富氧燃烧条件下灰沉积倾向的变化特性

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    富氧燃烧需要进行烟气再循环,导致烟气中co2、h2o、so2、飞灰等的浓度高于传统空气燃烧。
   
    为了达到与空气燃烧相同的炉膛辐射换热量或绝热火焰温度,富氧燃烧氧浓度通常会选择为27%或32%W,以上参数的改变均可能影响炉膛灰沉积特性。Yu等H和FVyda等的研究表明,煤粉在空气和富氧燃烧条件下的灰沉积倾向存在明显差异,他们均认为炉膛流场的变化是导致不同灰沉积特性的主要原因,但对其它因素(如灰渣特性、局部燃烧气氛等)的影响未做深入讨论。本文通过控制炉膛气流量和温度不变,重点研究燃烧模式和氧气浓度对煤灰沉积特性的影响,得到了有意义的实验结果。
   
    实验煤粉特性实验选用一种高转高铁神华烟煤进行实验,煤粉粒径小于100mim,其工业分析、元素分析和灰成分分析如表1所示。煤灰Fe203含量高达15.35%,CaO的含量更是高达21.12%.
   
    在本研究中,所有实验均采用相同的反应气体流量,因此各实验条件下煤灰沉积特性的变化可能是由于燃烧气氛的改变引起的。燃烧模式的变化导致烟气中co2和so3的浓度存在较大差异。富氧燃烧中co2浓度远高于空气燃烧,富氧条件下随着氧气浓度的升高,S03的生成浓度会升高因此推测是co2的浓度或者是灰渣的硫酸盐化导致了灰沉积特性的差异。
   
    粉末灰渣化学成分分析由于2h沉积的灰渣与4h沉积的灰猹成分相似,因此图2只给出2h灰渣成分。从图2可以发现灰渣中的主要成分是Na、Al、Si、S、Ca和Fe.对比各元素在灰渣以及高温灰中的含量可以发现,Fe和Na在灰渣中的含量均有所富集,高温灰中Fe203的相同的炉膛辐射换热量以及相同的绝热火焰温度。
   
    炉膛温度为1300°C,所有实验条件下反应气体流量均为4L/min,重点研究燃烧模式和氧含量对灰沉积的影响。
   
    取样及样品分析方法灰渣的收集通过置于炉膛中的沉积介质实现。沉积介质是规格为32x015mm的刚玉管,其外径根据斯托克斯数与实际燃煤电厂相似进行选取。需要说明的是,沉积介质未经过任何形式的冷却。取样过程中,将刚玉管水平放置于水冷取样管顶部。通过水冷取样管将刚玉管送入炉膛内部距出口10cm处(温度为200°c)收取沉积灰渣,刚玉管轴线与炉膛内气流方向垂直。每个燃烧工况下,沉积灰渣收集时间分别为2h和4h取样完成后将刚玉管在天平上进行称量,通过将取样前后刚玉管的质量进行差减获得沉积灰渣的质量,然后取部分沉积灰渣进行成分和形貌分析。而对残留在刚玉管上的沉积灰渣则使用热聚性丙烯酸树脂进行固化,并使用精密切割机沿刚玉管径向将样品切开,以便在扫描电镜下观察不同沉积层的形貌。
   
    实验主要的分析测试手段有:通过XRF分析获得灰渣的化学成分。通过SEM-EDS分析粉末灰渣和刚玉管上沉积灰渣的形貌以及微区化学成分。
   
    实验系统及燃烧工况燃烧实验在沉降炉系统中进行,该系统主要包括给粉系统、反应器和取样系统,关于给粉系统和反应器介绍可参考文献。
   
    进一步分析可以发现,富氧燃烧条件下,随着氧气浓度的升高,Fe的富集更明显,而Si、A1等难溶元素的变化规律与Fe的变化规律相反,这说明Si、A1的沉积方式与Fe存在不同。大部分Si、A1的主要沉积方式可能是以难熔矿物质的形式通过惯性碰撞被灰渣中熔融的表面所捕获。如果假设成立,那么灰渣中必然存在以这些难熔矿物质为骨架的大孔隙。又由图1可见富氧条件下随着氧气浓度升高,灰沉积倾向下降,可以推测可能是随着氧气浓度的升高,灰渲对Si、A1等组成的难熔矿物质捕集量减少导致了Fe富集更明显。
   
    图2中Ca的含量(以CaO计)变化没有明显的规律,这可能与Ca的复杂形态有关。一方面Ca可以以难熔的CaO(溶点为2580°C)存在,另一方面也可以与其它矿物质形成低温共熔体m,同时还有可能发生硫酸盐化,形成CaSOf.
   
    为了验证以上猜测,对粉末灰渣以及沉积管上的灰渣进行SEM表征,具体分析如下。
   
    沉积管上灰渣剖面微观形貌从图3可以发现灰渣内部有很多孔隙,这证明灰渣中不仅有熔融矿物质的沉积,还有一些不熔矿物质被熔融的灰渣表面所捕获,沉积在管子上形成了灰渣中孔隙的骨架。孔隙的大小以及数量反映了灰渣熔融表面对不熔矿物质的捕集能力,这种捕集能力的大小在一定程度上反映了灰渣表面的熔融程度。剖面孔隙越多,捕集能力越强,熔融程度越高。
   
    含量为15.8%,Na20含量2.11%,而在灰渣中Fe203的含量为20%33%,Na20含量为2.3%5.1%,对应的Si、A1相比其在高温灰中的含量有所减小。巳经有研究证明Fe和Na是结渣初始形成层和熔融相的主要成分。
   
    将不同工况下灰渣剖面SEM图进行比较可以发现,剖面孔隙数量、大小的变化规律与灰渣中Si、A1变化规律相同。随着氧气浓度的升高,孔隙越少,灰渣越致密。而相应的灰渣中Si、A1的含量减少。这说明灰渣中的孔隙可能主要是以Si、A1组成的难熔矿物质为骨架。
   
    粉末灰渣的微观形貌从图4、图5中可以发现大部分的Fe在灰渣中主要以熔融球形的Fe、Ca、Si低温共熔体形式存在。
   
    是灰渣中熔融相的主要组成成分,因此燃烧气氛对Fe、Ca、Si低温共熔体形成的影响可能是导致灰沉积特性出现差异的原因之一。相同氧气浓度下,从空气燃烧变化到富氧燃烧,颗粒内部的还原气氛增强。还原性气氛有助于含Fe矿物质与Ca和Si形成熔点更低的低温共熔体(如二价铁低温共熔体),导致相同氧气浓度富氧燃烧灰沉积更严重(图1)。
   
    图4和5显示,Ca在灰渣中除了以Ca、Fe、Si低温共溶体的形式存在外还以CaO和CaS04的形式存在。当CaO发生硫酸盐化时,可能会阻止CaO与含Fe、Si矿物反应,一方面导致熔融的Ca、Si、Fe低温共熔体生成量减少,另一方面CaS04熔点较高,覆盖在熔融的表面上形成了较致密的表面,阻止了灰渣表面对难熔矿物质的捕获。由灰渣的成分分析(图2)可以知道随着氧气浓度的升高,灰渣中S含量有所升高,SEM-EDS分析发现,随着氧气浓度的升髙,灰渣中CaS04含量更多,因此可知随着氧气浓度的升高,更多的CaO发生硫酸盐化。这使得氧气浓度升高,灰渣对Si、A1难熔矿物质的捕获减少。
   
    因此随着氧气浓度的升高,Si、A1在灰渣中的含量减少(图2),灰渣更致密(图3)。在灰渣中可以观察到一些难熔的大颗粒,主要成分为Si和A1,这也说明了在灰渣中Si、A1是不熔矿物质的主要成分,构成了灰渣中孔隙的骨架。
   
    结论
   
    本实验选用了一种高铁、高钙神华煤,通过控制炉膛气流速度不变,重点研究了燃烧气氛和氧气浓度对煤灰沉积的影响。在所研究的实验条件下,得到以下几点重要结论:1)燃烧条件对神华煤灰沉积特性有很大的影响,相同氧浓度下,富氧燃烧灰沉积比空气燃烧更严重;在富氧燃烧条件下,随着氧气浓度的增大,灰沉积倾向减弱。2)改变燃烧条件不影响灰渣中元素的种类,但是影响其相对含量。3)富氧条件下,随着氧气浓度升高,灰渣孔隙减少,灰渣更致密。
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