰结渣的影响。以下为具体的研究内容： 首先，利用卧式炉烧结系统对准东褐煤与六种生物质掺混灰的烧结熔融特性开展了详细研究。结果表明掺混玉米秸秆灰与稻壳灰促进了碱金属矿物质和Ca-Si-Al-O系低熔共晶体的形成，从而促进了煤灰的烧结熔融；而木屑灰、瓜子壳灰、松子壳灰和核桃壳灰起到抑制作用，其中木屑灰的影响最为显著，其富含的钙基矿物质倾向于与煤灰中的硅铝酸盐类矿物质反应促进高熔点的钙铝黄长石的形成。 第二，利用金相显微镜和图像处理技术研究准东煤与玉米秸秆灰掺混烧结过程中气泡的形成特性，获得了气泡数量、面积和孔隙率等参数随时间的变化规律。结果显示低比例的生物质灰影响较小，掺混50%玉米秸秆灰则显著改变灰中矿物质分布，促进气态物质的形成，使得气泡形成时间提前。 第三，研究玉米秸秆灰和木屑灰分别与不同熔点煤灰掺混的烧结熔融特性。玉米秸秆灰对两种煤灰的烧结熔融都有促进作用，且随着掺混比例增大促进作用更为显著，原因是生物质灰与煤灰之间的反应抑制了高熔点物质的形成。掺混高比例木屑灰促进了高熔点山西煤灰的烧结，原因在于抑制了高熔点莫来石的形成；而与低熔点神华煤掺混时，烧结熔融程度下降，高熔点钙铝黄长石的形成是主要原因。 第四，在一维炉中开展木屑与山西煤掺烧的灰沉积实验，考察了木屑掺烧比例和炉膛温度对积灰结渣的影响。结果表明尽管木屑的灰分较低，掺烧木屑能够显著加剧高熔点煤的积灰结渣现象，灰渣厚度随着掺烧比例提高而增大，木屑中高含量的钙元素发挥了重要作用。一方面减少了高熔点莫来石的生成，另一方面促进灰渣中钙基硫酸盐类矿物质的形成，并进一步分解形成低熔点物质。掺烧10%木屑时，较低炉膛温度下发生了频繁的掉渣现象，而较高的炉膛温度会加剧积灰结渣，掉渣现象消失。 第五，为了验证钙元素在木屑促进高熔点烟煤灰沉积中发挥的作用，研究氧化钙添加剂对山西大同煤积灰结渣的影响，实验中监测烟气中二氧化硫的浓度。氧化钙添加剂显著加剧了煤的灰沉积行为，并降低了烟气中的二氧化硫含量，说明氧化钙与二氧化硫发生反应，促进了钙基硫酸盐类型的积灰结渣。 最后，研究木屑和玉米秸秆与神华煤掺烧的积灰结渣特性。掺烧玉米秸秆能够显著加剧结渣倾向，导致严重的传热恶化，并减小飞灰颗粒的平均粒径。掺烧木屑则抑制了结渣，比例提高到10%后没有产生成型的灰渣，飞灰颗粒粒径增大。不同工况飞灰的矿物质分布差异很小，说明掺烧生物质主要通过挥发性物质影响结渣。

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