上海理工大学张忠孝教授团队详解卧式液态排渣旋风炉的高碱煤燃烧效果

图2 不同试验台设定温度下的成渣情况

不同温度区域的渣样不同。温度较高区域中的液渣样品呈现较高的玻璃化程度，形成几乎没有缝隙的致密光滑平面；而相对于高温燃烧区域，中温区域的液态渣样品基本熔融并交联在一起，同时表面凹凸不平，烧结程度较为严重。

图3 不同温度区域渣样微观形貌和能谱分析

中温燃烧区域的液渣成分主要以Fe、O、Si为主；对于温度1 320～1 420 ℃的液渣样品，高温燃烧区域液渣中的K、Na质量分数较高，且在高温燃烧区域未检测到S元素。高碱煤在液态排渣旋风炉燃烧时，煤中含Na、K物质易升华、冷凝，挥发后的碱金属或碱金属氧化物会以气态形式存在于锅炉烟气中。当炉膛内壁成渣时，炉内自身液渣会与高碱煤发生相互的边界反应，而在此界面反应中，炉膛内壁的液渣能捕获挥发在烟气中的Na、K，并使其游离到硫酸盐晶系中或液渣的Si-Al体系中形成稳定的高熔点化合物Na 4Ca(SO 4) 3·2H 2O、NaC a2HSi 3O 9、KCaAl 3Si 3O 12(H 2O) 5，使烟气中碱金属、碱土金属含量降低，进而抑制内白层的形成，缓解受热面黏污、结渣。

图4 不同位置能谱分析

炉膛内壁成渣时，在炉膛的中心区域，由于煤粉以旋流喷方式射入炉膛，加之空气的高速旋转运动，使该区域燃料浓度较低，导致温度水平出现低谷。在炉膛中心到炉壁之间的过渡区域，大部分燃料的剧烈燃烧和强烈的气流旋转使得火焰温度快速上升至峰值，从而在横截面上形成环状高温区。而在轴向方向上，由于煤粉从被加热到燃烧存在一个过程，因此该方向上温度逐渐升高，在筒体的后半段燃烧最充分，温度也最高，在炉膛出口附近温度又有所下降，从整体上看炉内总体温度分布比较均匀。设定温度为1 300、1 400 ℃时炉膛内温度总体均匀稳定，且炉膛内温度整体大于1 200 ℃。

图5 炉内径向和轴向温度情况

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固碱率分析

卧式液态排渣旋风炉内自身液渣捕捉碱金属进而发生界面反应，使碱金属Na、K随液渣流入凝渣池，排出炉膛，从而减少烟气中的碱金属含量。通过计算卧式液态排渣旋风试验炉内成渣时Na、K、Na+K的固碱率从而分析卧式液态排渣旋风炉燃高碱煤时液渣对碱金属Na、K的捕捉效率。

炉膛内成渣时固碱率均能达到50%以上，最高达到61.01%。在没有添加剂的情况下，高碱煤自身固态灰对Na的捕捉率为38.87%，而添加了高岭土后，其捕捉率为50.92%。

自身固态灰、添加高岭土两者对Na的捕捉效率均比液渣捕捉Na的效率低；1 400 ℃的固碱率大于1 300 ℃，且在α=1.2时固碱率较大，α=0.9时固碱率较小，这是由于烟温也是影响新疆高碱煤炉内黏污、结渣程度的关键因素，温度越高、燃烧越完全，含S化合物分解更完全，更易与烟气中的Na、K元素反应形成硫酸盐，进而被液渣捕获生成高熔点的Na、K硅铝复盐。

图6 液渣捕捉碱金属效率

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准东高碱煤燃烧旋风炉内积灰分析

飞灰颗粒表面呈现出2种完全不同的区域，在谱图13、14区域，颗粒表面呈平整光滑的平面，玻璃化程度明显；而在谱图15、16区域则能清楚看到大部分灰颗粒沉积在玻璃化颗粒表面，致使表面凹凸不平，飞灰沉积现象明显。

在玻璃化程度明显的谱图13、14区域中碱金属Na、K、Ca含量相对于谱图15、16明显偏高，尤其是碱金属K，在谱图15、16区域均未检测到，且在这2个区域出现Fe元素的富集，同时在谱图13、14区域，Al、Si含量也相对较高，故推测其主要为石英颗粒。

图7 中温燃烧区典型微观形貌和能谱分析

液态排渣卧式旋风炉燃用高碱煤时炉内液渣能有效捕获烟气中Na、K碱金属，使其随液渣流入凝渣池，排出炉膛，从而降低烟气中的碱金属、碱土金属含量，在一定程度上能抑制炉内飞灰在石英颗粒表面的沉积，有效缓解受热面黏污、积灰问题。石英颗粒表面出现Fe元素的富集，同时说明了该试验煤种在卧式液态排渣旋风炉中燃烧时，Fe系化合物的富集对液渣形成影响较大，易黏结在石英颗粒表面并增加其黏性，加强烧结层捕获灰颗粒的能力，促进渣层生长。

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结论

1）卧式液态排渣旋风炉燃用试验高碱煤炉内形成液渣时,液渣中Fe元素会黏结在石英颗粒表面，增加其黏性，加强烧结层捕获灰颗粒的能力，促进渣层生长，因此 试验煤种Fe元素对液渣的形成影响较大。

2） 采用卧式液态排渣旋风炉燃高碱煤能有效缓解炉膛内壁黏污、结渣问题，同时高温燃烧区相对于低温燃烧区缓解效果较为明显。

3）高碱煤在卧式液态排渣旋风燃烧炉内燃烧时径向温度呈中心低、周围高；轴向则随距离缓慢增加，但 炉内总体温度分布相对比较均匀。

4）卧式液态排渣旋风炉燃用高碱煤捕渣率高，液渣对碱金属Na、K的捕捉效率均能达到50%以上，最高达到61.01%，高于文献中自身固态灰或高温区添加高岭土的Na捕捉率。其中设定温度1 400 ℃的固碱率大于1 300 ℃；α=1.2时固碱率较大，α<1时固碱率较小。

文章来源：洁净煤技术微信公众号

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