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《動力工程學報》2014年第六期

1實驗裝置及研究方法

1．1實驗煤樣分析選取新疆某高堿煤及其在實際鍋爐幾組典型受熱面上（如分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級再熱器、末級過熱器和低溫過熱器等）的沾污灰樣為研究對象，研究實際鍋爐內高堿煤燃燒過程中灰樣中主要元素的遷移規律及其對煤灰沾污和結渣特性的影響機制．實驗煤樣與灰樣的分析數據以及灰樣成分數據見表1和表2．

1．2實驗方法為了進一步研究高堿煤燃燒過程中沿鍋爐煙氣流動方向爐內各高溫對流受熱面沾污灰樣的熔融特性及其灰成分的分布規律，以某300MW亞臨界電站鍋爐為研究對象，對鍋爐分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級再熱器、末級過熱器和低溫過熱器等部位的沾污灰樣進行取樣，并對灰樣進行X射線熒光儀（XRF）、電子掃描電鏡和能譜分析（SEM－EDX）等分析測試，以此來研究高堿煤燃燒過程中灰樣中Na、Ca、S和Fe等主要元素及其礦物質的分布規律，為指導鍋爐設計和運行提供技術支持．

2結果與討論

2．1燃燒過程中爐內灰樣成分的變化規律圖1給出了灰樣中主要化學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渣程度，采用堿酸比RB／A來考察鍋爐不同煙氣溫度區間內灰樣的沾污程度．堿酸比越大，說明此時的灰樣越容易沾污，且沾污程度也越大［10］．堿酸比的計算公式為。圖2和圖3分別給出了高堿煤燃燒過程中灰樣中主要化學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）的質量分數由1100℃時的28．08％升高至800℃時的42％，隨著煙氣溫度的繼續降低，酸性氧化物（SiO2和Al2O3）•439•的質量分數趨于平穩；在800～1100℃煙氣溫度范圍內，灰渣中CaO、MgO和SO3的質量分數較高，主要成分為CaSO4等物質；當煙氣溫度為600～800℃時，灰樣中Na2O、Fe2O3和SO3的質量分數較高，Na2O和Fe2O3的質量分數分別為2．9％～4．5％和8．5％～14．4％．這是由于在高堿煤燃燒過程中，煤中的Na（或K）等易揮發堿金屬元素在燃燒區（1200～1400℃）直接升華為氣態的Na（或K）或者Na2O（或K2O）蒸汽，而這些氣態納米級的Na（或K）或者Na2O（或K2O）蒸汽在600～900℃溫度區間內易發生冷凝，并進一步捕捉煙氣中的SO2／SO3、CaO和Fe2O3等，形成Na2SO4、CaSO4和NaFeSO4等物質，而過熱器處灰樣中Na2O和SO3的質量分數有一個較大的突增，這主要與Na2O和K2O在該溫度區間（600～850℃）內易發生冷凝，并捕捉煙氣中的SO2／SO3，從而生成Na2SO4有關．由此可見，在高堿煤燃燒過程中，灰樣中的Fe、Na、S和Ca等元素對其沾污和結渣特性的影響最大［9］．其中，Fe元素主要影響灰樣的初始熔融以及爐膛高溫區域熔渣的形成；Na、S和Ca元素對爐內高溫受熱面沾污及其沾污程度的影響最大．

2．2燃燒過程中各受熱面沾污灰樣的熔融特性為了進一步分析高堿煤燃燒過程中各受熱面沾污灰樣的熔融特性，對收集的灰樣進行了XRF成分分析和SEM形貌分析，并利用Factsage6．1計算軟件根據各灰樣的成分進行了化學平衡計算［11］，計算結果見圖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℃）內就開始有液相析出，且當溫度為900℃時，灰樣B、灰樣C、灰樣D和灰樣E的液相質量分數分別為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均出現了部分熔融態，灰樣A和灰樣F則主要以固態形式出現，這與理論計算和實際鍋爐運行情況相符，即在669～915℃煙氣溫度區間內，鍋爐高溫對流受熱面的沾污最嚴重．

2．3燃燒過程中Na元素的沾污機理由于高堿煤燃燒過程中Na元素的釋放、冷凝對鍋爐高溫受熱面的沾污起著至關重要的作用．高堿煤燃燒過程中Na元素不論是以分子形式還是以原子形式釋放出來，都不能完全穩定存在，它們很快與其他成分反應生成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理又不盡相同．因此，利用SEM－EDX分析測試手段對灰樣C的顆粒進行了SEM－EDX分析（見圖6）．由圖6可知，顆粒表面上附有富含粒徑為2～4μm的Na和S的細小顆粒，生成Na的硫酸鹽（如Na2SO4等）．高溫下Na2SO4具有較低的熔點（884℃），在669～915℃煙氣溫度范圍內具有較大黏度［12］．這些粒徑小于10μm的鈉鹽顆粒在600～800℃煙氣溫度范圍內易冷凝在受熱面表面或灰樣顆粒表面，而Na2SO4等微米級顆粒在該溫度范圍內具有較大的黏度，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．當灰樣顆粒與受熱面碰撞時，顆粒表面上黏性較大的Na2SO4非常容易黏結在受熱表面上，這2種方式使燃用高堿煤時在600～950℃溫度范圍內的受熱面沾污嚴重．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，特別是當煤中Cl元素的含量較高時，高溫腐蝕程度和速度更為嚴重．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果．

3結論

（1）在800～1100℃煙氣溫度范圍內，灰樣中CaO、MgO和SO3的質量分數較高，其主要成分為CaSO4等物質．當煙氣溫度為600～800℃時，灰樣中Na2O、Fe2O3和SO3的質量分數較高，Na2SO4、CaSO4和NaFeSO4等物質是導致高堿煤燃燒過程中高溫對流受熱面發生嚴重沾污的主要原因．（2）雖然669～915℃煙氣溫度區間內灰樣的堿酸比不是最大，但該溫度區間發生初始熔融的溫度以及所在溫度的液相質量分數均比其他部位灰樣的要嚴重，這主要與該溫度范圍內灰樣中Na、Fe和S的質量分數較高有關．（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，這是導致該溫度下發生嚴重沾污的主要原因之一．

作者：代百乾烏曉江張忠孝單位：上海理工大學環境與建筑學院上海交通大學機械與動力工程學院