秸秆成型燃料燃烧过程中沉积腐蚀问题的试验研究

【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SiO_2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FeCl_3,硫酸盐与FeCl_3反应生成FeS,降低了FeCl_3的浓度,使反应朝着生成FeCl_3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。 【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
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S216
【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
• ABSTRACT88-91
• 读博士期间发表的学术论文及获奖情况91

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

生物质灰在低温受热面上的沉积点腐蚀机理分析    王启民;张小辉;杨海瑞;吕俊复;

生物质锅炉省煤器壁温与沸腾率关系    吕薇;孙宏伟;李瑞扬;柳建华;邵海江;

生物质燃烧过程中的碱金属问题研究    孙宏伟;吕薇;李瑞扬;

生物质燃料脉动燃烧器的设计    向衡;朱明;刘相东;谢奇珍;师建芳;刘清;

生物质秸秆成型燃料特性分析    王许涛;张百良;

秸秆燃料锅炉受热面高温腐蚀机制及防护研究    张小辉

秸秆纤维乙醇技术工程化及技术经济研究    任天宝

不同Mo含量NiCrMo系耐蚀合金的制备及特性研究    王明怡

生物质粉体燃烧过程分析与试验研究    李华

生物质燃烧与传热强化的试验及数值模拟    李凯

生物质燃烧过程中的积灰结渣特性    宋鸿伟,郭民臣,王欣

煤与玉米秸秆混合燃烧的实验研究    卢洪波;徐海军;马文学;王金龙;张军;鹿钦军;

哈尔滨市主要农作物籽实、秸秆、根茬产量及其养分含量的分析    张云生,顾思平,田世明,周新宇,丁伟,刘国兴

生物质与煤共燃研究    段菁春,肖军,王杰林,庄新国

洁净煤燃烧技术发展趋势    张忠孝,吴江全,栾翔

农田施肥要走出恐氯误区    陈木旺,卢廷群

贵州省油菜生产现状与可持续发展战略    王华,林卫红,汤晓华

生物质与煤共燃技术将再度兴起    赵旺初

农作物秸杆中钾元素的回收与利用    徐靓;安莲英;

烟草秸杆还田的效果研究初报    何良胜,刘初成

生物质（秸秆）成型燃料燃烧设备研制及试验研究    刘圣勇

我国农村秸秆成型燃料规模化技术研究    樊峰鸣

解决电站锅炉水冷壁高温腐蚀问题的试验研究    陈琪

电站煤粉锅炉结渣、积灰监测的研究    许尧

基于人工神经网络的锅炉积灰结渣在线监测方法的研究    李霄飞

电站锅炉受热面积灰、结渣在线监测及智能吹灰的研究    白杰

电站锅炉受热面积灰、结渣在线监测的研究与应用    鲁文华

稻秸热解过程中碱金属析出的实验研究    唐艳玲

煤粉炉排烟温度高的原因分析及运行中可采取的措施    王永成,唐世蔼,杨家庆

烘炉时耐火浇注料裂纹产生的机理研究    修志荣,黄秋菊,于振林,曲元艇

船板在线温度测试与分析    于峰;乔馨;张健;

超临界锅炉机组吹灰程控的优化    卫平宝;

麦秸秆稀酸水解条件的研究    程旺开;汤斌;张庆庆;陈阿娜;翟光雯;周逢云;陈中碧;

黄褐土磷肥施用效果研究    张家喜;

芜湖县易太镇土壤肥力现状分析    王艳;

淮南地区农作物秸秆循环利用模式    程少武;黄志斌;

秸秆成型燃料在农村推广的影响因素及模式    王许涛;刘丽莎;刘俊红;张百良;

硝态氮浓度对冬小麦幼苗根系活力及根际pH值的影响    门中华;李生秀;

CFD技术在板坯加热炉热工工艺分析与性能预测中的应用    张义贵;余春阳;钟星立;

生物质与煤复合燃烧技术及其理论研究    任晓平;石久胜;唐欣彤;刘建红;刘哲;

沈阳地区生物质燃料的开发和利用    杨晓辉;

原料含水率对固体成型燃料成型效果的影响    张静;郭玉明;貟慧星;

真空加压浸糖工艺的试验研究    李树君;赵有斌;马季威;朱华;李惠;

秸秆类生物质典型燃烧组织方式结渣与沉积倾向分析    李琦芬;吴江;李壮林;任建兴;

天津市农村沼气建设的发展及实施对策思考    王斌;郑钢;刘欢;

波纹重力式热管余热锅炉在节能玻璃窑炉余热回收中的应用    张俊如;王继方;

波纹重力式热管余热锅炉在节能玻璃窑炉余热回收中的应用    张俊如;王继方;

生物质制二甲醚的发展前景及技术关键    林乐腾;蔡飞鹏;孙立;许敏;伊晓路;田永春;

控释肥高分子残膜的降解动态及对土壤生物学效应的影响研究    包丽华

产业集群与循环经济的关系研究    张伟

秸秆类生物质流态化燃烧特性研究    秦建光

高压天然气管网动态模拟与壅塞流动特性研究    刘庆堂

稻壳制备燃料乙醇及综合利用    麻越佳

东北地区温室生物质能量供给系统及控制方式研究    王治刚

可再生能源发电政策与环境效益分析方法研究    秦湘灵

热解、气化过程中燃料-N的形态转化及迁移规律研究    王宗华

木质生物质预处理、组分分离及酶解糖化研究    王堃

中国木本油料能源树种资源开发潜力与产业发展研究    刘轩

湖北省农村沼气产业化发展模式与对策研究    刘莹玉

生物质与煤混合燃烧特性的研究    马爱玲

生物质快速热解制生物质油的实验研究    胡兴涛

生物质及其热解液体产物分析研究    马梅英

玉米秸秆腐解复合菌系CSS-1的构建、菌群组成及腐解特性研究    刘尧

硫对设施水培大蒜生理生化特性及品质的影响    刘中良

控释尿素对土壤氨挥发、氮素养分和微生物多样性及小麦产量的影响    刘蕊

苹果园氮磷钾施肥技术与效益研究    邹剑

河北省磁县沼气推广应用研究    李常伟

凌源市农村沼气能源发展研究    张鑫

发展生态经济的关键问题——生物质转化的绿色化学    朱清时

我国生物质能资源及其利用技术现状    曹稳根;段红;

生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨    吴根;白丽梅;于洋;牛福生;

高等植物的钾营养    曹慧;王孝威;付循成;

脉动燃烧器的设计与研究    程显辰

生物质燃烧过程中的积灰结渣特性    宋鸿伟,郭民臣,王欣

几种电弧喷涂涂层抗热腐蚀性能研究    徐滨士,马世宁,李长青,李小刚,刘谦

木粉干燥过程的数学模型及分析方法    陈万里

管内插入物强化传热及除垢的研究进展    马强;

基于燃料特性的秸秆积灰结渣    王晓岚;那峙雄;

生物质（秸秆）成型燃料燃烧动力学特性及液压秸秆成型机改进设计研究    马孝琴

内置旋转扭带强化传热机理及清洗动力学研究    张琳

生物质燃烧氯的析出与控制研究    郭献军

户用生物质气化炉传热模拟及实验研究    陈霍

耐氯腐蚀电弧喷涂粉芯线材的研究    王瑞

垃圾焚烧炉内过热器区HCI高温腐蚀研究    潘葱英

稻秸热解过程中碱金属析出的实验研究    唐艳玲

生物质燃烧过程中碱金属析出的实验研究    徐婧

燃煤过程中碱金属赋存、迁移规律数值模拟及试验研究    李勇

生物质热解气化特性的研究    贾春霞

大型电站锅炉高温对流过热器管壁温度的数值模拟    徐力海

粉状生物质燃烧器的研究    赵明勤

玉米秸秆发酵生产燃料乙醇的试验研究    任天宝

生物质混煤燃烧过程中的腐蚀作用及其影响因素探析    栗秀娟;王永征;岳茂振;卞素芳;陆晨;

75t/h角管式生物质锅炉的设计    郭英;曹明磊;宋忠玉;能立;杨彩萍;

秸秆直燃锅炉空预器堵灰腐蚀对策    梁兵;顾怀本;

生物质锅炉省煤器壁温与沸腾率关系    吕薇;孙宏伟;李瑞扬;柳建华;邵海江;

城市垃圾典型组分燃烧特性研究    刘效洲;

生物质颗粒燃料灰行为研究进展    苏俊林;矫振伟;王翰平;

生物质与高硫劣质煤混烧固硫特性研究    蒲舸;谭波;

稻壳混合贫煤燃烧对SO_2排放的影响    王智;赵瑞娥;

巨菌草作为能源草的特性研究    李志文;

生物质直燃锅炉烟气污染源强的确定    葛光荣;

生物质燃烧过程积灰形成机理的实验研究    徐晓光

气流床条件下生物质气化反应特性研究    梅勤峰

农林生物质气化炉开发及试验研究    金亮

生物质和高硫劣质煤混烧固硫及灰熔融特性研究    谭波

生物质与煤混燃过程中硫与氯对碱金属迁移转化的竞争机制    邢万丽

稻壳火床燃烧过程研究    陈耀耀

气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究    张留建

生物质与煤混合燃烧过程中硫对碱金属迁移特性的影响    开兴平

生物质混煤燃烧对金属受热面的腐蚀特性研究    栗秀娟

生物质燃烧过程中碱金属迁移研究    杨光

秸秆类生物质灰熔特性实验研究    唐菊

基于 ANN 的故障诊断专家系统的应用研究    骆德汉,陈伟海

牧草压块机组的研究及应用    杨德川,虞国忠,常金波

哈尔滨市主要农作物籽实、秸秆、根茬产量及其养分含量的分析    张云生,顾思平,田世明,周新宇,丁伟,刘国兴

一种ANN与ES功能互补的故障诊断方法    骆德汉

退化土地的生态重建:社会工程途径    蔡运龙,蒙吉军

锅炉受热面积灰结渣判别方法的应用分析    鲁许鳌,谷俊杰,彭学志

切向燃烧炉膛冷热态空气动力场试验的探讨    张忠义

姚孟电厂锅炉水冷壁裂纹泄漏的分析与改进    王德智

我国动力用煤结渣特性的试验研究    何佩敖,张忠孝

煤中矿物质及炉膛结渣的研究    梁静珠

    中国工程院院士 陈清如

小型燃煤锅炉改造成秸秆成型燃料锅炉的前景分析    马孝琴,李刚

秸秆成型燃料锅炉空气流动场试验及分析    刘圣勇,李伟莉,徐桂转,岳建芝,李荫,谢海江

糠醛废渣用作秸秆成型粘结剂的试验研究    周春梅;来小丽;

秸秆转化为交通能源的应用概述    程东祥;于光;赵虹;

HPB-Ⅰ型液压秸秆成型机的大型优化设计    马孝琴;尤希风;张百良;

秸秆类生物质固化成型设备动力参数分析与选型    张承谱;徐健;贾安东;

秸秆冷态压缩成型微观结构变化的实验研究    徐广印;沈胜强;胡建军;雷廷宙;王玉琴;

不同形态生物质燃烧技术现状和展望    刘圣勇;刘小二;王森;

旋转式秸秆压实机的优化设计    卜农农;王继荣;李军;

轻度炭化法制生物质成型燃料技术概述    崔昌龙;王伟;张楠;

生物质致密成型技术和设备研究    张国梁;孙照斌;

秸秆成型燃料工业化装置年内建成    特约记者 王俞德

我州在全省率先推广秸秆成型燃料    本报记者 张琴

我州在全省率先试用秸秆成型燃料烘烤烟叶    本报记者 张崇宁

自主开发秸秆成型设备在通投产    记者 朱蓓宁

农作物秸秆成型装备青岛亮相    记者 王建高

拜泉 三个项目签约4.6亿元    王克俭　梁耀国 记者 姚建平

叶县农作物秸秆成了“绿色煤炭”    本报记者 杜自昌　通讯员 屈小昆

研究部署农业农村节能减排工作    记者 宁启文

哈尔滨创建国内首个生态环保“无煤村”    

生物质能开发,一座被忽视的“金矿”    周雪松　陈鲁

秸秆颗粒燃料冷态压缩成型实验研究及数值模拟    胡建军

生物质（秸秆）成型燃料燃烧动力学特性及液压秸秆成型机改进设计研究    马孝琴

秸秆成型燃料燃烧动力学分析及燃烧过程数值模拟    帖青敏

户用秸秆燃料成型技术及燃烧试验研究    何万良

新型多头式秸秆成型设备的数值模拟与研制    章长荣

秸秆冷态压缩成型过程仿真模拟研究    刘洋

秸秆成型设备环模强度分析    万鑫镭

炉灶热性能测试系统设计    郭前辉

HPB-Ⅳ型液压式生物质（秸秆）成型机的设计及试验研究    翁伟

液压生物质成型设备与技术的推广应用研究    张莉梅

河南省生物质（秸秆、林业废弃物）发电现状、存在问题及对策研究    李宁

生物质流化床燃烧粘结机理实验研究    宁新宇