高碱煤燃烧中钠迁移行为建模及结渣控制策略研究——基于350 MW切圆燃烧锅炉的数值模拟

针对高碱煤(Zhundong coal)燃烧过程中碱金属(Na/K)引发的锅炉受热面腐蚀和结渣(fouling)问题，本研究通过耦合钠释放-转化-冷凝模型与煤粉燃烧模型，系统研究了350 MW切圆燃烧锅炉(tangentially fired boiler)内钠物种的时空演化特征。研究发现NaCl主导钠盐凝结(占总量80%以上)，主要分布于炉膛下部辐射受热面；Na2SO4则在富氧上部形成。通过调控过量空气系数(α)、一次风比例(r)和二次风分配模式，证实二次风"正塔型"分布可降低15.3%凝结量，为高碱煤清洁高效利用提供理论支撑。

　　

随着我国新疆地区超大煤田的开发利用，储量达2.19万亿吨的准东煤(Zhundong coal)因其低燃点、高发热量等优势成为火电行业的重要燃料。然而这类高碱煤(alkali metal content 3-8%)在燃烧过程中会释放大量钠(Na)、钾(K)等碱金属，形成NaCl和Na₂SO₄等黏性盐类在受热面凝结，不仅引发严重腐蚀，还会吸附飞灰导致结渣(fouling)。某350 MW机组在燃用纯准东煤时，仅运行1500小时就因严重结渣被迫停炉，即使优化后最大掺烧比也不得不超过75%。这一难题严重制约着我国高碱煤的大规模利用，亟需深入探究碱金属在炉内的迁移转化规律。

东南大学的研究团队通过开发创新的钠迁移模型，将其与煤粉燃烧模型耦合，建立了高碱煤燃烧全过程模拟框架。研究采用Eulerian-Lagrangian方法描述气固两相流，利用可实现k-ε模型模拟湍流，结合P1辐射模型和有限速率/涡耗散模型处理燃烧反应。通过构建包含钠释放(R1-R10)、气相转化(R11-R19)和壁面冷凝的完整迁移链条，系统模拟了350 MW切圆燃烧锅炉内钠物种的演化过程。

4.1 钠物种分布特征
研究发现钠迁移呈现显著时空异质性：在炉膛下部(Z<28 m)，煤粉热解释放的H₂O溶性钠快速转化为NaCl，峰值浓度达110 ppmv，61%凝结于辐射受热面；而在上部富氧区(Z>31 m)，通过Na+SO₂→NaSO₂→Na₂SO₄路径(R17-R18)生成的Na₂SO₄占总量74%凝结于对流受热面。整体NaCl凝结量(8.15×10^-3 kg/s)是Na₂SO₄(1.03×10^-3 kg/s)的8倍，证实NaCl是主要结渣介质。

4.2 过量空气系数影响
当α从1.1增至1.25时，上部富氧环境促进NaCl向Na₂SO₄转化(R19)，使Na₂SO₄浓度提升23%，但总凝结量仅降低2%。这表明单纯增加供氧虽可改变钠盐形态分布，但无法有效缓解结渣问题。

4.3 一次风比例调控
提高一次风比例(r=22%→31%)可增强燃烧初期钠的氧化，使NaCl峰值浓度从135降至90 ppmv，但同时导致Na₂SO₄凝结量增加12%。最终总凝结量仅降低6%，再次印证单一参数调节的局限性。

4.4 二次风分配模式
研究对比了平衡型、正塔型、倒塔型和沙漏型四种分配模式。倒塔型因炉底供氧不足导致NaCl局部富集，使灰斗区凝结量增加26%；而正塔型和沙漏型通过增强下部供氧，分别降低总凝结量9%和5%，展现出更好的结渣控制潜力。

这项发表在《Fuel》的研究首次完整揭示了大型切圆锅炉内钠迁移的时空演化规律，建立了包含冷凝过程的预测模型。研究发现通过优化二次风分配而非单纯调节氧量，可更有效控制NaCl形成，为准东煤的规模化清洁利用提供了关键技术支撑。该成果对解决我国西部高碱煤利用难题、保障能源安全具有重要实践意义，也为同类机组优化运行提供了理论依据。