一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法及系统

1.本发明属于燃煤发电相关技术领域，更具体地，涉及一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法及系统。


背景技术：

2.火电厂燃煤锅炉的屏式和对流式过热器、再热器受热面上会发生高温烧结性积灰，其根本原因是：炉内燃烧过程中产生的气相钠、钾等碱金属化合物，遇到温度稍低的过热器和再热器即凝结在管壁上，形成白色薄灰层，进而粘结飞灰并继续形成粘结物，使灰层增厚。尤其是燃用准东煤或掺烧生物质等高碱燃料时，在高温过热器、再热器更易发生严重的沾污结渣，从而造成出口气温下降和出口烟气温度上升，导致锅炉排烟温度升高，使机组的经济性降低。因此，准确预测火电厂燃煤的沾污特性，有助于更好地采取措施防止严重结渣，这对于进一步提高燃煤发电机组的经济性具有非常重要的意义。
3.2021年实施的国家标准《gb/t 39836-2021煤的燃烧结渣指数测定方法》中，规定了煤的燃烧结渣指数的测定方法、试验装置、试验用仪表及方法、数据处理和计算方法，该标准主要是在一维炉中开展煤粉燃烧试验，通过对灰渣取样分析，获得软化温度、硅铝比、碱酸比、硅比等静态监测指标，再采用煤灰探针结渣判别指数、煤灰综合结渣判别指数、煤灰聚类结渣判别指数等对煤的燃烧结渣特性进行分级，即轻微结渣、中等结渣、严重结渣。现有的燃煤结渣特性判别中，要用到一维燃烧试验炉等中试试验设备，分析采集到的沉积物形态与成分，未考虑实际燃烧过程温度与组分释放的影响，并且不适用与高碱煤的结渣判定。如前所述，过热器、再热器受热面上发生高温烧结性积灰的根本因素是由燃烧过程产生的气态碱金属化合物造成的。因此，有必要提出基于煤燃烧释放的气态碱金属检测的沾污特性预测方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法及系统，解决根据实际燃烧释放的气态碱金属预测沾污特性的问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，该方法包括下列步骤：
6.s1对于火电厂的燃煤原煤，对其进行工业分析和元素分析，以此获得所述原煤中的元素含量；利用该元素含量获取所述原煤完全燃烧产生的烟气体积；
7.s2称取适量的原煤并记录其质量，将称取的原煤燃烧，分别记录燃烧过程中火焰温度、气相钾浓度与气相钠浓度各自随时间的变化，以此计算燃烧过程中的平均温度、气相钠释放量与气相钾释放量；
8.s3收集燃烧结束后的灰渣并称量该灰渣的质量，分别检测灰熔点以及灰渣中的氧化钠与氧化钾各自的质量占比；
9.s4计算碱金属的释放率并利用该碱金属的释放率求解固相沾污指数，计算气相沾
污指数并将其与所述固相沾污指数求和，以此获得总沾污指数，即实现沾污特性的预测。
10.进一步优选地，在步骤s2中，所述燃烧过程中的平均温度按照下列关系式进行：
[0011][0012]
其中，t是燃烧过程中的平均温度，t0是燃烧稳定初始时刻，t1是燃尽时刻，t(t)是检测燃烧过程中的火焰温度随时间的变化，t是时间。
[0013]
进一步优选地，在步骤s2中，所述燃烧过程中的气相钾释放量按照下列关系式进行：
[0014][0015]
其中，ck是气相钾释放量，t0是燃烧稳定初始时刻，t1是燃尽时刻，k(t)是气相钾浓度随时间变化，t是时间。
[0016]
进一步优选地，在步骤s2中，所述燃烧过程中的气相钠释放量按照下列关系式进行：
[0017][0018]
其中，c
na
是气相钠释放量，t0是燃烧稳定初始时刻，t1是燃尽时刻，na(t)是气相钠浓度随时间的变化，t是时间。
[0019]
进一步优选地，在步骤s4中，所述碱金属的释放率按照下列关系式进行：
[0020][0021]
其中，φ是碱金属释放率，c
na
是气相钠释放量，ck是气相钾释放量，v是原煤完全燃烧产生的烟气体积，m2是燃烬灰质量，na2o是灰渣中氧化钠的质量占比，k2o是灰渣中氧化钾的质量占比。
[0022]
进一步优选地，在步骤s4中，所述固相沾污指数按照下列关系式进行：
[0023]rs
＝(1-φ)(na2o+k2o)
[0024]
其中，rs是固相沾污指数，φ是碱金属释放率，na2o是灰渣中氧化钠的质量占比，k2o是灰渣中氧化钾的质量占比。
[0025]
进一步优选地，在步骤s4中，所述气相沾污指数按照下列关系式进行：
[0026][0027]
其中，rg是气相沾污指数，c
na
是气相钠释放量，ck是气相钾释放量，v是原煤完全燃烧产生的烟气体积，m2是燃烬灰质量，t/t
ash
为气相沾污指数的修正因子。
[0028]
进一步优选地，在步骤s1中，所述元素含量包括煤种的c、h、o、n的各自的含量占比，以及全水分m、挥发分v、固定碳fc与灰分a。
[0029]
按照本发明的另一个方面，提供了一种进行火电厂燃煤沾污特性预测的系统上述所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法。
[0030]
按照本发明的又一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测
方法。
[0031]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0032]
1.本发明方法耦合多因素，相比现有沾污特性中对燃烧设备有特殊要求的方法而言，本发明对燃烧设备没有特殊要求，具有普适性，操作简便，测试效率高；
[0033]
2.本发明无需经过制灰过程，避免基于灰成分预测的沾污特性时，高温制灰碱金属释放导致的系统误差；
[0034]
3.本发明不仅考虑了煤灰中的碱金属元素对沾污的影响，同时考虑了实际燃烧过程的气相碱金属对沾污的影响，并基于火焰温度与碱金属释放率修正，突出气相碱金属对于沾污的决定性作用。
附图说明
[0035]
图1是按照本发明的优选实施例所构建的火电厂燃煤沾污特性的预测方法的流程图；
[0036]
图2是按照本发明的优选实施例所构建的均匀稳定燃烧过程中温度、气相钠浓度与气相钾浓度随时间变化的曲线图，其中，(a)是燃烧过程中温度随时间变化的曲线图，(b)是燃烧过程中气相钠浓度随时间变化的曲线图，(c)是燃烧过程中气相钾随时间变化的曲线图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0038]
一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法发明包括以下步骤：
[0039]
s1分析煤质并烟气计算：获得煤种的工业分析、元素分析，通过称量获得煤样质量，计算煤完全燃烧产生的烟气体积v；具体地：
[0040]
(1)取一定量的原煤，通过工业分析与元素分析，获得煤种的c、h、o、n的含量占比与全水分m、挥发分v、固定碳fc与灰分a。
[0041]
(2)另取一定量的原煤，磨制为煤粉，干燥，称量待用的煤粉质量并记录。
[0042]
(3)根据获得的数据，计算煤样完全燃烧产生的烟气体积v，该烟气体积v的计算方法是依据常规文献上锅炉热力计算获得，在此不再赘述。
[0043]
s2燃烧检测：检测燃烧过程中温度与气相碱金属浓度直至燃烧结束，计算燃烧过程中的平均温度t、气相钠释放量c
na
与气相钾释放量ck，收集煤粉燃烬灰；具体地：
[0044]
(1)将称量后的煤粉放入燃烧设备中，使煤粉均匀稳定燃烧，记录燃烧稳定初始时刻t0与燃尽时刻t1，检测燃烧过程中的火焰温度随时间的变化t(t)、气相钾浓度随时间变化k(t)与气相钠浓度随时间的变化na(t)。
[0045]
(2)通过下式计算燃烧过程中的平均温度t、气相钠释放量c
na
与气相钾释放量ck：
[0046][0047][0048][0049]
待燃烧结束后，收集燃烬灰。
[0050]
s3燃烬灰分析：根据步骤s1获得的数据，称量获得灰质量m2，分析燃烬灰，获得灰渣中na2o与k2o质量占比，并测量灰熔点t
ash
；具体地：
[0051]
(1)收集燃烧结束后的残余灰渣，称量获得燃烬灰质量m2，检测灰渣中氧化钠与氧化钾的质量占比，分别记为na2o、k2o。
[0052]
(2)另取部分燃烬灰样品，测量灰样品的灰熔点t
ash
。
[0053]
s4碱金属释放率与沾污指数计算：根据s1到步骤s3所获得的结果，计算碱金属释放率；具体地：
[0054]
(1)按照气相钾释放浓度加气相钠释放浓度之和乘以烟气体积计算气相碱金属释放量，按照灰分中氧化钾与氧化钠之和乘以燃烬灰质量计算固相碱金属量，气相碱金属释放量与固相碱金属量之和为煤中全部碱金属含量。
[0055]
(2)碱金属释放率是气相碱金属的质量占煤样中碱金属总量的比值，按照下式计算碱金属释放率φ：
[0056][0057]
(3)按照下式分别计算气相沾污指数rg与固相沾污指数rs：
[0058][0059]rs
＝(1-φ)(na2o+k2o)
[0060]
公式中，m1表示放入燃烧设备中的煤粉质量，φ表示由步骤s4计算的碱金属释放率。t/t
ash
为气相沾污指数的修正因子，考虑到在实际锅炉中，火焰温度越高，燃烧产生的灰分越容易变为熔融态，加重结渣。1-φ是固相的修正因子，原因是固相对沾污性的影响小于气相，因此将这一项作为修正因子。气相沾污指数rg与固相沾污指数rs均为无量纲量。
[0061]
(4)按照下式计算总沾污指数：
[0062]
r＝rg+rs[0063]
根据总沾污指数的大小，预测燃煤的沾污特性。总沾污指数越大，预测的燃煤沾污特性越强。
[0064]
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
[0065]
以准东煤为例，所述的一种火电厂燃煤沾污特性预测方法包括以下步骤：
[0066]
s1分析煤质与烟气计算。将原煤样放入磨煤机中磨制为煤粉，取一定量煤粉，根据相关标准，进行煤样的工业分析与元素分析(收到基)，获得该煤种收到基的c、h、o、n、s的含量与全水分m、挥发分v、固定碳fc与灰分a的占比，单位为％。获得的结果如表一。
[0067]
表一
[0068][0069]
另取部分煤粉，使用煤粉筛筛分到200μm以下，称量待用的煤样质量为m1＝55mg，并做相应记录。
[0070]
基于步骤s1获得的数据，首先按照下面的公式计算出标准工况(当量比为1)下，1kg煤粉完全燃烧的干空气体积用量v0：
[0071]v0
＝0.0889(c+0.375s)+0.265h-0.0333o (1)
[0072]
其中，c、s、h与o为步骤s1得到的煤收到基碳、硫、氢与氧元素的占比。将表一中的数据带入公式(4)，得到1kg准东煤完全燃烧所需的干空气体积用量v0＝5.88m3/kg。随后，根据下面的公式分别计算出标准工况(当量比为1)下，燃烧1kg煤产生烟气中氮气、二氧化碳与水蒸气的体积：
[0073][0074]
将表一中的数据带入公式(5)中，得到1kg准东煤标准工况(当量比为1)下，燃烧1kg煤产生烟气中氮气体积二氧化碳体积与水蒸气体积在实际的燃烧过程中，助燃的空气往往超出燃烧反应所需量，干烟气与水蒸气的体积计算中需引入过量空气系数进行修正：
[0075][0076]
公式中，v
gy
为干烟气体积，为水蒸气体积，α为过量空气系数。在步骤s2燃烧设备中，α＝3。将计算数据带入公式(6)中，计算得到干烟气体积v
gy
＝17.60mg3/kg，水蒸气体积按照下面的公式计算1kg煤完全燃烧产生的烟气总体积：
[0077][0078]
将结果带入公式(7)中，计算得到1kg煤完全燃烧产生的烟气总体积vy，vy＝18.36m3/kg。将vy乘煤样的质量m1即可获得燃烧检测用煤产生的烟气总体积v＝0.00101m3。使s2燃烧检测。在hencken平焰燃烧器上进行燃烧检测，使用乙烯作为燃料，空气作为氧化剂，乙烯的流量为0.8l/min，空气流量为30l/min。燃烧器上方形成有多个矮小的扩散火焰组成平面火焰，利用该平面火焰为块状的煤样提供热量，供其燃烧。将称量后的煤粉通过电动位移平台，移入hencken平焰燃烧器的中心，使煤粉均匀稳定燃烧，煤样距离平面火焰的竖直高度为1cm。燃烧稳定后，开始燃烧检测，燃烧稳定的初始时刻记为t0＝5s。用连接准直
透镜与光纤的avaspec-2048-usb2光谱仪收集煤样燃烧火焰的光谱信号，波长范围为300-800nm，数据采集时间间隔为1s，直至燃烧过程结束，燃尽时刻记为t1＝601s。为便于数据处理，对收集到的光谱数据进行去噪与平滑。根据nist数据库数据，主要碱金属原子特征谱线分别为钠na(589.598nm)与钾k(766.490nm、769.896nm)，通过火焰自发射光谱法获得燃烧检测过程的温度、气相钠浓度与气相钾浓度随时间的变化曲线，直至燃烧过程结束。曲线如图2所示，按照下列公式，分别计算平均温度t(℃)，气相钠释放量c
na
(mg/m3)、气相钾释放量ck(mg/m3)：
[0079][0080][0081][0082]
公式中，k(t)为气相钾浓度随时间变化，na(t)为气相钠浓度随时间的变化。计算可得：t＝1030℃、c
na
＝4218.66mg/m3、ck＝68.86mg/m3。
[0083]
s3燃烬灰分析。用电子天平称量燃烬灰质量，获得燃烬灰质量m2＝4.46mg。将燃烬灰研磨后，取部分灰，放入x射线粉末荧光能谱仪，进行x射线粉末荧光衍射(xrf)测试，获得灰渣中氧化钠与氧化钾的质量占比，具体为na2o＝3.87％与k2o＝0.51％。另取部分燃烬灰样品，测量灰熔点(变形温度)t
ash
＝1246℃。
[0084]
s4碱金属释放率计算。基于步骤s1到步骤s3计算结果，根据下面的公式计算碱金属释放率φ：
[0085][0086]
公式中，分子表示在燃烧过程中释放的气相碱金属总量，分母表示燃烧过程中气相碱金属总量燃烬灰中碱金属总量之和，分子分母的单位均为mg，释放率φ为无量纲量。碱金属释放率的作用是对结渣指数进行系数修正。将以上计算数据带入公式(8)中，得到准东煤的碱金属释放率φ＝0.9569。
[0087]
按照下面的公式分别计算气相沾污指数rg与固相沾污指数rs：
[0088][0089]rs
＝(1-φ)(na2o+k2o) (10)
[0090]
t/t
ash
为气相沾污指数的修正因子，考虑到在实际锅炉中，火焰温度越高，燃烧产生的灰分越容易变为熔融态，加重结渣。气相沾污指数rg越高表明该煤种在燃烧过程中，释放的气相碱金属量越高，其沾污特性越强；固相沾污指数rs越高，代表该煤种在燃烬灰中的固相碱金属含量越高，其沾污特性也越强。由于煤中的碱金属总量是一定的，两者存在一定竞争关系，但两者对沾污的影响不同，固相对沾污性的影响小于气相，所以引入1-φ为固相沾污指数rs的修正因子。气相沾污指数rg与固相沾污指数rs均为无量纲量。代入数据，并将rg与rs均换算为百分数，得到气相沾污指数rg＝0.8034与固相沾污指数rs＝0.1889。总沾污指数为两者之和，即
[0091]
r＝rg+r
s (11)
[0092]
根据总沾污指数的大小，预测燃煤的沾污特性。带入数据得r＝0.9923。总沾污指数越大，预测的燃煤沾污特性越强。
[0093]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：s1对于火电厂的燃煤原煤，对其进行工业分析和元素分析，以此获得所述原煤中的元素含量；利用该元素含量获取所述原煤完全燃烧产生的烟气体积；s2称取适量的原煤并记录其质量，将称取的原煤燃烧，分别记录燃烧过程中火焰温度、气相钾浓度与气相钠浓度各自随时间的变化，以此计算燃烧过程中的平均温度、气相钠释放量与气相钾释放量；s3收集燃烧结束后的灰渣并称量该灰渣的质量，分别检测灰熔点以及灰渣中的氧化钠与氧化钾各自的质量占比；s4计算碱金属的释放率并利用该碱金属的释放率求解固相沾污指数，计算气相沾污指数并将其与所述固相沾污指数求和，以此获得总沾污指数，即实现沾污特性的预测。2.如权利要求1所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，在步骤s2中，所述燃烧过程中的平均温度按照下列关系式进行：其中，t是燃烧过程中的平均温度，t0是燃烧稳定初始时刻，t1是燃尽时刻，t(t)是检测燃烧过程中的火焰温度随时间的变化，t是时间。3.如权利要求1或2所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，在步骤s2中，所述燃烧过程中的气相钾释放量按照下列关系式进行：其中，c
k
是气相钾释放量，t0是燃烧稳定初始时刻，t1是燃尽时刻，k(t)是气相钾浓度随时间变化，t是时间。4.如权利要求3所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，在步骤s2中，所述燃烧过程中的气相钠释放量按照下列关系式进行：其中，c
na
是气相钠释放量，t0是燃烧稳定初始时刻，t1是燃尽时刻，na(t)是气相钠浓度随时间的变化，t是时间。5.如权利要求4所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，在步骤s4中，所述碱金属的释放率按照下列关系式进行：其中，φ是碱金属释放率，c
na
是气相钠释放量，c
k
是气相钾释放量，v是原煤完全燃烧产生的烟气体积，m2是燃烬灰质量，na2o是灰渣中氧化钠的质量占比，k2o是灰渣中氧化钾的质量占比。6.如权利要求5所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，在步骤s4中，所述固相沾污指数按照下列关系式进行：r
s
＝(1-φ)(na2o+k2o)
其中，r
s
是固相沾污指数，φ是碱金属释放率，na2o是灰渣中氧化钠的质量占比，k2o是灰渣中氧化钾的质量占比。7.如权利要求1或6所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，在步骤s4中，所述气相沾污指数按照下列关系式进行：其中，r
g
是气相沾污指数，c
na
是气相钠释放量，c
k
是气相钾释放量，v是原煤完全燃烧产生的烟气体积，m2是燃烬灰质量，t
ash
为灰熔融温度，t/t
ash
为气相沾污指数的修正因子。8.如权利要求1或6所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法，其特征在于，在步骤s1中，所述元素含量包括煤种的c、h、o、n的各自的含量占比，以及全水分m、挥发分v、固定碳fc与灰分a。9.一种进行火电厂燃煤沾污特性预测的系统，其特征在于，该系统包括处理器，所述处理器用于执行步骤1-8任一项所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法。

技术总结
本发明属于燃煤发电相关技术领域，并公开了一种火电厂燃煤沾污特性的预测方法。S1获取原煤完全燃烧产生的烟气体积；S2将称取的原煤燃烧，分别记录燃烧过程中火焰温度、气相钾浓度与气相钠浓度各自随时间的变化，以此计算燃烧过程中的平均温度、气相钠释放量与气相钾释放量；S3收集燃烧结束后的灰渣并称量该灰渣的质量，分别检测灰熔点以及灰渣中的氧化钠与氧化钾各自的质量占比；S4计算碱金属的释放率并利用该碱金属的释放率求解固相沾污指数，计算气相沾污指数并将其与所述固相沾污指数求和，以此获得总沾污指数，即实现沾污特性的预测。通过本发明，解决无法根据煤燃烧释放的气态碱金属获取沾污特性的问题。金属获取沾污特性的问题。金属获取沾污特性的问题。


技术研发人员：姚斌 王浩帆 张雄 蒲旸 娄春
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/10/15