煤燃烧过程中碱金属沾污的分层晶体行为机理研究

The slagging during coal combustion process, especially for high alkali coals, is serious and has not been solved adequately. For decades both in China and abroad, slagging of coal combustion can only be qualitatively estimated by some crude evaluation criteria which get from experiments. Because of the vague understanding of the mechanism of slagging process, slagging cannot be evaluated and estimated accurately, which caused many serious accidents. During the previous research on combustion of biomass which contains higher alkali (Na and K), the applicants found the crystallization behavior of alkali salt during slagging process and the layer structure in deposit, and then high purity white crystal further extracted from boiler flue gas. Based on this study, the forms of alkalis (K, Na, Ca and Mg) in coal and their thermal migration rule, the reaction kinetics of alkalis eutectic precipitation at low fusion point, and the conglutination behavior of ash particles on alkali salt layer will be studied in this project aiming at the serious slagging during high alkali coal combustion process. Through thermodynamic and reaction kinetic analysis, coupling with the calculation of flow distribution by CFD, the mechanism model of alkalis layered crystallization behavior during coal combustion process will be established, which provides theoretical basis on the efficient and safe use of high alkali coals.

煤燃烧过程中的结焦问题，尤其是高碱金属含量煤燃烧造成的严重沾污结焦，是至今没有很好解决的难题。数十年来，国内外对碱金属的沾污行为只能定性地进行评判或实验制定一些粗糙的评价准则，由于对沾污结焦机理的模糊认识，使得实际燃烧中无法做到精确评估和预测，由此造成许多严重事故。申请人在研究Na、K等碱金属含量更高的生物质燃烧中，发现了其焦体中明显的碱金属盐结晶行为及分层沾污的结构特征,还从锅炉尾部烟气中分离提取到了高纯度白色晶体。借鉴此研究基础，本项目针对高碱金属含量煤的沾污结焦问题，重点研究Na、K、Ca、Mg等碱金属在煤中的赋存形态和热迁徙规律，研究碱金属元素低熔点共晶析出反应动力学及碱金属盐粘附灰颗粒力学行为等，耦合碱金属析出反应热力学、结晶析出反应动力学及颗粒脱附反应动力学，最终建立煤燃烧过程中碱金属沾污的分层晶体行为机理模型，为实现高碱金属含量煤种的高效安全利用提供理论基础。

高碱金属煤燃烧过程中容易造成严重的沾污结焦，至今没有得到很好的解决。本项目针对新疆地区高碱煤，重点研究了其中碱金属元素的赋存形态和释放规律、灰熔融特性、碱金属蒸汽的冷端凝结特性、微细颗粒物生成特性和积灰特性，并探索出一条减缓准东煤结焦的掺烧方式。主要取得了以下成果：.1.准东煤中碱金属、碱土金属以钠、钙元素为主。准东煤中水溶性钠的比例为53%，钾、钙、镁主要以不溶性的形式存在。准东煤燃烧过程中，Na主要以单质钠、氯化钠、氢氧化钠的形式挥发；Ca通过CaSO4分解等过程以单质和氧化物的形式挥发。.2.准东煤的灰熔点较低，通过掺烧高硅铝含量的煤种，可以提高灰熔点。影响灰熔点的因素包括燃烧气氛和掺烧比例。Na、Ca和Fe都会引起结渣，但致渣机理不同。.3.获得了碱金属非均相硫化的反应动力学特性。碱金属硫化反应是准东煤燃烧过程中钠、钙元素经历的重要过程。该反应可以促进受热面初始沉积层的形成，诱导结焦的发生。.4.准东煤燃烧会产生大量的微细颗粒物，主要成分是碱金属的硫酸盐和氯化物。微细颗粒物的生成特性与燃烧温度和掺烧方式有关。.5.掺烧6%高岭土可使飞灰中硫酸盐分解温度降低120℃，可有效消除硫酸盐，从而抑制了硫酸盐气溶胶的形成；长期掺烧高岭土实验结果表明，将准东煤灰中的Na和Ca含量通过掺烧高岭土控制在2.1%和13.8%，可有效解决水平烟道的受热面沾污问题。.6.获得了准东高钠钙煤燃烧过程中的分层结焦机理。在准东煤燃烧过程中，首先大部分Na元素挥化成单质钠、氧化钠和氯化钠，CaSO4则在800℃以上分解成SO2和CaO，这时烟气中的Na和Ca组分极易与SO2发生反应生成气态的Na2SO4和CaSO4。这些硫酸盐蒸汽遇冷析出形成气溶胶，沉积在受热面上形成结焦初始层，可捕捉烟气中的灰颗粒，最后出现分层结焦。.以上研究结果揭示了准东煤燃烧过程中碱金属的释放规律和迁徙过程，发现了层状结焦的根本原因，为准东煤的安全高效利用提供了理论基础。