新疆準(zhǔn)東煤結(jié)渣沾污特性研究

王 巖，高繼錄，陳曉利，盛增慶，郭萬貴

(1．遼寧東方發(fā)電有限公司，遼寧 撫順 113007；2．中電投東北節(jié)能技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179；3.國(guó)家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830063；4.中電投新疆能源化工集團(tuán)五彩灣發(fā)電有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831700)

新疆準(zhǔn)東煤是一種全新的優(yōu)質(zhì)煤種，具有中高水分、低灰分及高熱值等特點(diǎn)。準(zhǔn)東煤煤灰中堿金屬氧化物含量較高，其中Na和Ca含量通常達(dá)6.2%和32.8%以上，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前常見的動(dòng)力用煤，這會(huì)引起嚴(yán)重的灰沉積問題[1-2]。在電廠燃用準(zhǔn)東煤的過程中出現(xiàn)了爐內(nèi)燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)渣嚴(yán)重現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐爐膛出口煙溫升高以及高溫過熱器和高溫再熱器沾污堵塞、超溫爆管等問題，嚴(yán)重時(shí)停爐清理，限制了準(zhǔn)東煤的大規(guī)模應(yīng)用[3-5]。新疆某電廠摻燒準(zhǔn)東天池煤連續(xù)運(yùn)行15天后，從爐膛到水平煙道再到尾部受熱面均出現(xiàn)大面積結(jié)渣、沾污，且質(zhì)地非常堅(jiān)硬、難以處理，爆管現(xiàn)象也頻繁發(fā)生。如何安全、高效燃用準(zhǔn)東煤以及如何解決燃用準(zhǔn)東煤出現(xiàn)的問題成為準(zhǔn)東地區(qū)電力企業(yè)面臨的棘手問題[6-7]。

1 燃燒特性分析

某準(zhǔn)東礦區(qū)煤的干燥無灰基揮發(fā)分為31.12%，全水分為25.01%，收到基灰分為3.34%，收到基硫含量為0.28%，收到基低位發(fā)熱量為20 167 kJ/kg，屬于中高揮發(fā)分、特低灰分、高水分、高熱值褐煤，是優(yōu)良的動(dòng)力煤種。

利用熱天平研究煤的燃燒特性，對(duì)其結(jié)果的特征指數(shù)進(jìn)行綜合分析，給出特性判別指數(shù)，則可判斷煤質(zhì)特性。熱天平試驗(yàn)條件見表1。

表1 熱天平試驗(yàn)條件

著火穩(wěn)定性系數(shù)Rw見表2。由于準(zhǔn)東礦區(qū)煤種的穩(wěn)定性系數(shù)大于5.7，因此處于穩(wěn)定區(qū)，其煤質(zhì)極易穩(wěn)定燃燒。

表2 著火穩(wěn)定性系數(shù)Rw

準(zhǔn)東礦區(qū)煤的燃盡指數(shù)Rj見表3。由于燃盡指數(shù)大于5.7，其煤質(zhì)極易燃盡。

表3 燃盡指數(shù)Rj

2 灰熔點(diǎn)測(cè)試

準(zhǔn)東礦區(qū)煤灰熔融性見圖1，灰樣分別為標(biāo)準(zhǔn)灰和低溫制灰。標(biāo)準(zhǔn)制灰和低溫制灰下的軟化溫度分別為1 388 ℃和1 364 ℃，屬于較高軟化溫度灰，流動(dòng)溫度分別為1 420 ℃和1 393 ℃，分別屬于較高流動(dòng)溫度灰和中等流動(dòng)溫度灰。但在實(shí)際燃煤過程中，受熱面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的結(jié)渣、沾污問題，因此單一依靠灰熔點(diǎn)這一指標(biāo)并不能較好地說明其結(jié)渣、沾污機(jī)理。

圖1 準(zhǔn)東礦區(qū)煤灰熔融性

3 煤及煤灰成分分析

3.1 準(zhǔn)東礦區(qū)煤成分分析

煤成分分析通過使用微波消解儀(TOPEX)與電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)完成，結(jié)果見表4。

表4 準(zhǔn)東礦區(qū)煤成分分析 μg/g

本試驗(yàn)采用逐級(jí)萃取方法對(duì)煤中鈉等堿金屬賦值狀態(tài)進(jìn)行分析，選取2種較為典型的堿金屬Na和K作為研究對(duì)象，結(jié)果見表5。根據(jù)結(jié)果可以看到：煤中Na多呈現(xiàn)為水溶性，占總量的36.6%，不可溶性鈉含量次之，醋酸銨溶性鈉較前兩者稍少，鹽酸溶性鈉僅占1.9%。煤中K的賦存形態(tài)與Na相差較多，水溶性K僅為1.5%，醋酸銨溶性K比例占56.4%，不可溶性的比例較鹽酸溶性稍多。準(zhǔn)東礦區(qū)煤中水溶鈉居多，有機(jī)鈉和不可溶鈉含量較少，出現(xiàn)這種分布趨勢(shì)與煤的形成及進(jìn)化有一定關(guān)系，新疆高鈉煤中水溶鈉主要來自于海水蒸發(fā)殘留下的鹽分和成煤植物吸收水分帶入的無機(jī)鹽；成煤植物中本身含有的鈉則構(gòu)成了煤中的有機(jī)鈉，這部分鈉并不是新疆高鈉煤中鈉的主要存在形式，不可溶鈉是在進(jìn)化過程中由周圍環(huán)境帶來的。

表5 準(zhǔn)東礦區(qū)煤中Na、K元素的賦存形態(tài)分析 μg/g

3.2 準(zhǔn)東礦區(qū)煤灰成分分析

灰元素含量分析是對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)煤的標(biāo)準(zhǔn)制灰及低溫制灰進(jìn)行定量分析，結(jié)果見表6?；抑蠧aO含量近30%，MgO含量為17%左右，Na2O與K2O含量之和超過6%，而Al2O3與SiO2含量分別為5%與8%左右。

表6 準(zhǔn)東礦區(qū)煤灰成分分析 %

對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)煤進(jìn)行結(jié)渣指數(shù)計(jì)算，結(jié)果見表7。準(zhǔn)東礦區(qū)煤的硅指數(shù)、堿酸比、鐵指數(shù)都處于嚴(yán)重結(jié)渣范圍，計(jì)算結(jié)果表明，準(zhǔn)東礦區(qū)煤在使用過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)渣、沾污問題。

表7 結(jié)渣判別指數(shù)計(jì)算方法與判別指標(biāo)

注：*表示結(jié)渣傾向嚴(yán)重。

灰中礦物質(zhì)賦存形態(tài)分析采用X射線衍射儀(XRD)對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)標(biāo)準(zhǔn)制灰、低溫制灰進(jìn)行礦物質(zhì)物相分析。XRD掃描結(jié)果見圖2。

圖2 準(zhǔn)東礦區(qū)煤灰XRD圖譜1——石英(SiO2)；2——硬石膏(CaSO4)；3——石灰石(CaCO3)；4——硅酸鈣(Ca2SiO4)；5——鎂硅鈣石(Ca3MgSi2O8)；6——氧化鎂(MgO)

由圖2可見，低溫制灰中的礦物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)制灰存在明顯區(qū)別。低溫制灰中的礦物質(zhì)主要有CaSO4、CaCO3以及少量的Ca2SiO4和SiO2。而標(biāo)準(zhǔn)制灰時(shí)CaCO3消失，這是由于石灰石的分解溫度為720～800 ℃，

經(jīng)過灼燒，灰中的石灰石基本完全分解。隨著成灰溫度升高以及CaCO3的分解，硅鋁酸鹽與SiO2、MgO等氧化物相結(jié)合生成新的礦物質(zhì)Ca3MgSi2O8。

4 結(jié)論

a.準(zhǔn)東礦區(qū)煤質(zhì)燃燒穩(wěn)定，屬于易燃盡、優(yōu)良的動(dòng)力煤種，其著火穩(wěn)定性與燃盡性能介于煙煤和褐煤之間。

b.準(zhǔn)東礦區(qū)煤中水溶鈉居多，有機(jī)鈉和不可溶鈉含量較少，煤中醋酸銨溶性鉀占50%以上，說明以羧酸鹽形式存在的有機(jī)鉀多于以配位形式存在于含氮或含氧官能團(tuán)上的有機(jī)鉀。

c.準(zhǔn)東礦區(qū)煤的標(biāo)準(zhǔn)灰中Na2O含量達(dá)到7%，屬于典型高鈉煤，根據(jù)硅指數(shù)、堿酸比、鐵指數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)，其具有嚴(yán)重結(jié)渣和嚴(yán)重沾污特性。