富氧燃烧条件下钙基碳酸盐沉积的生成特性及腐蚀作用

本项目富氧燃烧技术不仅提高了炉内腐蚀性气体SO2和SO3的浓度，还可能增加碳酸盐沉积并导致积灰腐蚀加剧的问题。选取具有代表性的神华煤和准东煤为研究对象，对其煤中矿物质的赋存形态进行了表征；搭建了专门开展煤粉灰化实验和沉积实验的高温沉降炉，在典型的空气燃烧和富氧燃烧工况下开展了煤粉的灰化实验，借助XRF和XRD表征，从元素组成和晶相组成两个方面研究了富氧燃烧气氛对矿物质成灰特性的影响，同时采用CCSEM技术，研究了钙在矿物颗粒中的分布特性及对煤灰颗粒结渣沾污的趋势的影响；采用自主设计的可控温水冷沉积探针，采集了高钙煤在典型工况下的积灰样品，通过FSEM-EDX对样品的详细分析，揭示不同反应条件对沉积特性的影响；将实验方法推广到350MW电站锅炉中开展了沉积实验，成功探究了准东煤在炉膛不同位置的沉积行为，为缓解受热面的结渣与沾污提供了依据；最后通过优化高碱灰的粘黏与侵蚀模型，发展了可用于模拟高碱灰沾污全过程的综合数值预测模型，利用该模型对高碱煤灰在单管及过热器管排上的沾污趋势进行了预测，为锅炉运行提供了可行建议。项目完成了预期目标,共发表了论文8篇，其中SCI收录4篇，EI收录3篇。申请发明专利1项，培养研究生2人，参加国际会议1人次，国内学术会议5人次。

随着煤粉富氧燃烧技术的工业化，炉膛内部积灰和积灰腐蚀问题成为业内人士关注的热点。相比于空气燃烧，富氧燃烧技术不仅提高了炉内腐蚀性气体SO2和SO3的浓度，还可能增加碳酸盐沉积并导致积灰腐蚀加剧。本项目以高钙煤为研究对象，探究其在煤粉锅炉中钙基碳酸盐沉积的形成机理和对金属材料的腐蚀机理。选取平面火焰携带流反应器模拟工业炉膛条件，对富氧燃烧条件下沉积过程展开详细的实验研究；通过酸洗和XRF XRD对煤中钙的赋存形态进行表征；选取原煤、脱矿煤和模型矿物质钙开展不同富氧燃烧工况的燃烧实验，分别采用急冷取样枪和可控温的积灰取样枪采集总灰和积灰样品；通过对样品的详细分析，揭示不同形态钙的热转化规律和沉积特性，以及对钙基碳酸盐沉积的贡献；通过对沉积物的矿物相态分析，选取模型钙基碳酸盐沉积，开展金属腐蚀实验；通过对金属断面的元素成分分析，研究碳酸盐沉积对金属材料的腐蚀作用机理，并揭示相关因素的影响规律。

对比古生代和中生代世界缓坡碳酸盐沉积体系与生物礁和浅滩镶边的碳酸盐陆架沉积体系，两者的区别是，①缓坡碳酸盐沉积物表面坡度极小; 而镶边陆架碳酸盐沉积物表面则存在明显坡折。②缓坡不存在生物礁。③缓坡近岸内坡相碳酸盐产率比镶边陆架台地顶部少。④海平面略有下降时，缓坡相带向海盆方向迁移，不会同时完全暴露，而镶边陆架的台地表面会全部暴露。⑤当海泛缓慢发生时，缓坡不会象镶边陆架的台地那样突然被海水淹没，而是被缓慢逐渐淹没，有利于潜水面的不断上升，使泥炭沼泽环境得以长期持续，形成厚煤层甚至巨厚煤层;而易被海水突然淹没的镶边陆架上则很难形成厚煤层。

碳酸盐缓坡上的沉积作用随水深、水温和波浪、潮汐作用强度的变化而异，主要的沉积相有内坡相、中坡相、外坡相和盆地相等 (图1)。

内坡相上临滨(海滩或潟湖滨线)和正常浪基面之间的缓坡沉积作用带。此带内海底经常受波浪作用的搅动。它主要包括潟湖潮滩沉积、潟湖沉积和高能浅滩或障壁岛沉积。

潟湖潮滩沉积潮湿气候条件易演化为沼泽和泥炭沼泽;干燥气候条件下易演化为有叠层藻和蒸发盐的盐沼。

潟湖沉积有生物搅动的和各种层状潟湖碳酸盐泥、泥粒灰岩和粒泥灰岩。

高能浅滩或障壁岛沉积常受波浪搅动，临滨或浅滩具交错纹层的鲕粒或生物碎屑的颗粒灰岩和泥粒灰岩。

中坡相正常浪基面至风暴浪基面之间的缓坡沉积作用带，以风暴浪的沉积作用占优势，海底沉积物主要受风暴浪和升浪作用的影响，沉积物主要是混合的粗粒、有递变层理的风暴岩，常有丘形交错层理的碳酸盐沉积物。

外坡相风暴浪基面以下的缓坡沉积作用带，偶有风暴作用的影响，沉积物几乎没有直接受风暴再作用的证据，但上部可能有稀疏的具递变层理的细粒远端风暴岩，下部可能为缺氧的深水泥质沉积岩与纹层状灰岩的互层。缺氧环境由盆地水的密度分层引起。

盆地相沉积物一般缺乏粗粒的风暴岩，缓坡至盆地中几乎都缺乏浊流沉积。深水快速沉降的盆地可能出现硅质细碎屑沉积物; 浅水盆地可能为具生物搅动构造的钙质泥岩; 受限制的盆地外坡和盆地中心可能均为具旋回性的富有机质泥岩组成。

上述各种相带之间是渐变、互相过渡的。

中国华北石炭二叠纪煤系中的碳酸盐岩即属碳酸盐缓坡沉积体系。2100433B

大力开发高效低污染的清洁燃煤技术对国家可持续发展和能源安全具有重大意义。循环流化床富氧燃烧是能有效控制燃煤气体污染物排放特别是温室气体CO2减排的一种新型清洁燃烧技术。本项目对该燃烧方式下各种因素对SO2的形成和钙基脱硫剂脱硫特性的影响规律进行试验和理论研究，深入研究钙基脱硫剂在煅烧、烧结、再碳酸化、硫化反应过程中的固体产物孔结构的生成和变化过程，建立脱硫剂煅烧、烧结和再碳酸化的孔隙网络结构模型，同时利用部分再循环烟气和一定量补充水蒸汽对乏脱硫剂进行活化来提高其脱硫反应性，并对其影响因素和机理进行研究，从而建立循环流化床富氧燃烧方式下的再循环烟气活化钙基脱硫模型，在此基础上再探索循环流化床富氧燃烧方式下经济高效脱除SO2的优化工艺方案。本项目的研究成果将为循环流化床富氧燃烧锅炉的开发和设计提供理论依据。