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《動(dòng)力工程學(xué)報(bào)》2014年第六期

1實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法

1．1實(shí)驗(yàn)煤樣分析選取新疆某高堿煤及其在實(shí)際鍋爐幾組典型受熱面上（如分隔屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、末級(jí)再熱器、末級(jí)過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器等）的沾污灰樣為研究對(duì)象，研究實(shí)際鍋爐內(nèi)高堿煤燃燒過(guò)程中灰樣中主要元素的遷移規(guī)律及其對(duì)煤灰沾污和結(jié)渣特性的影響機(jī)制．實(shí)驗(yàn)煤樣與灰樣的分析數(shù)據(jù)以及灰樣成分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2．

1．2實(shí)驗(yàn)方法為了進(jìn)一步研究高堿煤燃燒過(guò)程中沿鍋爐煙氣流動(dòng)方向爐內(nèi)各高溫對(duì)流受熱面沾污灰樣的熔融特性及其灰成分的分布規(guī)律，以某300MW亞臨界電站鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)鍋爐分隔屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、末級(jí)再熱器、末級(jí)過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器等部位的沾污灰樣進(jìn)行取樣，并對(duì)灰樣進(jìn)行X射線熒光儀（XRF）、電子掃描電鏡和能譜分析（SEM－EDX）等分析測(cè)試，以此來(lái)研究高堿煤燃燒過(guò)程中灰樣中Na、Ca、S和Fe等主要元素及其礦物質(zhì)的分布規(guī)律，為指導(dǎo)鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供技術(shù)支持．

2結(jié)果與討論

2．1燃燒過(guò)程中爐內(nèi)灰樣成分的變化規(guī)律圖1給出了灰樣中主要化學(xué)成分隨鍋爐煙氣溫度的分布．為了能夠較好地分析鍋爐不同部位灰樣的沾污和結(jié)渣程度，采用堿酸比RB／A來(lái)考察鍋爐不同煙氣溫度區(qū)間內(nèi)灰樣的沾污程度．堿酸比越大，說(shuō)明此時(shí)的灰樣越容易沾污，且沾污程度也越大［10］．堿酸比的計(jì)算公式為。圖2和圖3分別給出了高堿煤燃燒過(guò)程中灰樣中主要化學(xué)成分及堿酸比隨煙氣溫度的分布．表3給出了各主要受熱面灰樣的成分分析．由圖2可知，灰樣中酸性氧化物（SiO2和Al2O3）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1100℃時(shí)的28．08％升高至800℃時(shí)的42％，隨著煙氣溫度的繼續(xù)降低，酸性氧化物（SiO2和Al2O3）•439•的質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于平穩(wěn)；在800～1100℃煙氣溫度范圍內(nèi)，灰渣中CaO、MgO和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，主要成分為CaSO4等物質(zhì)；當(dāng)煙氣溫度為600～800℃時(shí)，灰樣中Na2O、Fe2O3和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，Na2O和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2．9％～4．5％和8．5％～14．4％．這是由于在高堿煤燃燒過(guò)程中，煤中的Na（或K）等易揮發(fā)堿金屬元素在燃燒區(qū)（1200～1400℃）直接升華為氣態(tài)的Na（或K）或者Na2O（或K2O）蒸汽，而這些氣態(tài)納米級(jí)的Na（或K）或者Na2O（或K2O）蒸汽在600～900℃溫度區(qū)間內(nèi)易發(fā)生冷凝，并進(jìn)一步捕捉煙氣中的SO2／SO3、CaO和Fe2O3等，形成Na2SO4、CaSO4和NaFeSO4等物質(zhì)，而過(guò)熱器處灰樣中Na2O和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一個(gè)較大的突增，這主要與Na2O和K2O在該溫度區(qū)間（600～850℃）內(nèi)易發(fā)生冷凝，并捕捉煙氣中的SO2／SO3，從而生成Na2SO4有關(guān)．由此可見(jiàn)，在高堿煤燃燒過(guò)程中，灰樣中的Fe、Na、S和Ca等元素對(duì)其沾污和結(jié)渣特性的影響最大［9］．其中，F(xiàn)e元素主要影響灰樣的初始熔融以及爐膛高溫區(qū)域熔渣的形成；Na、S和Ca元素對(duì)爐內(nèi)高溫受熱面沾污及其沾污程度的影響最大．

2．2燃燒過(guò)程中各受熱面沾污灰樣的熔融特性為了進(jìn)一步分析高堿煤燃燒過(guò)程中各受熱面沾污灰樣的熔融特性，對(duì)收集的灰樣進(jìn)行了XRF成分分析和SEM形貌分析，并利用Factsage6．1計(jì)算軟件根據(jù)各灰樣的成分進(jìn)行了化學(xué)平衡計(jì)算［11］，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4．由圖4可知，灰樣B、灰樣C、灰樣D和灰樣E在較低溫度范圍（850～900℃）內(nèi)就開始有液相析出，且當(dāng)溫度為900℃時(shí)，灰樣B、灰樣C、灰樣D和灰樣E的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17％、32％、30．5％和44．6％．圖5給出了各灰樣的SEM微觀形貌．由圖5可以看出，灰樣B、灰樣C、灰樣D和灰樣E均出現(xiàn)了部分熔融態(tài)，灰樣A和灰樣F則主要以固態(tài)形式出現(xiàn)，這與理論計(jì)算和實(shí)際鍋爐運(yùn)行情況相符，即在669～915℃煙氣溫度區(qū)間內(nèi)，鍋爐高溫對(duì)流受熱面的沾污最嚴(yán)重．

2．3燃燒過(guò)程中Na元素的沾污機(jī)理由于高堿煤燃燒過(guò)程中Na元素的釋放、冷凝對(duì)鍋爐高溫受熱面的沾污起著至關(guān)重要的作用．高堿煤燃燒過(guò)程中Na元素不論是以分子形式還是以原子形式釋放出來(lái)，都不能完全穩(wěn)定存在，它們很快與其他成分反應(yīng)生成Na的鋁硅酸鹽、NaCl、Na2SO4和Na（OH）2等［12］，而不同鈉鹽在受熱面上的沾污機(jī)理又不盡相同．因此，利用SEM－EDX分析測(cè)試手段對(duì)灰樣C的顆粒進(jìn)行了SEM－EDX分析（見(jiàn)圖6）．由圖6可知，顆粒表面上附有富含粒徑為2～4μm的Na和S的細(xì)小顆粒，生成Na的硫酸鹽（如Na2SO4等）．高溫下Na2SO4具有較低的熔點(diǎn)（884℃），在669～915℃煙氣溫度范圍內(nèi)具有較大黏度［12］．這些粒徑小于10μm的鈉鹽顆粒在600～800℃煙氣溫度范圍內(nèi)易冷凝在受熱面表面或灰樣顆粒表面，而Na2SO4等微米級(jí)顆粒在該溫度范圍內(nèi)具有較大的黏度，極易捕捉煙氣中的飛灰顆粒或者使其黏附的顆粒具有一定的黏性．當(dāng)灰樣顆粒與受熱面碰撞時(shí)，顆粒表面上黏性較大的Na2SO4非常容易黏結(jié)在受熱表面上，這2種方式使燃用高堿煤時(shí)在600～950℃溫度范圍內(nèi)的受熱面沾污嚴(yán)重．隨著沾污程度的加深，高溫下硫酸鹽作為腐蝕劑緊貼在受熱面表面，造成了高溫腐蝕，特別是當(dāng)煤中Cl元素的含量較高時(shí)，高溫腐蝕程度和速度更為嚴(yán)重．因此，高鈉煤引起的沾污是高溫黏性積灰和高溫腐蝕綜合作用的結(jié)果．

3結(jié)論

（1）在800～1100℃煙氣溫度范圍內(nèi)，灰樣中CaO、MgO和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其主要成分為CaSO4等物質(zhì)．當(dāng)煙氣溫度為600～800℃時(shí)，灰樣中Na2O、Fe2O3和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，Na2SO4、CaSO4和NaFeSO4等物質(zhì)是導(dǎo)致高堿煤燃燒過(guò)程中高溫對(duì)流受熱面發(fā)生嚴(yán)重沾污的主要原因．（2）雖然669～915℃煙氣溫度區(qū)間內(nèi)灰樣的堿酸比不是最大，但該溫度區(qū)間發(fā)生初始熔融的溫度以及所在溫度的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比其他部位灰樣的要嚴(yán)重，這主要與該溫度范圍內(nèi)灰樣中Na、Fe和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高有關(guān)．（3）灰樣C顆粒的SEM－EDX分析表明，在顆粒表面附著有2～4μm鈉的硫酸鹽顆粒，而Na2SO4等顆粒在高溫下（約880℃）具有較高的黏性和較低的熔點(diǎn)，這是導(dǎo)致該溫度下發(fā)生嚴(yán)重沾污的主要原因之一．

作者：代百乾烏曉江張忠孝單位：上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院