高钠准东煤燃烧过程中多形态碱金属释放机理激光在线测量研究

Zhundong coal in Xinjiang province is a promising energy source in China because of its large reserve which is enough for utilization more than 100 years in our country. However, severe problems like fouling and corrosion of the heat transfer surface in furnaces occurred during the combustion of this coal due to the high content of sodium. In order to utilize Zhundong coal safely and efficiently, it is urgent and important to understand its combustion property and alkali release mechanism. In this project, a home-made single particle experimental system will be employed to study the combustion property of Zhundong coal. Besides the particle temperature and mass measurement, optical techniques, like laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) and planar laser induced fluorescence (PLIF), will also be used to on-line measure the release process of alkali species. Based on these measurements, the combustion property and alkali release mechanism of Zhundong coal will be studied systematically.

我国新疆准东煤储量巨大，可供全国使用100年以上，但其高钠特性导致其燃烧利用过程中存在显著的积灰结渣现象，严重威胁锅炉安全高效运行。为促进准东煤大面积推广应用，研究其燃烧特性及碱金属释放机理刻不容缓。本项目结合国内外该领域的研究现状及不足，拟利用自制的集质量传感和温度测量于一体的单颗粒炉试验系统研究准东煤在模拟炉膛快速加热条件下的燃烧特性，同时采用激光诱导击穿光谱（LIBS）和平面激光诱导荧光（PLIF）等先进光学手段在线测量准东煤燃烧过程中多形态碱金属释放特性，系统性研究高钠准东煤燃烧过程的碱金属释放机理，以此建立其碱金属释放模型，为控制燃煤过程碱金属释放提供理论指导。

新疆高钠准东煤是我国重要的煤炭资源，研究其热解燃烧特性及碱金属释放规律对准东煤的大规模安全高效利用具有重要意义。本项目利用自建的单颗粒煤实验系统实现了单颗粒准东煤的快速热解燃烧，测量获得了准东煤热解燃烧过程的温度和质量变化规律，同时利用激光LIBS技术和PLIF技术在线测量了C、H、O等主要元素及碱金属Na的动态释放过程，获得了多形态碱金属在燃煤过程中的释放规律。研究发现，颗粒尺寸和温度都将显著影响单颗粒煤的热解和燃烧过程。随着颗粒尺寸减小或温度升高，颗粒内部传热速率增大，导致颗粒中心温度的上升速率变快，最大失重速率显著增大，且热解和燃烧的反应时间提前，有利于准东煤的充分快速燃烧。对于准东煤燃烧过程中的碱金属释放研究表明，不同类型钠对各燃烧阶段钠释放的贡献大小顺序均为：水溶钠>醋酸铵溶钠>盐酸溶钠>不溶钠。在准东煤燃烧过程中，每种类型的钠均会在挥发分阶段释放。挥发分阶段结束后，焦炭阶段和灰分阶段的钠释放主要来自于水溶钠和醋酸铵溶钠两种类型。准东煤燃烧过程中释放的钠60%以上来自于水溶钠，意味着未来可通过水洗处理去除水溶钠来抑制准东煤燃烧过程的钠释放。对颗粒周围碱金属二维分布的PLIF测量结果显示颗粒释放的钠与周围热烟气的相互扩散将显著影响到钠的浓度分布。随着高度或径向距离的增大，热烟气的稀释效应更明显，从而导致观测到的钠释放浓度显著降低。由于含钠物质间化学反应和热烟气扩散相互作用的影响，各个燃烧阶段中钠原子浓度随高度方向的分布均呈现出三段式特征。本项目的研究结果促进了对准东煤燃烧过程碱金属释放机理的认识，为燃煤过程碱金属释放模型的发展提供了第一手的实验数据，为将来解决准东煤利用过程中的沾污腐蚀问题奠定了基础。在本项目资助下，目前共培养博士后1名、另有2名博士生和1名硕士生在项目研究中得到了训练；基于为期1年的研究内容共发表国内外学术论文3篇，其中SCI论文2篇，EI论文1篇。