煤燃燒過程中鹼金屬沾污的分層晶體行為機理研究

《煤燃燒過程中鹼金屬沾污的分層晶體行為機理研究》是依託西安交通大學，由譚厚章擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：煤燃燒過程中鹼金屬沾污的分層晶體行為機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：譚厚章
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

煤燃燒過程中的結焦問題，尤其是高鹼金屬含量煤燃燒造成的嚴重沾污結焦，是至今沒有很好解決的難題。數十年來，國內外對鹼金屬的沾污行為只能定性地進行評判或實驗制定一些粗糙的評價準則，由於對沾污結焦機理的模糊認識，使得實際燃燒中無法做到精確評估和預測，由此造成許多嚴重事故。申請人在研究Na、K等鹼金屬含量更高的生物質燃燒中，發現了其焦體中明顯的鹼金屬鹽結晶行為及分層沾污的結構特徵,還從鍋爐尾部煙氣中分離提取到了高純度白色晶體。借鑑此研究基礎，本項目針對高鹼金屬含量煤的沾污結焦問題，重點研究Na、K、Ca、Mg等鹼金屬在煤中的賦存形態和熱遷徙規律，研究鹼金屬元素低熔點共晶析出反應動力學及鹼金屬鹽粘附灰顆粒力學行為等，耦合鹼金屬析出反應熱力學、結晶析出反應動力學及顆粒脫附反應動力學，最終建立煤燃燒過程中鹼金屬沾污的分層晶體行為機理模型，為實現高鹼金屬含量煤種的高效安全利用提供理論基礎。

結題摘要

高鹼金屬煤燃燒過程中容易造成嚴重的沾污結焦，至今沒有得到很好的解決。本項目針對新疆地區高鹼煤，重點研究了其中鹼金屬元素的賦存形態和釋放規律、灰熔融特性、鹼金屬蒸汽的冷端凝結特性、微細顆粒物生成特性和積灰特性，並探索出一條減緩準東煤結焦的摻燒方式。主要取得了以下成果： 1.準東煤中鹼金屬、鹼土金屬以鈉、鈣元素為主。準東煤中水溶性鈉的比例為53%，鉀、鈣、鎂主要以不溶性的形式存在。準東煤燃燒過程中，Na主要以單質鈉、氯化鈉、氫氧化鈉的形式揮發；Ca通過CaSO4分解等過程以單質和氧化物的形式揮發。 2.準東煤的灰熔點較低，通過摻燒高矽鋁含量的煤種，可以提高灰熔點。影響灰熔點的因素包括燃燒氣氛和摻燒比例。Na、Ca和Fe都會引起結渣，但致渣機理不同。 3.獲得了鹼金屬非均相硫化的反應動力學特性。鹼金屬硫化反應是準東煤燃燒過程中鈉、鈣元素經歷的重要過程。該反應可以促進受熱面初始沉積層的形成，誘導結焦的發生。 4.準東煤燃燒會產生大量的微細顆粒物，主要成分是鹼金屬的硫酸鹽和氯化物。微細顆粒物的生成特性與燃燒溫度和摻燒方式有關。 5.摻燒6%高嶺土可使飛灰中硫酸鹽分解溫度降低120℃，可有效消除硫酸鹽，從而抑制了硫酸鹽氣溶膠的形成；長期摻燒高嶺土實驗結果表明，將準東煤灰中的Na和Ca含量通過摻燒高嶺土控制在2.1%和13.8%，可有效解決水平煙道的受熱面沾污問題。 6.獲得了準東高鈉鈣煤燃燒過程中的分層結焦機理。在準東煤燃燒過程中，首先大部分Na元素揮化成單質鈉、氧化鈉和氯化鈉，CaSO4則在800℃以上分解成SO2和CaO，這時煙氣中的Na和Ca組分極易與SO2發生反應生成氣態的Na2SO4和CaSO4。這些硫酸鹽蒸汽遇冷析出形成氣溶膠，沉積在受熱面上形成結焦初始層，可捕捉煙氣中的灰顆粒，最後出現分層結焦。 以上研究結果揭示了準東煤燃燒過程中鹼金屬的釋放規律和遷徙過程，發現了層狀結焦的根本原因，為準東煤的安全高效利用提供了理論基礎。