中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

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[学位论文] 徐欣月太原理工大学 2022年硕士导师: 刘海玉共83页

摘要 : 当前中国北方地区农村居民炊事和采暖仍以燃煤为主，民用燃煤大多是直燃直排，造成很大的环保负担，尤其是颗粒物排放对于大气的污染以及居民身体健康的损害十分严重。燃用洁净型煤并使用配套的炊暧炉既能有效减轻污染物排放，又能满足居民的生活需求... 展开当前中国北方地区农村居民炊事和采暖仍以燃煤为主，民用燃煤大多是直燃直排，造成很大的环保负担，尤其是颗粒物排放对于大气的污染以及居民身体健康的损害十分严重。燃用洁净型煤并使用配套的炊暧炉既能有效减轻污染物排放，又能满足居民的生活需求，在现实国情下具有较高的可行性与经济性。焦粉作为一种高热值的工业副产品，具有较高的利用价值。基于其难燃的特点，本文将秸秆与焦粉掺混制备型煤改善其燃烧性能，通过自制的大颗粒热重实验台对焦粉型煤的燃烧特性及动力学模型进行研究，并针对其燃料特性设计配套使用的炊暖炉。另外，基于炉具简化的二维烟道结构建立飞灰沉积模型，以颗粒物捕集为目的对飞灰在不同烟道结构内的沉积特性进行数值模拟研究。本文主要工作内容如下：（1）自制的热重实验装置（最大称量值为320g，精度为0.001g）能够实时监测恒定高温下大颗粒、大质量燃料的失重过程，基于LABVIEW开发环境编写的配套软件能实现可视化人机交互界面。将HTG-1系列热重分析仪与自制热重实验台的实验数据进行对比，证实了实验装置的可靠性。（2）在自制的大颗粒热重实验装置上进行焦粉与秸秆混合成型燃料的等温燃烧实验，分别研究了焦粉与秸秆掺混比为90∶10、85∶15、80∶20、75∶25、70∶30时，在800、900、1000℃下的燃烧特性，根据等温法计算出成型燃料的反应动力学参数。结果表明：温度的升高以及秸秆比例的增加都会使焦粉型煤的燃烧速度加快，燃尽时间明显缩短，认为秸秆改善了焦粉的难燃特性；不同掺混比的焦粉型煤在800～1000℃内恒温燃烧的反应级数在0.9～2之间变化；活化能和指前因子都随着秸秆掺混比例的增加而减小，秸秆含量从25%增加到30%时两者会有一个突变，大幅度降低。（3）根据焦粉型煤的燃烧特性，确定炊暖炉的炉膛容积热负荷和炉排可见热强度分别为375kW/m3、200kW/m3，然后在此基础上通过燃料的燃烧计算确定炉具的燃料消耗量，并结合相关文献计算得到炉膛、烟囱等主要设计参数。本文设计的炊暖炉属于正烧炉，具有三级配风，底面进风提供燃料燃烧所需的空气，一次风补充入口辅助堆积的燃料层燃烧，二次风经通风腔预热后从炉膛顶部折面处喷入，保证燃料燃烧完全。多回程烟道延长烟气在炉内的停留时间，通过周界水箱和换热管，保证炉具的热效率。（4）基于炊暖炉简化的二维烟道结构，建立飞灰的颗粒沉积模型，分析颗粒在不同烟道结构内的沉积特性以及颗粒粒径对沉积率的影响。结果表明：在烟道内添加波纹板以及挡板可实现对飞灰颗粒的捕集，波纹板和挡板布置方式对颗粒沉积率有较大影响；粒径在10～2.5μm之间时，颗粒沉积率与粒径成正比，而粒径在2.5～0.1μm之间时，颗粒沉积率与粒径成反比。收起

关键词 : 炊暖炉结构设计飞灰沉积燃烧特性

2. 煤燃烧中结渣判别指数及飞灰沉积过程综合数值模拟

[学位论文] 唐孝清华中科技大学 2009年硕士导师: 柳朝晖共59页

摘要 : 在煤粉燃烧过程中，水冷壁及受热面积灰、结渣是严重影响煤粉炉安全、高效运行的关键因素之一，其合理的预测方法对于电站锅炉煤种及运行工况的优化具有重要意义。本文围绕结渣预测及数值模拟开展研究。论文首先在总结比较了不同煤灰粘度计算模... 展开在煤粉燃烧过程中，水冷壁及受热面积灰、结渣是严重影响煤粉炉安全、高效运行的关键因素之一，其合理的预测方法对于电站锅炉煤种及运行工况的优化具有重要意义。本文围绕结渣预测及数值模拟开展研究。论文首先在总结比较了不同煤灰粘度计算模型的基础上，提出了采用计算煤灰粘度的方法来初步预测煤种的结渣特性。在小于104P（poise）的粘度范围采用Kalmanovitch模型计算煤灰粘度，在大于104P的粘度范围采用Senior&Srinviasachar模型计算煤灰粘度。根据结渣过程的临界粘度制定判断依据：大于105P为轻微结渣的粘度范围，104P到105P为中等结渣的粘度范围，小于104P为严重结渣的粘度范围。对印尼煤、伊泰煤等10个煤种的结渣特性进行判断，结果比一般的结渣指数表现得更准确。论文继而建立了模拟燃煤过程中积灰、结渣过程的综合数值模型，包含三个主要子过程：飞灰的形成、输运和沉积子过程。采用的模型包括完全聚结、部分聚结飞灰形成模型，随机轨道、颗粒云飞灰输运模型，基于临界速度的飞灰碰撞模型，基于临界粘度的飞灰粘附模型等。在该综合模型基础上对帝国理工(ICSTM)的300KW煤粉试验炉的积灰过程开展了数值模拟，计算结果能合理地预测煤粉炉内的结渣情况。论文进而比较了不同成灰模型和输运模型对结渣模拟结果的影响，结果表明：对于实验煤种，部分聚结模型形成的飞灰粒径比完全聚结模型的要小，而输运过程中的随机轨道模型减小了不同成灰模型对沉积结果的影响；颗粒云模型在计算的效率上要明显地优于随机轨道模型，但是颗粒云模型由于对小颗粒的在近壁面区域输运作用考虑不足，其预报的壁面沉积数通量和粒径分布结果与随机轨道模型存在一定差异，但在关键的沉积速率和成分分布上两者吻合较好。收起

关键词 : 电站锅炉煤粉燃烧结渣特性判别指数飞灰沉积数值模拟

3. Shell煤气化飞灰冷态沉积行为的研究

[学位论文] 赵清良安徽理工大学 2013年硕士导师: 董众兵;李寒旭共87页

摘要 : 近年来，中石化Shell煤气化装置合成气冷却器常出现积灰堵灰问题，影响了企业的正常生产，因此，针对飞灰的沉积特性进行研究显得很有必要。以Shell煤气化飞灰(FC、FD)与电厂飞灰(FA、FB)为研究对象，通过激光粒度分析仪、X射线荧光光谱仪、扫描电镜、... 展开近年来，中石化Shell煤气化装置合成气冷却器常出现积灰堵灰问题，影响了企业的正常生产，因此，针对飞灰的沉积特性进行研究显得很有必要。以Shell煤气化飞灰(FC、FD)与电厂飞灰(FA、FB)为研究对象，通过激光粒度分析仪、X射线荧光光谱仪、扫描电镜、粉体综合特性测定仪等仪器对飞灰样品的粒度分布、化学组成、微观形貌、粉体特性等性质进行分析，研究飞灰间理化性质的差异，在Shell煤气化飞灰冷态模拟实验平台上进行飞灰沉积实验，寻找不同的飞灰化学组成、粒度、粉体特性和气流量等指标对飞灰沉积行为的影响规律，并对飞灰飞行轨迹进行数值模拟。所得结论如下: 1.Shell煤气化飞灰灰熔融温度较低，钙、硫含量较高，粒径小，粒度分布区间较窄，而电厂飞灰灰熔融温度较高，硅、铝含量较高，粒径大，粒度分布区间较宽，生产工况的不同导致了Shell煤气化飞灰与电厂飞灰理化性质的差异。 2.FA、FB飞灰沉积质量比FC、FD飞灰多;FA、FB飞灰较FC、FD飞灰粒度分布区间宽、中位径大;飞灰的化学成分中Al2O3含量大小为FA＞FB＞FC＞FD;FA飞灰安息角较大，其余三种飞灰安息角较小;喷流性指数大小为FB＞FA＞FC＞FD。飞灰粒度分布区间宽、中位径大、Al2O3含量多、安息角大以及喷流性指数高是导致飞灰沉积量大的原因，其中粒度分布区间宽与中位径大是主要原因。 3.飞灰沉积过程中，极小颗粒（0～5μmFA、FB与0～1μmFC、FD）含量逐渐增多，飞灰颗粒(38～75μm)含量在沉积初期（30s或60s）最多。说明极小颗粒较其他颗粒易沉积，颗粒(38～75μm)在初期较其他粒度颗粒易沉积。飞灰沉积质量随气流量的增加而增大，说明在一定范围内增大气流量，有利于飞灰的沉积。随着气流量的增大，沉积飞灰中位径先增大后减小。通过数值模拟，得出颗粒粒径对飞灰飞行轨迹几乎无影响，按照曲线轨迹飞行。收起

关键词 : Shell煤气化装置飞灰沉积行为气流量数值模拟粉体特性

4. 高钠准东煤循环流化床燃烧过程飞灰沉积特性及床料颗粒团聚机理

[学位论文] 刘卓重庆大学 2022年博士导师: 李建波共170页

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

关键词 : 循环流化床锅炉高钠准东煤燃烧过程飞灰沉积特性床料颗粒团聚