硅铝基添加剂对生活垃圾焚烧锅炉积灰特性影响研究

作     者：许学博 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋旭光;杨殿才

授予年度：2024年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：垃圾焚烧 积灰 添加剂 碱金属 热流密度 在线测量 HSC Chemistry 

摘      要：我国城市生活垃圾产量逐年增加,垃圾焚烧发电技术是达到生活垃圾资源化、减量化、无害化的有效处理方式。随着国内垃圾分类政策的落实,垃圾燃料特性有所改善,垃圾焚烧锅炉运行参数因此提高,受热面积灰结渣问题更加严重。积灰现象会引起受热面腐蚀、爆管,产生安全问题,同时降低受热面换热效率,影响经济性,因此改善垃圾焚烧炉受热面积灰特性,抑制积灰生长具有重要意义。相比于其他抑制积灰结渣的方式,添加剂法经济性较高,可改善积灰特性,具有同时防治积灰、结渣和腐蚀的作用。为了探究硅铝基添加剂对生活垃圾焚烧飞灰沉积特性的影响,本文自主设计搭建了生活垃圾积灰试验台系统,利用图像在线监测技术和温度在线采集技术、扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪器、X射线能谱仪对添加剂抑制垃圾飞灰沉积的作用进行了深入研究,分析了添加剂对积灰生长高度、积灰层质量、受热面相对热流密度、积灰层结构和积灰物相组成的影响。以下为主要工作内容: 首先,开发了积灰在线监测系统。使用Python计算机编程软件实现了积灰过程录像截图的边缘提取和计算;搭建受热面在线温度采集系统,利用圆柱体传热模型计算了探针表面热流密度和相对热流密度。 第二,利用自主设计搭建的生活垃圾积灰试验台系统研究了烟温和烟速对生活垃圾焚烧积灰特性的影响。结果表明,积灰沉积过程分为3个阶段,包括积灰初始阶段、快速生长阶段和稳定生长阶段;烟气温度升高,积灰生长速率加快,飞灰颗粒熔融烧结严重,积灰质量增大。提高烟气流速,探针上积灰量先增大,后减小,提高烟速流速可缓解积灰现象。烟速为5m/s时,积灰生长速率最快。 第三,利用自主设计搭建的生活垃圾积灰试验台系统研究了硅铝基添加剂对生活垃圾焚烧积灰特性的影响。结果显示,提高Si O2和Al2O3的掺量,可缓解受热面积灰现象,考虑到经济性,Si O2最佳掺量为10%。复合添加剂对垃圾焚烧积灰特性改善效果最好,最佳硅铝比为3:1,Al2O3对垃圾焚烧积灰特性改善作用最小,这主要是由于Si O2和复合添加剂通过化学反应和物理作用抑制积灰生长,Al2O3主要通过物理作用改善积灰特性。 第四,利用自主设计搭建的生活垃圾积灰试验台系统研究了温度对硅铝基添加剂积灰抑制效果的影响。试验结果显示:在试验温度范围内,复合添加剂具有较好积灰抑制效果,烟气温度升高,增大了复合添加剂的反应性,促进复合添加剂将低熔点碱金属氯化物固化成高熔点硅酸铝盐,从而改善积灰特性。提高烟气温度,Al2O3的反应性变化不明显。在烟气温度较高时,复合添加剂和Si O2仍具有较好的积灰抑制作用,而Al2O3添加剂改善积灰熔融烧结作用不明显。 最后,使用HSC Chemistry 9.0软件进行了积灰热力学平衡计算,研究了硅铝基添加剂抑制积灰的化学作用机理。探究了Si O2、Al2O3和复合添加剂的掺量、复合添加剂的硅铝比以及反应温度对硅铝基添加剂积灰抑制作用的影响。结果显示,硅铝基添加剂可与飞灰中低熔点Na Cl和KCl发生反应,生成高熔点碱金属硅酸铝盐和HCl气体,从而改善积灰特性,抑制积灰、结渣和腐蚀。相比于Si O2和Al2O3,复合添加剂与Na Cl、KCl的反应性更好,当复合添加剂的硅铝比为3:1时具有最佳的碱金属固化效果。