未来相当长时期内，煤炭作为我国含量最为丰富的化石能源，在我国能源结构中仍将占主体地位。而富氧燃烧技术，作为一种先进的燃煤CO2减排技术，近年来受到广泛的关注。由于富氧燃烧中气氛发生了改变，导致锅炉换热特性、煤粉燃烧特性以及污染物的排放行为均发生了较大变化，这些变化也会使得煤中矿物质的转化行为发生改变，进而影响炉内的灰渣沉积特性。然而，目前学者对富氧燃烧条件及高碱煤中煤灰的形成和灰沉积倾向还没有达成一致的认识。为此，本文在不同试验台中对富氧燃烧条件下高碱煤的飞灰生成和沾污非均质分布特性进行了深入的研究。
首先，本文采用CCSEM技术，在高温沉降炉实验系统中研究了富氧燃烧过程中煤灰颗粒的矿物非均质分布特性，并详细讨论钙和铁在矿物颗粒中的分布特性及对煤灰颗粒结渣沾污的趋势的影响。结果表明：相同氧气条件下富氧燃烧会抑制矿物质的聚合和破碎，同时使得小粒径颗粒的平均粒径减小，随着氧气浓度增加，颗粒的熔融趋势增强；并且发现富氧燃烧会在一定程度上抑制方解石和黄铁矿的分解和破碎，降低钙和铁在中小颗粒中的分布，提高氧气浓度，会促进钙在中小颗粒中的富集及与其它矿物的共熔反应，从而降低灰渣粘度，增加结渣倾向；氧气浓度的增加，会增加铁在中小颗粒的分布，但燃烧过程铁主要发生的是黄铁矿的氧化反应，生成铁氧化物，富氧工况中氧气浓度的增加，使得颗粒周围还原性气氛增强，而还原性气氛存在的时间减少，导致含铁粘性颗粒的比例先增加后减少。
其次，利用水冷式灰沉积取样枪，在高温沉降炉实验系统中研究了烟气温度、燃烧气氛及掺混燃烧对高碱煤的灰沉积特性的影响。研究表明：20％O2/N2工况下，烟气温度大于1150℃时，沉积灰样均出现烧结现象，灰沉积类型以硫酸钙沉积为主；当烟气温度降低至900℃时，沉积灰样出现明显的分层，且沉积厚度增加，碱金属硫酸盐的沉积是导致沉积加剧的主要因素；掺混燃烧和高浓度CO2的存在均不会改变沉积灰样的成分，掺混燃烧后缓解结渣沾污趋势，但是高浓度CO2的存在会加剧沉积趋向。
继而采用气冷式灰沉积取样枪，在燃用高碱煤的某350MW电站锅炉上对高碱煤在炉内燃烧过程中的沉积行为进行了研究，并通过对比，得到了高碱煤的沉积机理。结果表明，对于温度较高的锅炉水冷壁区域呈低灰熔点的铁相熔融矿物类型；而对于锅炉屏式过热器、高温过热器和高温再热器，迎风面出现明显的Na2SO4沉积，同时含有CaSO4和CaO·Al2O3等形式粘性存在，沉积样品紧密的粘附在壁面上，呈现出典型的积灰底层特性，而沉积外层由于温度较高，Si的形态除了SiO2晶体外，更多的以Na、Ca的硅铝酸盐共融形态存在，并且Ca更多地以CaSO4形式存在；迎风面沉积底层中Na2SO4的非均相冷凝及热迁移和沉积外层钙的富集是导致受热面结渣沾污严重的关键因素。
最后，研究了煤粉在3MWth富氧燃烧试验平台上的锅炉特性和灰沉积特性。结果表明，全系统在不同工况下均能长时间安全稳定运行，通过优化运行，富氧燃烧干循环、全流程运行条件下干烟气CO2浓度可稳定在80%以上；同时，富氧工况会促使矿物颗粒共熔聚合，增加灰渣在受热面上的结渣沾污趋势。
- 作 者：
- 张泰
- 学科专业：
- 热能工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 华中科技大学
- 导师姓名：
- 柳朝晖
- 学位年度：
- 2017
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
