準(zhǔn)東高鈉煤沾污、結(jié)渣、腐蝕問(wèn)題研究

雍曉艱，周梓欣

（1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭綜合勘查院，新疆烏魯木齊830091；2.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開(kāi)發(fā)中心，新疆烏魯木齊830091）

根據(jù)準(zhǔn)東煤田各礦區(qū)總體規(guī)劃確定的煤炭轉(zhuǎn)化利用方向，2014年6月～2015年12月，作者作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一完成了新疆中央返還兩權(quán)價(jià)款資金《新疆煤炭資源分質(zhì)利用技術(shù)研究》項(xiàng)目，針對(duì)準(zhǔn)東煤田煤炭資源的煤質(zhì)特性，尤其是煤中鈉的賦存狀態(tài)及煤灰特性開(kāi)展研究，選取代表性樣品進(jìn)行提質(zhì)、熱解、氣化等轉(zhuǎn)化試驗(yàn)研究，提出新疆準(zhǔn)東煤田主要煤層的煤質(zhì)特征，分析煤炭轉(zhuǎn)化應(yīng)用中可能存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)對(duì)策，為新疆準(zhǔn)東煤田煤炭資源的潔凈、高效利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 概況

新疆準(zhǔn)東煤田位于準(zhǔn)格爾盆地的東部，北界山體為北西走向的克拉麥里山，南界山脈為東西向的東天山的博格達(dá)山，二者在木壘縣城東北部胡喬克處交匯，西界由克拉麥里山西端的滴水泉沿216國(guó)道向南至吉木薩爾城西三臺(tái)鎮(zhèn)，與準(zhǔn)噶爾盆地中心相接；整體呈東窄西寬的三角形。行政區(qū)劃大部屬昌吉州吉木薩爾縣、奇臺(tái)縣和木壘縣管轄。西北角屬阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣管轄。東西長(zhǎng)約226km，南北西邊界處最寬處為126km，面積約7596km2。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組、下統(tǒng)八道灣組。煤類為31號(hào)不粘煤，41號(hào)長(zhǎng)焰煤?？傎Y源量約2215×108t。煤田自西向東劃分為五彩灣、大井、將軍廟、西黑山和老君廟5個(gè)礦區(qū)。

2 燃用準(zhǔn)東煤存在的主要問(wèn)題

目前燃用準(zhǔn)東煤的電廠較多，主要分布在準(zhǔn)東地區(qū)和烏魯木齊地區(qū)，在疆外的甘肅和四川地區(qū)也有應(yīng)用。從燃用準(zhǔn)東高鈉煤的多家300MW等級(jí)電站鍋爐運(yùn)行情況來(lái)看，準(zhǔn)東煤燃燒發(fā)電利用存在的主要問(wèn)題有：

（1）不同類型、不同容量鍋爐燃用準(zhǔn)東煤均出現(xiàn)結(jié)渣、沾污問(wèn)題。無(wú)論是按新疆具有結(jié)渣傾向性的煙煤設(shè)計(jì)的煤粉鍋爐，還是按現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以準(zhǔn)東煤為設(shè)計(jì)煤種制造的煤粉鍋爐，甚至按準(zhǔn)東煤設(shè)計(jì)的、燃燒溫度更低的、防結(jié)渣性能較好的循環(huán)流化床鍋爐均無(wú)法以準(zhǔn)東煤為單一煤種，必須采用摻燒的方法才能安全燃用。目前煤粉鍋爐摻燒準(zhǔn)東煤比例一般低于50%，流化床鍋爐摻燒比例一般低于70%。已經(jīng)投運(yùn)的五彩灣350MW超臨界項(xiàng)目鍋爐（東方鍋爐廠制造）可做到額定負(fù)荷時(shí)摻燒75%準(zhǔn)東煤沾污結(jié)渣可控。

（2）爐膛至空氣預(yù)熱器區(qū)域的所有受熱面均可能發(fā)生積灰、結(jié)渣和沾污。實(shí)際運(yùn)行情況表明，當(dāng)燃用準(zhǔn)東煤比例過(guò)高時(shí)，鍋爐的爐膛水冷壁、屏區(qū)結(jié)渣（煤粉爐）以及對(duì)流受熱面均出現(xiàn)沾污積灰（所有類型鍋爐）等現(xiàn)象，吹灰器無(wú)法清除，除渣系統(tǒng)運(yùn)行困難、影響蒸汽溫度、堵塞煙道，嚴(yán)重時(shí)被迫停爐清渣清灰。

（3）在爐膛、高溫對(duì)流受熱面等區(qū)域出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。部分電廠在大量燃用準(zhǔn)東煤時(shí)出現(xiàn)水冷壁、過(guò)熱器、再熱器受熱面腐蝕，導(dǎo)致管壁減薄和爆管。

3 高鈉煤結(jié)渣、腐蝕、沾污

在燃燒和熱解過(guò)程中鈉在相對(duì)較低溫度下均有不同程度的逸出。對(duì)早中侏羅世的神東煤和義馬煤熱解試驗(yàn)表明，在400℃～700℃范圍內(nèi)煤中的鈉隨熱解溫度升高揮發(fā)性增加；對(duì)澳大利亞高鈉煤的熱解試驗(yàn)也表明，鈉在500℃～550℃時(shí)釋放速率出現(xiàn)最大值。對(duì)準(zhǔn)東煤不同溫度下的灰化試驗(yàn)表明鈉在燃燒過(guò)程中會(huì)不斷逸出，500℃～600℃主要生成NaCl，700℃時(shí)形成NaAlSi3O8，溫度更高時(shí)主要生成NaAlSiO4。

煤粉中灰分（礦物質(zhì)）燃燒后形成液態(tài)灰渣粘附在爐膛的受熱面上，逐步沉積成塊狀，形成結(jié)渣，影響鍋爐出力；而氣態(tài)灰分（礦物質(zhì)）在較冷的水冷壁、過(guò)熱器或再熱器管面上凝結(jié)，并與飛灰結(jié)合在一起沉積于管子上，對(duì)受熱面造成沾污。結(jié)渣沾污產(chǎn)物與鍋爐管壁發(fā)生反應(yīng)，腐蝕管壁，導(dǎo)致管壁減薄和爆管。

3.1 結(jié)渣的作用機(jī)理

按照對(duì)結(jié)渣的作用機(jī)理不同可將結(jié)渣分為高溫粘結(jié)灰、低溫粘結(jié)灰。鍋爐受熱面表面形成一層處于熔化或者軟化的粘性灰層（粘結(jié)性是由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生），靠這層粘性灰的捕捉作用積聚飛灰粒子，被捕捉到的飛灰在化學(xué)作用下形成緊密的灰層，即形成高溫粘結(jié)灰。堿金屬高溫粘結(jié)灰的形成機(jī)理為：

（1）灰分（礦物質(zhì)）中的堿金屬氧化物在燃燒時(shí)升華，靠擴(kuò)散作用到達(dá)并冷凝在管壁上；

（2）煙氣中部分SO2會(huì)氧化為SO3，冷凝在管壁上的堿金屬氧化物與煙氣中SO3反應(yīng)形成硫酸鹽；

（3）硫酸鹽與飛灰中的Fe2O3及煙氣中的SO3反應(yīng)，形成復(fù)合硫酸鹽Na2Fe(SO4)3、K3Fe(SO4)3；硫酸鹽與飛灰中的氧化鋁形成Na3(AlSO4)3、K3(AlSO4)3；這些產(chǎn)物在500℃～800℃范圍內(nèi)呈熔融狀，具有粘性；

（4）以這層為粘結(jié)劑，捕集飛灰粒子，繼續(xù)形成粘結(jié)物，結(jié)渣層迅速增長(zhǎng)。

低溫粘結(jié)灰形成于鍋爐的低溫受熱面，受熱面的壁溫低于或稍高于煙氣露點(diǎn)（50℃～180℃）。低溫粘結(jié)灰的形成機(jī)理為：

①硫酸蒸汽在低溫受熱面上冷凝，捕捉飛灰粒子，飛灰粒子中的CaO與硫酸反應(yīng)形成硫酸鈣；

②硫酸鈣具有粘性，可以繼續(xù)捕捉飛灰，形成水泥狀、致密的灰渣，這個(gè)過(guò)程也被稱為積灰水泥化?；业某练e物中大部分是可溶性的鋁、鈣和鐵的硫酸鹽。

一般煙氣的酸露點(diǎn)越高，積灰越嚴(yán)重。在粘結(jié)反應(yīng)中，少量的堿金屬硫酸鹽也起一定的作用，但不是主要作用。

3.2 腐蝕的作用機(jī)理

依據(jù)發(fā)生腐蝕區(qū)煙溫高低劃分發(fā)生在水冷壁煙氣側(cè)和過(guò)熱器、再熱器管外壁的高溫腐蝕以及發(fā)生在空氣預(yù)熱器冷端的低溫腐蝕。

高溫腐蝕是由高溫粘結(jié)灰引起。高溫粘結(jié)灰中有復(fù)合硫酸鹽X3Fe（SO4）3，（X為Na或者K）；溫度高于550℃，復(fù)合硫酸鹽呈熔液狀態(tài)；溫度高于710℃，復(fù)合硫酸鹽發(fā)生分解，釋放SO2，形成正硫酸鹽。液態(tài)的復(fù)合硫酸鹽對(duì)金屬有強(qiáng)烈的腐蝕作用，尤其是在650℃～750℃溫度范圍內(nèi)腐蝕速度很快。

低溫腐蝕主要有化學(xué)腐蝕（硫酸作用于金屬）和電化學(xué)腐蝕（水蒸氣冷凝后與金屬作用），是硫酸作用產(chǎn)物。腐蝕均發(fā)生在溫度低于酸露點(diǎn)的壁面上，腐蝕產(chǎn)物主要是低價(jià)鐵的硫酸鹽（FeSO4）和鐵的氧化物Fe2O3和Fe3O4等。

3.3 沾污的作用機(jī)理

對(duì)于粉煤鍋爐來(lái)講，由于煤在爐壁與過(guò)熱器上的積灰與沾污，造成非計(jì)劃的停工次數(shù)日漸頻繁。人們經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤灰中的堿金屬氧化物（尤其是Na2O）是引起沾污的元兇，并據(jù)此提出了評(píng)定煤灰沾污性的指標(biāo)，稱為沾污性指數(shù)（Fouling Index）以Rf表示。研究表明鈉、鈣對(duì)鍋爐沾污的影響往往與煤中氯含量有關(guān)，氯含量越高，沾污越嚴(yán)重。

3.4 準(zhǔn)東煤的結(jié)渣、沾污傾向性

目前結(jié)渣性的判別主要是根據(jù)煤灰熔融性溫度、煤灰成分以及煤灰粘度劃分結(jié)渣傾向性；沾污性的判別主要是以鈉含量為判別指標(biāo)以及以煤灰、飛灰的燒結(jié)強(qiáng)度作為判別指標(biāo)。準(zhǔn)東煤中鈉含量高是結(jié)渣沾污性嚴(yán)重的主要原因，鈉在500℃～800℃下釋放，以氣態(tài)形成凝結(jié)在較冷的水冷壁、過(guò)熱器或再熱器管面上，并與飛灰結(jié)合在一起沉積于管子上，對(duì)受熱面造成沾污；此外鈉蒸汽與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成熔融的高溫粘結(jié)灰，沉積在鍋爐的高溫受熱面上，形成結(jié)渣，并可與管壁反應(yīng)造成腐蝕。

4 掛渣試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

依據(jù)DL/T 1106-2009《煤粉燃燒結(jié)渣特性和燃盡率一維火焰爐測(cè)試方法》搭建試驗(yàn)裝置，將碳化硅棒從爐底取樣槍孔垂直插入一維沉降爐的爐膛不同位置，并使其頂端置于起初根據(jù)煤粉停留時(shí)間計(jì)算好的位置處，研究爐膛不同位置的結(jié)渣沾污情況。工況穩(wěn)定運(yùn)行2h后迅速取出結(jié)渣棒，用水將取得的灰渣進(jìn)行迅速冷卻，以保持灰渣中物相的穩(wěn)定性，之后對(duì)灰渣進(jìn)行干燥處理，用瑪瑙研缽研磨到一定細(xì)度后，利用掃描電鏡對(duì)渣樣表面微觀形貌進(jìn)行分析。

4.2 結(jié)果與分析

水冷壁管壁渣：通過(guò)選取代表性樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，水冷壁管壁結(jié)渣典型形貌，從掃描電鏡下圖像來(lái)看，樣品形貌特征多樣，大小、形態(tài)各異；以Al和O為主的物質(zhì)多以圓柱體形狀出現(xiàn)；物質(zhì)成分均以Ca、Si、Al、O為主，并含有少量的碳元素，其他元素的含量較低；鈉元素含量均相對(duì)較低。

過(guò)熱器管壁渣：通過(guò)選取代表性樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，過(guò)熱器管壁渣典型形貌，結(jié)渣物質(zhì)形態(tài)主要有2種：灰色基質(zhì)及不規(guī)則的白色顆粒。2種物質(zhì)成分復(fù)雜，白色顆粒相對(duì)富集Ca、S、Fe、Na等元素，而灰色基質(zhì)中Si和Al含量更多。鈉在樣品各個(gè)位置均有分布，局部略有富集，未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律，說(shuō)明鈉是以蒸汽冷凝后比較均勻的分布在樣品各個(gè)位置中。

再過(guò)熱器管壁渣：通過(guò)選取代表性樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再過(guò)熱器管壁渣典型形貌，樣品多為球形或者近球形顆粒，僅部分樣品呈基質(zhì)狀，物質(zhì)成分均以Si、Al、O為主；物質(zhì)成分與形貌間并無(wú)明細(xì)規(guī)律，樣品中鈉含量相對(duì)較低。

粘結(jié)灰：通過(guò)對(duì)代表性樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，粘結(jié)灰以熔融顆粒狀為主，形貌變化較大；無(wú)論是S、Ca樣品，Si、Al基樣品，Ca、Fe基樣品，F(xiàn)e、Mg樣品，鈉含量均較高，并未明顯的富集規(guī)律。

灰渣：通過(guò)對(duì)代表性樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，灰渣樣品以顆粒狀物質(zhì)為主，也見(jiàn)熔融狀顆粒，顆粒尺寸變化較大；物質(zhì)成分以硅鋁質(zhì)為主，含有少量的Ca和S，樣品中鈉含量相對(duì)較低。

飛灰中含鈉顆粒分析：通過(guò)對(duì)代表性樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，飛灰中含鈉顆粒以大小不等的球形及近球形顆粒為主，并含有少量的熔融狀顆粒；物質(zhì)成分以Si、Al、Ca和S為主，鈉含量相對(duì)較低。

5 結(jié)論

本文提出了燃用準(zhǔn)東煤時(shí)，鍋爐均出現(xiàn)結(jié)渣、沾污問(wèn)題，爐膛至空氣預(yù)熱器區(qū)域的所有受熱面均可能發(fā)生積灰、結(jié)渣和沾污，在爐膛、高溫對(duì)流受熱面等區(qū)域出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象等問(wèn)題；介紹了結(jié)渣作用機(jī)理、腐蝕的作用機(jī)理、沾污的作用機(jī)理；分析了準(zhǔn)東煤的結(jié)渣、沾污傾向性；最后通過(guò)對(duì)代表性樣品進(jìn)行分類掛渣試驗(yàn)研究，更進(jìn)一步證實(shí)了準(zhǔn)東煤中鈉的富集特征，為更好、潔凈、高效利用準(zhǔn)東煤提供了技術(shù)支撐。

[1]李瑞明，雍曉艱，白向飛，丁華，李賽歌.新疆準(zhǔn)東煤田煤炭資源分質(zhì)利用技術(shù)研究[R].新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，2015：244-253.

[2]周繼兵，彭一江，高占華，易賢銀.新疆準(zhǔn)東煤田東部南礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆昌吉英格瑪煤電投資有限責(zé)任公司，新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，2008：141-160.

[3]周繼兵，高占華，賈姣茹.新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆阜康能源開(kāi)發(fā)有限公司，新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，2008：86-95.

[4]周繼兵，雷國(guó)明，易賢銀，王曉徽.新疆準(zhǔn)東煤田將軍廟礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆潞安能源有限責(zé)任公司，新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，2009：205-231.

[5]周繼兵，阮傳明，葛棟鋒，王智慧.新疆準(zhǔn)東煤田西部礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆神華礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，2007：139-158.