摘要: 我国新疆地区的准东煤预测储量高达3900亿吨，但煤中碱金属Na含量普遍偏高，在锅炉燃烧过程中造成严重的受热面沾污、结渣问题，限制了准东煤的大规模利用。循环流化床（CFB）燃烧技术凭借其燃料适应性广、中低温燃烧的特点，具有规模化利用准东煤的潜... 展开 我国新疆地区的准东煤预测储量高达3900亿吨，但煤中碱金属Na含量普遍偏高，在锅炉燃烧过程中造成严重的受热面沾污、结渣问题，限制了准东煤的大规模利用。循环流化床（CFB）燃烧技术凭借其燃料适应性广、中低温燃烧的特点，具有规模化利用准东煤的潜在优势，然而实际运行过程中仍出现不同程度的受热面积灰与床料颗粒团聚问题，成为CFB锅炉“长、安、稳”运行的技术瓶颈。这背后涉及碱金属Na的迁移与转化机理、碱金属Na与床料颗粒之间的相互作用机理等关键科学问题。 针对这些科学问题，本文通过在0.2t d-1CFB燃烧系统上进行的实验工作，总结了高钠准东煤在CFB燃烧过程的飞灰沉积特性，探究了温度、气固流动等因素对积灰的具体影响，同时明晰了准东煤灰与床料颗粒的相互作用机理。在此基础之上，验证了燃烧温度、烟气再循环、替代性床料和掺烧对受热面积灰和床料颗粒团聚的影响，建立了碱金属Na迁移和转化特性与积灰和颗粒团聚之间的联系，旨在为CFB规模化利用准东煤等高碱金属燃料提供理论依据和工程应用基础数据。 本文的主要研究内容及结论如下： ①在飞灰沉积特性方面，分析表征了安装在炉膛顶部、分离器出口以及尾部烟道的取样探针上的积灰形貌和成分。结果表明：炉膛顶部取样探针（P1）表面形成白色积灰薄层，其主要成分为Ca/Na硫酸盐，炉内强烈的气固扰动是灰颗粒不易沉积的主要原因，也是CFB锅炉相较于煤粉炉的主要优势之一；分离器出口取样探针（P2）迎风面形成3mm高的锥形烧结灰层，其内层主要为Ca/Na硫酸盐，而外层为Ca/Na硅铝酸盐，说明该区域的灰沉积现象仍然严重；尾部烟道取样探针（P3-P4）积灰则较为松散，成分与飞灰类似。低熔点Ca/Na基硫酸盐及其共熔体的存在是准东煤在CFB燃烧过程产生严重积灰的主要原因。 ②在床料颗粒团聚机理方面，分析表征了底渣颗粒表面与截面形貌和成分，明晰了床料表面的包覆层形成机理。结果表明：底渣颗粒由未团聚颗粒和大于1mm团聚粗颗粒组成，说明严重的床料颗粒团聚出现。未团聚底渣颗粒表面形成一层富含Ca/Mg/Fe硅铝酸盐但少Na的包覆层；团聚粗颗粒则由多个床料颗粒通过富含Ca/Na/Si共熔体的“颈”结构烧结形成，显著增加了底渣颗粒粒径。环境扫描电镜（ESEM）原位灰熔融特性分析表明Ca/Mg/Fe的包覆层和Ca/Na/Si的“颈”结构在1100℃出现显著熔融，证实其具有较低的灰熔融温度。粘性包覆层和低熔点Ca/Na基矿物的存在促进了床料颗粒团聚。 ③在燃烧温度作用机理方面，分析表征了底渣、飞灰和积灰颗粒形貌与成分，阐明了其对碱金属Na迁移转化特性的影响。结果表明：CFB密相区床温为800和750℃时，底渣颗粒富含大量低熔点Na基矿物，如Na2SO4和Na6Ca(SO4)4，在颗粒表面形成不完整的包覆层；P1和P2积灰则由富含Ca/Na硫酸盐的粒状亚微米颗粒组成。这归因于CFB燃烧温度低于Na基矿物熔融温度，导致颗粒主要以低粘性、固相形式存在，显著降低了颗粒的团聚与烧结程度。降低燃烧温度在一定程度上能够缓解受热面积灰和床料颗粒团聚。 ④在烟气再循环作用机理方面，分析表征了底渣、飞灰与积灰颗粒形貌与成分。结果表明：加装烟气再循环装置，底渣颗粒主要富含CaSiO3和NaAlSi3O8，出现了更为严重的床料颗粒团聚；随着再循环烟气流量增加，底渣富含更多Na/Fe基矿物，如Na6(AlSiO4)6和MgFe2O4，加剧了床料颗粒团聚。而飞灰、P1与P2积灰颗粒中Na含量显著降低，且由烧结程度较低的亚微米颗粒及其团聚体组成。这归因于烟气温度降低，颗粒粘性与烧结程度显著降低。烟气再循环能够缓解受热面积灰，但在一定程度上加剧了床料颗粒团聚。 ⑤在替代性床料作用机理方面，以Mg基钢渣和高炉渣为床料，明晰了包覆层形成对床料颗粒团聚的影响。结果表明：钢渣为床料时，底渣颗粒中Na含量仅为0.84wt%，抑制了床料颗粒表面包覆层的形成，这归因于其与碱金属Na较低的反应能力；而飞灰中含有更多的Na，高达2.39wt%，且以低熔点矿物形式存在，如(Na0.8Ca0.1)2SO4、Na2SO4、Na2Si2O5和NaCl，诱导了严重的受热面积灰。然而，准东煤燃烧生成的低熔点Ca/Na硅酸盐仍然存在，诱导少量团聚粗颗粒的出现。相较于钢渣床料，高炉渣为床料时并没有发现团聚粗颗粒的出现，这主要归结于其与碱金属Na较低的反应能力及特殊的表面结构，抑制了颗粒表面粘性包覆层的形成。高炉渣作为替代性床料具有缓解床料团聚的潜力，但加剧了受热面积灰。 ⑥在掺烧油页岩半焦作用机理方面，阐明了油页岩半焦对碱金属Na的清除机理。结果表明：在掺烧过程中，Na蒸气或气溶胶能够扩散进入孔隙丰富、富含Si/Al的油页岩半焦颗粒内部，与硅铝充分反应；而Ca/Mg细颗粒则主要粘附在油页岩半焦颗粒表面。随油页岩半焦掺烧比例增加，Na在底渣颗粒中矿物组分由(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8转化为NaAlSi3O8，抑制了准东煤燃烧生成的低熔点Ca/Na硅酸盐的出现，并且降低了床料表面包覆层厚度，缓解了床料颗粒团聚。ESEM原位灰熔融分析揭示富集Na基矿物的油页岩半焦颗粒熔融温度为1280℃，不足以诱导床料颗粒团聚。Na在飞灰与积灰颗粒中含量显著降低，且其赋存形态从水溶性钠转变为硅铝酸钠，降低了飞灰颗粒的沉积倾向。掺烧油页岩半焦能够缓解受热面积灰与床料颗粒团聚。 收起