高碱金属准东煤燃烧特性及灰渣行为的基础研究

摘要

新疆准东地区蕴藏着丰富的煤炭资源，准东煤具有高钠高钙的煤质特点，在燃用过程中给电厂受热面带来严重的积灰结渣问题，影响锅炉的安全经济运行。本文从基础问题入手，选取五种典型准东煤对其普遍煤质特征及燃烧特性展开实验研究。研究发现，准东煤具有高水分、极低灰分、中高热值、低氮低硫等特点;灰熔点较高，煤阶和着火点均介于褐煤和烟煤之间。随着采矿深度的增加，煤中水分减少、灰分含量降低、发热量增加、含硫量减少，煤质更加接近烟煤，结渣趋势减轻;煤的着火温度略有降低，燃尽情况有很大改善，燃烧特性变好。
　　以天池能源深层煤为研究对象，对比分析高、低温灰样中的物相变化，并通过低温灰热重实验深入了解燃煤过程中准东煤的矿物演变规律。测定不同温度灰样中Na、Ca含量，得到其释放规律，并用Factsage软件模拟出Na、Ca的析出形式。结果表明，准东煤的原始矿物主要有石膏、方解石、石英、高岭石、黄铁矿等。在燃烧过程中，矿物间发生了复杂的化学反应并最终生成钙铁铝石、斜硅钙石等。实验发现，煤中Na在400～600℃间开始析出，Ca在600℃前部分析出，1000℃后析出最快。结合Factsage的模拟结果，推测1000℃前Na的主要析出形式为NaCl(g)，1000℃后以NaOH(g)和Na2SO4(g)的形式析出。Ca在1000℃后与灰中铁、硅等矿物形成低温共熔体，达到熔融状态后析出，含量急剧下降。
　　在燃用准东煤的电厂进行试验，研究在工业生产中准东煤的积灰结渣特性。结果表明，随烟气流程积灰结渣有明显变化。燃烧器区域结渣呈金属光泽，质地坚硬且接近于玻璃体，微观形貌呈熔融的块状结构、表面致密光滑有气孔。随烟气流程受热面温度降低，积灰情况好转，灰渣的颗粒尺寸减小，团聚现象逐渐消失。烟气中的Na在竖直烟道区域发生冷凝，导致该位置灰渣中出现大量钠钙长石。随着放置时间的延长，渣样逐渐生长，结渣量及厚度都有显著增加。渣样初始沉积层的主要矿物质有石英、钠长石、钙长石和赤铁矿。随着渣样的生长，石英含量及渣样中的碱金属含量逐渐降低。SOFA风门开度变化时，会影响到炉内燃烧区域的温度及气氛，在高温和还原性气氛下，积灰结渣变得严重。而随着准东煤掺烧比例的提高，炉内温度及碱金属含量升高，结渣量有显著增加。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 中国煤炭资源利用现状

1．1．2 煤炭与电力消费

1．2 课题的研究背景

1．2．1 准东煤开发利用的必要性

1．2．2 准东煤开发利用现状

1．2．3 准东煤在应用中存在的问题

1．3 Na、Ca在燃煤过程中的行为规律

1．3．1 Na、Ca在煤中的赋存形态

1．3．2 Na、Ca在燃煤过程中的迁移释放

1．3．3 Na、Ca在炉内的反应

1．3．4 气态碱金属的测量

1．4 燃煤矿物转化及积灰沾污的形成

1．4．1 煤中主要矿物组成

1．4．2 煤中主要矿物在燃煤过程中的转化

1．4．3 积灰沾污的形成过程

1．5 积灰结渣特性的研究手段及预测方法

1．5．1 国内外关于积灰结渣的研究

1．5．2 积灰结洼的预测方法

1．6 本文的研究意义及主要内容

2 实验及分析方法

2．1 实验概述

2．2 燃烧特性研究

2．2．1 热重分析方法概述

2．1．2 本文的热重分析实验

2．3 煤灰特性研究

2．3．1 灰样的制备

2．3．2 低温灰热重分析

2．3．3 X-射线衍射分析(XRD)

2．3．4 灰样的微观形貌研究

2．3．5 能谱分析(EDS)

2．3．6 碱金属含量的ICP分析

2．3．7 FaceSage软件介绍

3 准东煤的煤质特征及燃烧特性

3．1 准东煤煤质特征分析

3．1．1 工业分析

3．1．2 元素分析及灰熔点分析

3．1．3 灰成分分析

3．2 准东煤的燃烧特性研究

3．2．1 热重曲线分析

3．2．2 燃烧特征参数

3．2．3 燃烧动力学分析

3．3 本章小结

4 准东煤的积灰结渣机理探究

4．1 准东煤在燃煤过程中的矿物转化规律

4．1．1 高、低温灰的物相分析

4．1．2 高、低温灰的徼观形貌特征

4．1．3 低温灰热重分析

4．2 准东煤在燃煤过程中的Na、Ca迁移释放特性

4．2．1 Na、Ca在燃煤过程中的释放规律

4．2．2 热力学模拟结果

4．3 本章小结

5 准东煤积灰结渣特性的电站锅炉试验研究

5．1 试验工况及测点介绍

5．2 电厂配煤的基础数据

5．2．1 煤质分析

5．2．2 混煤煤灰成分分析

5．3 炉内不同位置的积灰结渣状况

5．3．1 沿程灰渣表观特性

5．3．2 沿程灰渣的微观形貌

5．3．3 沿程灰渣的XRD分析结果

5．3 结渣随时间的发展过程

5．3．1 结渣发展的表观特性及分层依据

5．3．2 渣样分层后的XRD分析结果

5．3．3 渣样分层后的ICP分析结果

5．4 运行工况对炉内积灰结渣的影响

5．4．1 SOFA风门开度对炉内积灰结渣的影响

5．4．2 准东煤掺烧比对炉内积灰结渣的影响

5．5 本章小结

6 全文总结及展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

作者简介