高钠准东煤在循环流化床燃烧中的受热面沾污结渣和床料烧结特性研究

Severe ash fouling and slagging problems during combustion of Zhundong lignite in Circulating Fluidised-Bed (CFB) boilers have occurred and greatly influenced its stable operation. This project is therefore aimed to investigate the fouling and slagging characteristics of the ashes on heat transfer surfaces as well as the sintering characteristics of bed materials during combustion of Zhundong lignite in CFB boilers. Meanwhile, this project is aimed to develop strategies including water washing, coal blending and the use of additives to mitigate its fouling, slagging and sintering characteristics. These aims could be achieved through the analysis into the chemical composition, mineralogical and morphological characteristics, fusion and sintering temperatures of the ash samples prepared on air-cooled ash sampling probes at different locations in the lab-scale CFB system. The results of this project are expected to provide comprehensive understandings on the key fundamental research problems including the release, solidification and transformation of alkali and alkali earth, the concentration and mineralogy of alkali and alkali earth, the reaction mechanisms between alkali vapour and other minearls, the effect of alkali and alkali earth on the sintering of bed materials, and the influence of water washing, coal blending and additives during combustion of Zhundong lignite in CFB boilers. The outcome of this project is expected to provide fundamental scientific support for clear and effective combustion of high sodium Zhundong lignite.

循环流化床燃烧高钠准东煤时受热面的积灰结渣严重影响了锅炉电站的正常运行。本项目旨在研究循环流化床燃烧准东煤时受热面沾污结渣特性和床料烧结特性，并探讨不同方法（水洗、混煤、以及使用添加剂）对固定碱金属蒸汽以及缓解受热面沾污特性和床料烧结特性的影响。实验研究首先在实验室等级循环流化床试验系统上利用炉内不同位置的空冷控温取样枪制取灰样。然后对制取灰样和床料的化学成分、矿物组成、熔化温度、烧结温度以及其表观形态进行研究分析表征。通过上述分析研究，该项目拟解决流化床燃烧准东煤的关键问题包括碱金属和碱土金属在炉内燃烧过程中的蒸发、固化和转化特性、其在炉内各受热面的浓度和矿物组成差异、碱金属和碱土金属对床料烧结的影响以及水洗、混煤和使用添加剂对减缓受热面沾污特性和床料烧结特性的影响。实验结果能够加深对循环流化床燃烧准东煤时受热面沾污结渣和床料烧结的理解，为清洁高效燃烧准东煤提供扎实的科研基础。

新疆准东煤田预测储量高达3900亿吨，可供全国使用近百年，但因煤灰中钠含量高达10%而制约了其规模化利用。循环流化床（CFB）是大规模高效清洁利用高钠准东煤的主要技术之一，然而其在实际运行中遇到受热面沾污和床料颗粒聚团问题，成为电站锅炉“长、安、稳”运行的技术瓶颈。本项目在固定床和小型CFB内开展了准东煤成灰特性、炉内不同位置受热面沾污特性和床料颗粒聚团特性的实验研究，通过对沉积灰、飞灰和床料的微观形貌、矿物组成和化学组分等分析表征，获得了碱金属钠及碱土金属钙和镁在CFB内的迁移转化规律，阐明了灰分在不同位置受热面上的沉积特性及其与床料的相互作用机制，探讨论证了混煤、使用添加剂、替代性床料、水洗以及低温燃烧和烟气再循环对受热面沾污和床料颗粒聚团的具体影响，在此基础上提出了缓解受热面沾污和床料颗粒聚团的可行性措施，为高钠准东煤在CFB内的清洁高效利用提供了理论依据和工业应用基础数据。研究发现，当CFB温度为950℃时，分离器出口取样探针的迎风面积灰呈层状结构-内层富含微米级Ca/Na矿物且已发生烧结，这些低熔点Ca/Na硫酸盐等矿物的存在导致了受热面的沾污；以石英为床料时，床料颗粒包覆Ca/Mg/Si/Fe亚微米颗粒，且通过Ca/Na硅酸盐烧结“颈”形成聚团。当密相区温度降为800℃和750℃时，受热面的沾污倾向和床料颗粒聚团得到缓解，其主要原因是低温燃烧降低碱金属的释放以及低熔点矿物的粘性；采用烟气再循环时，更多的碱金属Na富集在底渣中，受热面沾污倾向得到缓解，但加剧了床料颗粒聚团；混燃油页岩半焦有效减缓了灰沉积和床料聚团，主要是因为其中的硅铝酸盐对碱金属钠的捕获作用。采用替代性床料时，床料颗粒聚团显著改善，但与此同时加剧了受热面的沾污。以项目研究内容为基础，发表SCI论文9篇、国际会议论文3篇、授权发明专利3项，应邀做国际会议邀请报告2次、培养博/硕士研究生2名。