爐內(nèi)燃燒溫度對準(zhǔn)東煤灰熔融特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

周文臺， 何 翔， 魏增濤， 陳端雨， 施鴻飛， 馬達(dá)夫

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

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爐內(nèi)燃燒溫度對準(zhǔn)東煤灰熔融特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

周文臺， 何 翔， 魏增濤， 陳端雨， 施鴻飛， 馬達(dá)夫

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

當(dāng)爐內(nèi)燃燒溫度為950 ℃、1 150 ℃和1 350 ℃時(shí)，改變爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)，分別設(shè)置為2.0%～2.5%、4.0%～4.5%和6.5%～7.0%，在準(zhǔn)東煤沾污結(jié)焦實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并收集沾污段的飛灰進(jìn)行可燃物化驗(yàn)、電子掃描電鏡掃描和X射線熒光光譜儀檢驗(yàn)等分析.結(jié)果表明：爐內(nèi)燃燒溫度升高會使煤粉表面燒結(jié)性更強(qiáng)，阻礙了氧氣向煤粉內(nèi)部的擴(kuò)散，導(dǎo)致飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大；鈉元素在950～1 150 ℃存在某種形式的快速釋放，而鉀元素則不會；爐內(nèi)燃燒溫度越低，煤灰熔融溫度越低，結(jié)渣性越強(qiáng)，但這不是引起爐內(nèi)沾污積灰的主要原因；爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的變化對飛灰成分和堿金屬析出的影響較小.

準(zhǔn)東煤； 沾污結(jié)焦； 熔融特性； 飛灰

準(zhǔn)東煤的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，具有良好的著火和燃盡性能.但是準(zhǔn)東煤中堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)極高，相比于我國動力煤中鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值(1%以下)，部分準(zhǔn)東煤中的鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%及以上，并且準(zhǔn)東煤灰中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)也高達(dá)20%～30%.在煤中過高堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共同作用下，在準(zhǔn)東煤利用過程中，燃燒設(shè)備受熱面的結(jié)焦問題十分嚴(yán)重[1].實(shí)際摻燒結(jié)果均表明，大量摻燒準(zhǔn)東煤會導(dǎo)致燃燒設(shè)備從爐膛到尾部受熱面均出現(xiàn)大面積結(jié)焦，甚至?xí)霈F(xiàn)煙道被焦渣完全堵塞，通過分析焦渣發(fā)現(xiàn)了大量的鈉和鈣等元素.堿金屬被普遍認(rèn)為是引起受熱面沾污及結(jié)焦的主要原因,而堿金屬的析出與爐內(nèi)燃燒溫度密切相關(guān),筆者重點(diǎn)研究了爐內(nèi)燃燒溫度與準(zhǔn)東煤堿金屬析出的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)臺

實(shí)驗(yàn)是在上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院與新疆天池能源有限責(zé)任公司共同搭建的準(zhǔn)東煤沾污結(jié)焦實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行的.實(shí)驗(yàn)臺示意圖見圖1,其熱功率為0.4 MW.該實(shí)驗(yàn)臺模擬大型電站鍋爐，包含制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和尾部煙氣處理系統(tǒng)等.

圖1 實(shí)驗(yàn)臺的布置形式

2 實(shí)驗(yàn)工況

通過調(diào)節(jié)給煤量及輔助燃燒爐的燃燒程度，進(jìn)而控制爐內(nèi)燃燒溫度，分別選取爐內(nèi)燃燒溫度為950 ℃、1 150 ℃和1 350 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并收集沾污段上的沾污物.此外，在爐內(nèi)各燃燒溫度下，改變二次風(fēng)量，進(jìn)而達(dá)到改變爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的目的.具體的實(shí)驗(yàn)工況見表1.

3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)采集各工況下沾污段上的沾污物，對其進(jìn)行可燃物及X射線熒光光譜分析 (XRF)檢驗(yàn)，并記錄各工況下CO和NOx的體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)煤種的元素分析和工業(yè)分析見表2.

表1 實(shí)驗(yàn)工況

表2 實(shí)驗(yàn)煤種成分分析

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一般來說，爐內(nèi)燃燒溫度越高，進(jìn)入爐膛的煤粉通過熱輻射獲得相同著火活化能所需的時(shí)間越短，煤粉在爐內(nèi)的有效燃燒時(shí)間越長，飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)會逐漸減小，但對于準(zhǔn)東煤來說，如圖2所示，爐內(nèi)燃燒溫度越高，飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越高.這是因?yàn)?，?zhǔn)東煤的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常高，所需著火熱較小，其著火時(shí)間和距離均非常短，因此爐內(nèi)燃燒溫度對煤粉燃燒的影響較其他煤種小.

圖2 不同工況下的飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

另一方面，爐內(nèi)燃燒溫度越高，煤粉燃燒越強(qiáng)，燒結(jié)程度越高，表面更加致密，反而會阻礙氧氣向煤粉內(nèi)部的擴(kuò)散，導(dǎo)致煤粉內(nèi)部更加容易缺氧，出現(xiàn)難以燃盡的情況.圖3～圖5為工況2、工況5和工況8下沾污物的電子掃描電鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.

從圖3～圖5可以看出，相同爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)下，隨著爐內(nèi)燃燒溫度的不斷升高，沾污物表面凹凸性越差，越趨于平整，說明其表面結(jié)構(gòu)更加致密，相對比表面積減小，這也是爐內(nèi)燃燒溫度越高，飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高的主要原因.

4.2 成分分析

收集沾污物，并通過X射線熒光光譜儀對其進(jìn)行檢查，主要是對堿金屬及礦物質(zhì)成分進(jìn)行檢驗(yàn).

圖3 工況2下沾污物內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1 000倍)

圖4 工況5下沾污物內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1 000倍)

圖5 工況8下沾污物內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1 000倍)

4.2.1 堿金屬分析

圖6給出了沾污物中Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爐內(nèi)燃燒溫度、爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系.從圖6可以看出，隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，飛灰中鈉元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減小.不少學(xué)者對準(zhǔn)東煤中鈉元素的遷徙進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為鈉的釋放在燃燒初期，其總質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不發(fā)生變化[2-3]；但隨著燃燒的加劇，鈉元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過NaCI氣體的揮發(fā)、有機(jī)鈉轉(zhuǎn)化成的揮發(fā)成分釋放及鈉原子和氯原子進(jìn)行釋放[4-6].當(dāng)爐內(nèi)燃燒溫度在950 ℃時(shí)，鈉元素多在飛灰中，當(dāng)爐內(nèi)燃燒溫度進(jìn)一步升高至1 150 ℃以后，飛灰中的鈉元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇減小，說明鈉元素通過某些方式釋放到了煙氣中，并且最終凝結(jié)在管壁上，與煙氣中的SO2和SO3反應(yīng)，生成各種硫酸鹽，這些硫酸鹽在高溫作用下形成密實(shí)黏結(jié)沉淀層，一方面使高溫過熱器、高溫再熱器管壁腐蝕加重，另一方面會造成高溫黏結(jié)性積灰[7-8].

圖6 沾污物中Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爐內(nèi)燃燒溫度、爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

Fig.6 Na2O content in deposit vs. combustion temperature and outlet oxygen concentration

從圖6還可以看出，爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)對堿金屬的遷徙作用影響較小，在相同爐內(nèi)燃燒溫度、不同爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)下所采集的飛灰中，Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在同一數(shù)量級.

圖7給出了沾污物中K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爐內(nèi)燃燒溫度、爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系.從圖7可以看出，沾污物中鉀元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著爐內(nèi)燃燒溫度、爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的變化基本變化不大，說明鉀元素如果存在某種形式的釋放，那么其釋放溫度應(yīng)該低于950 ℃；研究[9]顯示，煤中鉀元素主要以鋁硅酸鹽的形式存在，而鋁硅酸鹽在高溫下比較穩(wěn)定，不易揮發(fā)，所以高溫下鉀元素的釋放量較少.

圖7 沾污物中K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爐內(nèi)燃燒溫度、爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

Fig.7 K2O content in deposit vs. combustion temperature and outlet oxygen concentration

4.2.2 飛灰成分分析

對采集的飛灰進(jìn)行主要礦物質(zhì)成分分析，結(jié)果見表3.從表3可以看出，隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，沾污物中SiO2、Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，而CaO、Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，說明隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，飛灰中的礦物質(zhì)成分發(fā)生了某些變化.

表3 飛灰的礦物質(zhì)成分分析

Tab.3 Composition analysis of minerals in different ash samples %

在燃燒過程中，根據(jù)各礦物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)以及現(xiàn)有的研究成果[10-13]，結(jié)合上述幾種礦物質(zhì)的成分變化，推測如下：(1)隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來越高，說明此過程中發(fā)生了某些分解反應(yīng)[14]，或者說生成CaO的分解反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)；(2)Al2O3在煤灰熔融過程中起“骨架”作用，煤灰熔融溫度隨Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸升高，但在本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同爐內(nèi)燃燒溫度下沾污物成分中的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大；(3)隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，可能是高活性的SiO2與CaO、MgO發(fā)生反應(yīng)，在1 000 ℃左右會生成鎂硅鈣石，爐內(nèi)燃燒溫度再升高后鎂硅鈣石會分解生成斜硅鈣石，SiO2在煤灰熔融過程中容易發(fā)生玻璃化反應(yīng)生成無定形玻璃體，縮短了灰渣軟化的時(shí)間，并易與金屬氧化物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共熔體，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，煤灰熔融溫度將升高；(4)隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，說明黃鐵礦進(jìn)一步被氧化成赤鐵礦，1 200 ℃左右時(shí)，赤鐵礦與硬石膏分解得到的CaO及偏高嶺石分解得到的高活性Al2O3反應(yīng)生成鈣鐵鋁石.

從表3還可以看出，爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)變化對飛灰成分的影響較小，故本次取爐內(nèi)燃燒溫度變化而爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)不變的工況1、工況4和工況7在SiO2-CaO-Al2O3的三元相圖中進(jìn)行分析，如圖8所示.圖8中C表示CaO；S表示SiO2.SiO2-CaO-Al2O3三元相圖中的二元礦物質(zhì)有CS(熔點(diǎn)為1 544 ℃)、Ca2SiO4(熔點(diǎn)為2 130 ℃)、Ca3SiO5(熔點(diǎn)為2 150 ℃)、Ca3Al2O6(熔點(diǎn)為1 535 ℃)、CaAl2O4(熔點(diǎn)為1 600 ℃)、Ca12Al14O33(熔點(diǎn)為1 400 ℃)、CaAl12O19(熔點(diǎn)為1 850 ℃)、CaAl4O7(熔點(diǎn)為1 732 ℃)、方石英(熔點(diǎn)為1 710 ℃)、鱗石英(熔點(diǎn)為1 650 ℃)、硅鈣石(熔點(diǎn)為2 130 ℃)、假硅灰石(熔點(diǎn)為1 540 ℃)和莫來石(熔點(diǎn)為1 840 ℃)；三元化合物有鈣長石(熔點(diǎn)為1 553 ℃)和鈣黃長石(熔點(diǎn)為1 553 ℃)；純組分物質(zhì)有CaO(熔點(diǎn)為2 570 ℃)、Al2O3(熔點(diǎn)為2 045 ℃)和SiO2(熔點(diǎn)為1 723 ℃)[15]．

當(dāng)爐內(nèi)燃燒溫度為950 ℃和1 150 ℃時(shí)，其飛灰(圖8中位置1和位置4)位于低溫共熔區(qū)、鈣長石與鈣黃長石區(qū)域邊界，其結(jié)渣性強(qiáng)，隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，當(dāng)爐內(nèi)燃燒溫度為1 350 ℃時(shí)，飛灰組成點(diǎn)(圖8中位置7)位于硅酸鈣區(qū)域，其煤灰熔融溫度較高.從煤灰熔融溫度方面來講，爐內(nèi)燃燒溫度越高，所生成的灰熔點(diǎn)也越高，更不容易結(jié)焦.但從實(shí)際投運(yùn)的電廠來看，爐內(nèi)燃燒溫度越高，反倒容易結(jié)焦，說明準(zhǔn)東煤的結(jié)焦不是主要取決于灰熔點(diǎn)，而是由于爐內(nèi)燃燒溫度升高以后，堿金屬的釋放所引起的沾污而導(dǎo)致的.

圖8 SiO2-CaO-Al2O3三元相圖

5 結(jié) 論

(1)隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，準(zhǔn)東煤的飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增大，這是因?yàn)殡S著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，煤粉表面燒結(jié)性更強(qiáng)，表面更加致密，阻礙了氧氣向煤粉內(nèi)部的擴(kuò)散.

(2)鈉元素在950～1 150 ℃存在某種快速釋放的形式，這些釋放到煙氣中的鈉元素會在煙溫較低的尾部凝結(jié)在受熱面上，給沾污積灰提供條件；隨著爐內(nèi)燃燒溫度的升高，飛灰中的鉀元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大；因此要避免鍋爐嚴(yán)重沾污結(jié)焦，應(yīng)當(dāng)盡量避免鈉元素的釋放，可考慮控制爐內(nèi)燃燒溫度的方式.

(3)爐內(nèi)燃燒溫度越高，煤灰熔融溫度較高，結(jié)渣性越弱；爐內(nèi)燃燒溫度越低，煤灰熔融溫度較低，結(jié)渣性越強(qiáng)；但這不是引起爐內(nèi)沾污積灰的主要原因，沾污積灰的主要因素還是由堿金屬的釋放而引起的.

(4)爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)的變化無論是對飛灰可燃物的影響，還是對飛灰中堿金屬的析出釋放，以及對飛灰中礦物質(zhì)成分的影響均較小.

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Effects of Combustion Temperature on the Ash Melting Properties of Zhundong Coal

ZHOU Wentai, HE Xiang, WEI Zengtao, CHEN Duanyu, SHI Hongfei, MA Dafu

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Ash fouling properties of Zhundong coal were studied in a test rig at combustion temperatures of 950 ℃, 1 150 ℃ and 1 350 ℃, and with the oxygen concentration set as 2.0%-2.5%, 4.0%-4.5% and 6.5%-7.0%, respectively. The fly ash collected from relevant contamination segments was then examined by combustible test, SEM analysis and X-ray fluorescence spectrometer analysis, etc. Results show that with the rise of combustion temperature, the sintering behavior on surface of coal particles tends to increase, which inhibits the diffusion of oxygen into coal particles, leading to increased combustible content in fly ash. In the temperature range of 950-1 150 ℃, element Na releases quickly in a certain form, but element K does not. The lower the combustion temperature is, the lower the ash melting temperature and the stronger the clinkering property will be, however, this is not the main cause of ash deposition in the furnace. The variation of oxygen concentration at furnace outlet affects little on the composition of fly ash and the release of alkali metal.

Zhundong coal; ash fouling; melting property; fly ash

2016-03-21

2016-04-11

國家科技支撐計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015BAA04B00)

周文臺(1981-)，男，四川達(dá)州人，工程師，碩士，主要從事大型電站鍋爐的燃燒優(yōu)化及能耗評定方面的研究. 電話(Tel.): 13310033331；E-mail：zhouwentai@speri.com.cn.

1674-7607(2016)12-0945-06

TK227

A 學(xué)科分類號：470.30