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秸秆成型燃料燃烧过程中沉积腐蚀问题的试验研究

作　者: 赵青玲
导　师: 张百良
学　校: 河南农业大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 玉米秸秆成型燃料 受热面 沉积和腐蚀 影响因素 试验装置 形成机理 方法和措施 分析及评价
分类号: S216
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


随着化石能源的短缺及其带来的环境问题日益严重、秸秆直接燃烧发电技术的推广和普及成为国内外关注的热点。但是秸秆的形成条件及过程与化石能源不同,秸秆具有与其它能源不同的成分和结构,因此,秸秆直接燃烧将给燃烧系统带来了很多问题,其中,以秸秆直接燃烧在锅炉受热面上形成沉积的问题最为严重,它不但影响受热面内的热量传递,而且对受热面造成严重的腐蚀、影响锅炉的操作运行,目前,秸秆燃烧在受热面上形成沉积腐蚀的问题已成为制约秸秆直接燃烧发电技术推广应用的主要障碍。尽管国内外对秸秆燃烧过程中在锅炉受热面上形成沉积的研究取得了一定的进展,但是由于沉积的形成是一个极其复杂的物理化学过程,涉及锅炉原理、燃料及灰渣化学和反应动力学、多相流体力学、传热传质学、燃烧原理与技术、材料科学等众多学科,同时还受灰熔点、灰成分、灰粘度、炉膛热力参数燃烧器的结构与布置炉内空气动力工况锅炉运行参数等因素的影响,加之受到研究手段和研究方法的限制,迄今为止沉积的形成机理及其对受热面腐蚀的原理还未彻底弄清,因此,由沉积引起的锅炉问题依然存在。为了寻求降低沉积腐蚀的方法和措施,消除沉积给锅炉带来的危害,推动秸秆直接燃烧技术的发展,本文在查阅了大量国内外相关文献的基础上,设计了模拟秸秆成型燃料燃烧在锅炉受热面上形成沉积的试验装置,并研究和分析了原料成分、炉膛温度、进风量等因素的变化对沉积形成的影响。结果表明:秸秆中较高的碱金属及氯含量是燃烧秸秆比木材更易在受热面上形成沉积腐蚀的主要原因;秸秆燃烧过程中,碱金属的逸出量随炉膛温度的升高而增加,炉膛温度的升高也有利于碱金属与SiO2结合生成低熔点的共晶体;进风量的大小对炉膛内的空气动力场,烟气的速度及方向,烟气中飞灰颗粒的运动速度、方向及沉积位置有重要的影响,在秸秆燃烧过程中,受热面上的沉积随风速的增大而提高,但是,当风速超过12m/s时,烟气中含有较多气体组分的飞灰来不及与受热面接触,就随烟气排出,而且初始沉积在受热面上的灰粒也会重新回到烟气中,受热面上的沉积量出现下降趋势;沉积率随着受热面的温度的升高而下降,但是一旦粘性最大的沉积层全面形成时,受热面温度对沉积率的影响就大大降低最终随着沉积物的增长而完全被消除,另外,受热面温度的升高也促进了结垢层的形成;秸秆的组织和结构的变化对沉积的形成有重要影响,经过高压形成的秸秆成型燃料燃烧以后,形成了密实的焦炭骨架,改变了沉积的形成规律,降低了沉积率。为了弄清秸秆燃烧过程中在锅炉受热面上形成沉积的过程和机理,首先,分别对拦火圈内表面和水箱底面上形成的沉积进行了研究和分析,结果表明,炉膛内不同位置,其表面上的沉积是不一样的:拦火圈内表面上的沉积颗粒细腻,反射白光,其成分中没有Si、Al、Fe、Ti等难熔化合物,水箱表面上的沉积颜色为银灰色、颗粒粗大,且Ca、Si、Ti、Mg等矿物质含量较高。然后根据上述分析,对二者的形成过程和机理分别进行了推理,认为:沉积的形成主要是秸秆中的灰分在燃烧过程中的形态变化和输送作用的结果,其形成过程也是灰粒沉积的过程。拦火圈内表面上沉积的形成机制是以凝结和化学反应为主,水箱表面上的沉积主要是通过颗粒撞击和热迁移两种方式形成的。针对沉积引起腐蚀的机理,笔者对受热面上脱落的沉积块（脱落处含有壁面）进行了分析,结果表明:腐蚀过程就是将Fe通过化学反应被逐步转移到沉积中去,使受热面原来的保护膜遭到破坏。在腐蚀过程中氯化物和硫酸盐扮演着重要角色,其机理就是沉积中氯化物穿过氧化层与管壁中的Fe反应生成FeCl3,硫酸盐与FeCl3反应生成FeS,降低了FeCl3的浓度,使反应朝着生成FeCl3的方向进行。为了对秸秆直接燃烧过程中受热面上沉积腐蚀的危害有一个清醒的认识,同时也为我国研发秸秆直接燃烧技术提供借鉴。本文首先通过试验研究了沉积对受热面换热效率的影响及对受热面的腐蚀作用,然后结合燃烧秸秆的实际锅炉探讨了沉积对锅炉操作的影响,研究表明:秸秆燃烧在锅炉受热面上形成的沉积比燃煤形成的沉积,更能抑制受热面上的热量传递。一般地,燃煤锅炉受热面上积有3mm疏松灰或10mm熔融渣时,才可造成炉膛传热下降40%,秸秆燃烧形成的灰沉积厚度从0mm增加到0.56mm,受热面的传热系数下降了51%;大量的氯富集在沉积中,对锅炉受热面造成了严重的腐蚀,降低了受热面的使用寿命;随着受热面上沉积的增厚,易于引起塌灰等问题,严重影响了锅炉的安全运行,同时沉积的增厚,使得排烟温度的升高,降低了锅炉出力。针对目前各种降低沉积的方法和措施,本文根据它们的特点进行了归类,并一一进行了分析和评价,分析认为目前的这些方法在使用中各有利弊,必须根据实际情况、原则选择合适的方式降低沉积及其引起的腐蚀问题。

全文目录


致谢  4-9
摘要  9-11
第一章 绪论  11-22
  1 研究背景  11-18
    1.1 国内外化石能源利用存在的问题  11-14
    1.2 国内外生物质能的开发利用状况  14
    1.3 秸秆在锅炉中燃烧技术的开发和利用  14-16
    1.4 秸秆直接燃烧过程中沉积和腐蚀问题  16-18
  2 国内外研究现状  18-20
  3 课题提出  20
  4. 研究方法和内容  20-22
第二章 试验装置的设计及火焰对受热面冲刷的模拟  22-33
  1 生物质成型燃料的燃烧特性  22-23
  2. 试验装置设计过程  23-30
    2.1 燃料的燃烧计算  23-24
    2.2 炉膛的设计  24-27
      2.2.1 炉膛形状的确定  24
      2.2.2 炉膛尺寸的确定  24-26
        2.2.2.1 炉膛容积  25-26
        2.2.2.2 炉膛高度的确定  26
        2.2.2.3 上、下底直径的确定  26
      2.2.3 拦火圈的设计  26-27
    2.3 炉排的设计  27-28
    2.4 受热面的设计  28
    2.5 烟囱与供风量  28-29
    2.6 旋风分离器  29-30
    2.7 电辅加热的设计  30
  3. 火焰对受热面冲刷的过程模拟  30-32
    3.1 模拟研究区域的选取  30-31
    3.2 模拟结果与分析  31-32
  4 本章小结  32-33
第三章 秸秆成型燃料燃烧过程中影响沉积形成因素的试验研究  33-45
  1 试验材料和设备  33
    1.1 试验材料  33
    1.2 试验仪器设备  33
  2 试验装置的检测  33-36
    2.1 排烟成分  33-34
    2.2 试验装置各部分的温度变化  34-36
      2.2.1 排烟温度的变化分析  34-35
      2.2.2 水箱底面的温度变化分析  35-36
      2.2.3 燃烧过程中炉膛温度的变化  36
  3 影响沉积形成因素的试验与分析  36-43
    3.1 原料成分在沉积形成过程中的影响  36-38
    3.2 试验装置运行参数的变化对沉积形成的影响  38-41
      3.2.1 炉膛温度对沉积形成的影响  38-39
      3.2.2 进风量与沉积形成之间的关系  39-40
      3.2.3 受热面温度对沉积形成的影响  40-41
    3.3 燃料形状对沉积率形成的影响  41-42
    3.4 水箱底面上的沉积量随燃烧时间的变化关系  42-43
  4 本章小结  43-45
第四章 秸秆燃烧过程中沉积腐蚀的形成过程与机理  45-63
  1. 试验设备、仪器及方法  45
    1.1 试验设备与仪器  45
    1.2 测试方法  45
  2. 沉积腐蚀的形成过程与机理  45-61
    2.1 秸秆成型燃料中影响沉积腐蚀形成的主要元素  45-50
      2.1.1 钾  45-47
      2.1.2 钠  47
      2.1.3 氯  47-48
      2.1.4 硫  48-49
      2.1.5 硅  49
      2.1.6 影响沉积的主要元素在炉膛中的分布规律  49-50
    2.2 沉积的形成过程与机理  50-58
      2.2.1 拦火圈内表面上沉积的形成机理  50-52
      2.2.2 水箱底面上沉积的形成机理  52-54
      2.2.3 沉积的形成过程  54-58
    2.3 腐蚀过程与机理  58-61
      2.3.1 腐蚀过程  58-60
      2.3.2 腐蚀机理  60-61
  3. 小结  61-63
第五章 沉积腐蚀对锅炉危害的试验研究  63-73
  1 试验仪器和方法  63
    1.1 试验仪器和设备  63
    1.2 试验方法  63
  2. 试验结果与分析  63-72
    2.1 沉积对受热面换热效率的影响  63-69
      2.1.1 受热面上沉积层的传热模型  63-64
      2.1.2 受热面的传热系数的计算  64
      2.1.3 试验数据分析  64-66
      2.1.4 利用受热面传热性能的变化预测受热面上的沉积情况  66-69
        2.1.4.1 预测过程  67-69
        2.1.4.2 预测结果  69
    2.2 沉积对锅炉受热面的腐蚀  69-71
      2.2.1 锅炉受热面上沉积的腐蚀特性  69-70
      2.2.2 沉积腐蚀的后果  70-71
    2.3 灰沉积对锅炉安全运行的影响  71-72
      2.3.1 塌灰的形成过程  71
      2.3.2 塌灰的危害  71-72
  3 本章小结  72-73
第六章 对降低受热面上沉积的方法和措施的分析与评价  73-80
  1. 燃料预处理  73-74
  2. 添加剂与沉积的关系  74-75
    2.1 秸秆与煤混烧  74-75
    2.2 石灰石等添加剂与秸秆混烧  75
  3. 机械式降低灰沉积的方法  75-77
    3.1 喷涂法  76
    3.2 吹灰  76-77
    3.3 采用刮板法  77
  4 通过操作方式的变化降低受热面上沉积的方法  77-79
    4.1 合理调整风速  77
    4.2 锅炉串联布置  77-78
    4.3 低温热解  78-79
  5 本章小结  79-80
第七章 结论与建议  80-82
  1. 结论  80-81
  2. 本文主要创新点  81
  3. 建议  81-82
参考文献  82-88
ABSTRACT  88-91
读博士期间发表的学术论文及获奖情况  91

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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农业动力、农村能源 > 生物能（生物质能）的应用
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