高鈉煤質(zhì)特性與沾污機理試驗研究

薛長海

(神華國能集團有限公司，北京100033)

0 引言

中國傳統(tǒng)煤炭基地，如山西、河南等，經(jīng)過數(shù)十年的開發(fā)，煤炭儲量日漸降低，但煤炭仍將長期在中國能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位［1］，因此不得不尋求新的煤炭產(chǎn)地.新疆蘊藏著大量煤炭能源。預(yù)測總量達219 萬億t，占中國預(yù)測煤炭總量的40%，居各省首位［2］，特別是準東地區(qū)預(yù)測儲量達3900 億t［3］，對緩解全國緊張的煤炭供應(yīng)具有重要意義。

準東地區(qū)煤種大部分為鈉含量(含灰分)高于2%的高鈉煤，屬高水分、中高熱值、煤質(zhì)堆積密度小、易著火、易燃盡、強結(jié)焦、高堿金屬含量、強沾污性、容易自燃煤質(zhì)，在實際應(yīng)用過程中暴露出許多問題，特別是嚴重結(jié)焦(渣)特性，成為困擾電廠安全運行的主要問題，嚴重制約了煤電一體化運營方針和整體布局。

目前對高鈉煤的研究處于起步階段，主要集中于高鈉煤的沾污機理試驗。文獻［4］研究了不同條件下水洗和水熱處理兩種方式對堿金屬的脫除效果，并考察了水熱處理對煤燃燒特性的影響。文獻［5］分析了煙氣溫度和積灰試驗管段外壁溫度對高鈉煤燃燒時受熱面積灰特性的影響。文獻［6］針對高鈉煤的鈉脫除問題，研究了洗滌溶液的脫鈉效果，同時對脫鈉過程中鈉的存在形式進行了評估實驗;文獻［7］分析了準東高鈉煤在不同熱解溫度下堿金屬鈉的析出特性、賦存形態(tài)以及熱解半焦的微觀形貌。以上研究主要采用試驗手段探討高鈉煤的沾污特性，在高鈉煤的電廠應(yīng)用方面尚存在較大研究空間。

本文根據(jù)試驗臺及案例電廠的沾污測試結(jié)果，分析高鈉煤沾污、結(jié)渣的主要影響因素;結(jié)合國際通用沾污等級劃分方法，考慮電廠實際情況，首次提出適合中國高鈉煤的沾污等級判斷標準;在此基礎(chǔ)上，進行一系列高鈉煤添加劑試驗，探索高鈉煤實際應(yīng)用的有效方式。

1 典型高鈉煤特性分析

表1 展示了典型高鈉煤與國內(nèi)典型煙煤、褐煤的組成成分，可以看出高鈉煤具有以下煤質(zhì)特點:

(1)全水分較高，和國內(nèi)典型褐煤接近;收到基灰分明顯低于國內(nèi)典型煙煤和褐煤;干燥無灰基揮發(fā)分低于國內(nèi)典型煙煤和褐煤;收到基低位發(fā)熱量介于國內(nèi)典型煙煤和褐煤之間。高鈉煤成分基本介于國內(nèi)典型煙煤和褐煤之間，具有一定可用性。

(2)高鈉煤的灰成分較特殊，煤灰中堿金屬含量高達53.09%，遠過于國內(nèi)典型煙煤和褐煤，導(dǎo)致其具有嚴重沾污傾向。兩種灰成分沾污指標顯示五彩灣煤的沾污特性遠遠高于國內(nèi)典型煙煤和褐煤，而井工煤如烏東煤的沾污性能和國內(nèi)典型煙煤和褐煤接近;

(3)哈氏可磨指數(shù)顯示五彩灣煤的可磨性較好，可磨指數(shù)遠遠高于國內(nèi)典型煙煤和褐煤，而烏東煤的可磨指數(shù)和神華侏羅紀煤以及國內(nèi)典型褐煤接近。

表1 典型高鈉煤與國內(nèi)其它煤種比較Tab.1 Comparison between typical high alkali coal in Xinjiang and other coal species at home

綜上所述，高鈉煤具有實際應(yīng)用的潛力與價值，但由于其較高的結(jié)渣沾污特性，需要充分考慮高鈉煤的沾污機理，采用適當措施實現(xiàn)高鈉煤的電廠利用。本文選取五彩灣煤作為沾污試驗與分析研究煤種。

2 沾污機理分析與驗證

煤中以NaCl 形式存在的氯在煤燃燒的過程中被釋放出來［8］，一部分直接以氣相形式與管壁氧化膜反應(yīng);另一部分直接與H2O、SO2、SO3發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸鈉和HCl 氣體，HCl 氣體露點很低，不易凝結(jié)在管壁上;剩余部分在管壁上凝結(jié)，繼續(xù)硫酸鹽化的同時生成HCl

因此沉積層中的HCl 與管壁表面氧化膜反應(yīng)，生成易揮發(fā)的FeCl2;當存在CO 或H2氣氛時，生成多孔、松脆易脫落的FeO 氧化膜，所以對受熱面氧化膜的破壞更為嚴重:凝結(jié)在管壁上積灰與金屬間的NaCl 受高溫作用形成的熔融態(tài)NaCl 會加速高溫腐蝕［9］

產(chǎn)物金屬氯化物與SO2和O2進一步反應(yīng)，形成疏松的Fe2(SO4)3表層，進一步加劇受熱面腐蝕。由沾污機理可知，發(fā)生沾污的關(guān)鍵是在換熱面管壁上形成一層硫酸鹽。高鈉煤中鈉含量高，在燃燒過程中容易形成硫酸鹽并沉積在換熱面管壁上，完成高溫黏結(jié)性積灰和高溫腐蝕過程，造成嚴重的沾污問題。

為探討高鈉煤的沾污機理，首先在試驗臺上測試五彩灣煤的沾污層灰分成分，驗證沾污主要影響成分;結(jié)合新疆某案例電廠的受熱面結(jié)渣統(tǒng)計情況，分析并驗證高鈉煤的沾污過程。

2.1 沾污試驗分析

200 kW 試驗臺上全燒準東五彩灣煤時，一、二、三級過熱器處所對應(yīng)的煙溫分別控制在850 ℃、750 ℃、600 ℃左右，壁溫控制在550 ℃左右。對所取沾污層的內(nèi)層(和管壁接觸的地方)和外層(與煙氣接觸的地方)進行了分別測試，結(jié)果見圖1。圖1 展示了一、二、三級過熱器處的沾污灰成分含量(Na2O 、K2O 、CaO、SO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3的濃度)。

由圖1(a)～(d)所可見，積灰內(nèi)層中Na2O 、K2O 、CaO、SO3出現(xiàn)了明顯的富集，圖1(e)～(g)中結(jié)果顯示積灰內(nèi)層中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量少于積灰外層，試驗結(jié)果證明準東煤的沾污主要是由堿金屬富集引起的。

圖1 不同材質(zhì)上粘結(jié)灰與疏松灰各成分含量Fig.1 The content of adhesive ash and loose ash in different materials

2.2 案例機組各受熱面灰分分析

案例機組150 t/h 鍋爐長期100%燃用準東煤，主要采用摻燒的方式燃用準東煤，其中#1 爐全年摻燒比例在90%左右。2013年10 月停爐期間采集了各受熱面的渣樣、灰樣進行分析，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)檢測結(jié)果進行初步分析可見:

(1)爐底渣的Na 含量遠遠低于爐內(nèi)其他部位渣塊。爐底渣大部分為自然脫落的表面渣塊?？梢?，燃燒過程中煤中Na 首先揮發(fā)、附著于高溫金屬表面，并不斷富集形成牢固、堅硬的底渣及結(jié)渣源。

圖2 鈉在爐內(nèi)的富集情況Fig.2 Enrichment of sodium in the furnace

(2)尾部煙道同一位置燒結(jié)灰中Na 含量顯著高于浮灰?？梢姡夯以诮饘俦砻娴臒Y(jié)過程也是一個Na 不斷富集的過程。

現(xiàn)場試驗及試驗室試驗結(jié)果均證實堿金屬(主要是Na)在準東煤結(jié)渣與積灰中起主導(dǎo)作用。其主要沾污機理為煤種堿金屬氣化溫度低，在爐膛內(nèi)高溫區(qū)產(chǎn)生氣化，此后遇到低溫受熱面或煙溫降低時發(fā)生凝結(jié)，沉積在受熱面上，與S、Si等礦物質(zhì)形成低溫共熔體，進一步吸附煙氣中飛灰，產(chǎn)生沾污。經(jīng)吹灰后，表層浮灰可吹掉，但高鈉底層由于粘結(jié)性強，無法靠吹灰清除，隨著鍋爐運行時間增長，粘結(jié)底層逐漸變厚并燒結(jié)，最后產(chǎn)生嚴重沾污。

3 高鈉煤沾污等級判斷標準

國外對煤的沾污研究較多，主要基于鉀鈉的影響原理。美國通常根據(jù)煤灰成分分析數(shù)據(jù)，把煤灰分成煙煤型灰和褐煤型灰。以D(k)表示煤灰中k 成分的濃度，上述劃分標準如下所示:

煙煤型灰:D(Fe2O3)＞D(CaO)+(MgO)

褐煤型灰:D(Fe2O3)＜D(CaO)+D(MgO)

堿金屬氧化物中氧化鈉含量對鍋爐沾污影響最為顯著［10］，以氧化鈉含量判別煤灰沾污的標準見表2。

表2 煙煤型灰和褐煤型灰按Na2O 含量確定的沾污傾向Tab.2 Bituminous coal ash and lignite ash fouling tendency determined by Na2O

高鈉煤灰屬于褐煤型灰，堿金屬主要與有機質(zhì)相結(jié)合(鈉和鉀的腐殖酸鹽)，當燒結(jié)時，它們轉(zhuǎn)變成易揮發(fā)的化合物(碳酸鹽和硫酸鹽)，當升華時，它們被細粒飛灰所富集，提高了飛灰的燒結(jié)強度，使之變得難以清除。

表3 中列出了烏魯木齊周邊地區(qū)典型電站鍋爐安全摻燒準東煤時鈉含量值，該值是摻燒優(yōu)化試驗后得出的結(jié)果。從中可以看出，對于目前200 MW、300 MW 容量等級的鍋爐，由于采用了燃燒器分段布置、爐膛和水平煙道過熱器布置了大量吹灰器等措施，對煤中鈉的適應(yīng)性明顯優(yōu)于100 MW 等級容量鍋爐，在煤灰中鈉含量在3.0%左右時可實現(xiàn)鍋爐的安全運行，而100 MW等級容量鍋爐煤灰中鈉含量的指標值應(yīng)在2.5%左右。另外從沾污指數(shù)f 值在1.39～3.30 來看，即“需要采取專門措施來防止爐膛結(jié)渣和受熱面沾污”。

表3 烏魯木齊周邊地區(qū)典型鍋爐安全摻燒時的準東煤灰鈉含量Tab.3 The sodium content of the typical safet y burning boiler surrounding area of Urumqi

表4 新疆煤沾污指數(shù)及界限值劃分Tab.4 Xinjiang coal contamination index and threshold value division

根據(jù)上述說明，結(jié)合試驗室研究成果，提出中國高鈉煤沾污性能等級劃分方法，即以煤中Na2O含量作為分級的主要依據(jù)，具體界限見表4。該分級方法對中國高鈉煤尤其是新疆地區(qū)煤沾污性能判別是適用的。

4 高鈉煤添加劑性能試驗

添加劑試驗的主要目的是通過添加劑改變準東煤的煤灰成分，從而改變準東煤的結(jié)渣、沾污機理，達到改善準東煤結(jié)渣和沾污的目的。

在一維火焰爐試驗臺上對加入添加劑的煤粉進行結(jié)渣特性的試燒，共進行了200 余組試驗，包括不同添加劑種類以及同類添加劑的不同比例，來試驗不同添加劑對準東五彩灣煤結(jié)渣以及堿金屬腐蝕的抑制特性。主要用到的添加劑有:鋁礦土、蛭石、鋁粉、二氧化硅、高嶺土、高嶺土與硝酸鎂混合物、蛭石與硝酸鎂混合物、礦土、膨潤土、準東煤的回收灰等。部分典型添加劑試驗結(jié)果見表5。

由表5 試驗結(jié)果可見，在試驗摻燒比例下，鋁土礦、鋁粉添加比例在3%時或高嶺土與硝酸鎂的混合物在添加比例為1%時即可顯著改變結(jié)渣形態(tài)。高嶺土與蛭石的混合物要在比較高的添加比例(5%)時也可緩解結(jié)渣。試驗中的其它添加劑對緩解結(jié)渣效果不明顯。綜合分析以上試驗結(jié)果，可見鋁基添加劑對緩解準東煤結(jié)渣效果較明顯。

一維爐試驗結(jié)果體現(xiàn)的是添加劑對準東煤結(jié)渣的影響，為分析添加劑對尾部沾污的影響，在試驗室對五彩灣煤和天池能源煤摻入添加劑后煤灰在不同溫度下的燒結(jié)比例進行了測試，以定性考察添加劑對尾部沾污的影響。

由圖3 可見，五彩灣煤在900 ℃以上時開始迅速燒結(jié)，在1 050 ℃時接近80%的灰已經(jīng)燒結(jié)。所用的各種添加劑中，膨潤土、ZM－G 型添加劑、兩種高嶺土均可明顯降低五彩灣煤的燒結(jié)比例，理論上分析應(yīng)對沾污有一定的緩解效果。

對五彩灣煤和天池能源煤的添加劑試驗結(jié)果可見，煤本身特性對添加劑使用效果也有重要影響，添加劑開發(fā)、使用時必須與目標煤相適應(yīng)。

從數(shù)十種添加劑的試驗室對比試驗結(jié)果來看，鋁土礦、高嶺土類的鋁基添加劑對緩解準東煤結(jié)渣、沾污有較明顯效果。但還需針對具體煤質(zhì)，綜合考慮有效性和經(jīng)濟性，通過工業(yè)化試驗確定合理的添加劑。

表5 添加劑的一維火焰爐試驗結(jié)果Tab.5 One-dimensional flame furnace test results for additives

圖3 使用不同添加劑后煤灰燒結(jié)比例Fig.3 The proportion of fly ash sintered after different additives used

5 結(jié)論

(1)準東煤的沾污主要是由堿金屬富集引起的，堿金屬(主要是Na)在準東煤結(jié)渣與積灰中起主導(dǎo)作用。

(2)中國高鈉煤沾污性能等級以煤中Na2O 含量作為分級的主要依據(jù)，低于3.3%時沾污程度較輕，反之則容易沾污，可針對具體情況選擇適用鍋爐。

(3)鋁土礦、高嶺土類的鋁基添加劑對緩解準東煤結(jié)渣、沾污效果較明顯。但還需針對具體煤質(zhì)，綜合考慮有效性和經(jīng)濟性，通過工業(yè)化試驗確定合理的添加劑。

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