不同氣氛下煤灰中鐵含量對(duì)灰熔融特性影響研究

殷志源，項(xiàng)群揚(yáng),竺浩煒

(1.浙江越華能源檢測(cè)有限公司，浙江 寧波 315200；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

0 前 言

在鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和相關(guān)政策的多重壓力下，由于煤種復(fù)雜多變，越來(lái)越多的燃煤電廠(chǎng)采用配煤摻燒技術(shù)，配煤的灰熔融特性是評(píng)判動(dòng)力用煤沾污、結(jié)渣以及選擇不同排渣方式的重要指標(biāo)，尤其是配煤的軟化溫度與其結(jié)渣特性息息相關(guān)[1，2]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)測(cè)單一煤灰的熔融溫度進(jìn)行的研究工作較多，并取得了較好的成果，其預(yù)測(cè)煤灰熔融性的方法主要可分為以下兩類(lèi)：① 直接將煤灰熔融溫度與煤灰的化學(xué)組成含量或含量之間的某種比值建立數(shù)學(xué)關(guān)系，采用回歸分析、最小二乘法、偏最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法確定預(yù)測(cè)關(guān)系式中的常數(shù);② 通過(guò)相圖、完全液相溫度等具有化學(xué)意義的介質(zhì)，建立煤灰熔融性溫度與化學(xué)組成的關(guān)系，進(jìn)而確定預(yù)測(cè)灰熔性溫度的方法[3-6]。其它預(yù)測(cè)方法有從原煤中礦物相組成和含量出發(fā)，進(jìn)而建立灰熔融溫度與原煤中礦物相組成之間的函數(shù)關(guān)系[7]。相關(guān)的灰熔融溫度預(yù)測(cè)模型均可在公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中查閱，更多基于煤灰熔融溫度和煤灰成分之間的關(guān)系研究，以及針對(duì)國(guó)標(biāo)方法氧化性氣氛和弱還原性氣氛對(duì)不同煤灰熔性溫度的影響研究表明，氧化性氣氛下灰熔融溫度均高于弱還原性氣氛下灰熔融溫度[8，9]。針對(duì)氣氛對(duì)灰熔融溫度的影響，一般認(rèn)為與灰成分中的鐵以及鈣鎂含量有關(guān)，其中由于煤灰中鐵元素在不同氣氛下存在不同的形態(tài)(硫化亞鐵、硫化鐵、氧化鐵、四氧化三鐵和碳酸鐵等)，因此在不同氣氛下由于煤灰成分中鐵的含量不同，對(duì)灰熔融溫度的影響也不同。

以下在國(guó)標(biāo)封碳法、燃煤鍋爐氧化性氣氛和燃煤鍋爐強(qiáng)還原性氣氛3種氣氛下研究煤灰成分中鐵含量對(duì)煤灰熔融溫度的影響，并給出相應(yīng)的計(jì)算關(guān)系式，以此作為對(duì)傳統(tǒng)灰熔融溫度預(yù)測(cè)模型的有效補(bǔ)充。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

搭建1套氣氛可調(diào)節(jié)的煤灰熔融特性測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，主要包括氣瓶組、質(zhì)量流量控制器和5E-AF4000灰熔融性測(cè)定儀；氣瓶組由4個(gè)氣瓶組成，分別為N2、O2、CO2和CO氣瓶，通過(guò)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)不同的氣體的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的氣體配比。

圖1 氣氛可調(diào)節(jié)的煤灰熔融特性測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)開(kāi)始前打開(kāi)氣瓶，通過(guò)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)氣體流量，通氣總流量為500 mL/min；配氣通過(guò)灰熔性溫度測(cè)試裝置后可通入煙氣分析儀監(jiān)測(cè)實(shí)際煙氣成分。試驗(yàn)期間，配氣持續(xù)通入，保持測(cè)試裝置內(nèi)的氣氛恒定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 氣氛條件設(shè)置

一般而言，干煙氣的主要成分是N2、CO、CO2和O2，其中N2約占80%，CO、CO2和O2合計(jì)占20%左右。根據(jù)低氮燃燒改造后鍋爐主燃區(qū)煙氣中CO含量分布范圍[10，11]，設(shè)計(jì)了6組氣氛情況，見(jiàn)表1。從氣氛2至氣氛6，CO含量依次增大。其中氣氛1為空氣組分，即GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測(cè)定方法》里規(guī)定的封碳法，氣氛2和氣氛3的O2含量從5%降至0%，CO含量從0升至5%。氣氛4和氣氛5的CO含量分別為10%和15%，模擬低氮改造后鍋爐主燃區(qū)的強(qiáng)還原性氣氛狀態(tài)；氣氛6為CO含量20%的極端情況，僅作為參考。

表1 灰熔融溫度試驗(yàn)氣氛

氣氛N2/%O2/%CO2/%CO/%氣氛1802000氣氛2805150氣氛3800155氣氛48001010氣氛5800515氣氛6800020

2.2 試驗(yàn)煤種的灰成分分析

為研究不同氣氛對(duì)煤灰熔融溫度的影響規(guī)律，試驗(yàn)煤種為某電廠(chǎng)常用的摻配混煤。主要煤質(zhì)分析參數(shù)見(jiàn)表2，煤的收到基灰分為10.94%，干燥無(wú)灰基的揮發(fā)分分布為36.09%，為典型的煙煤。

表2 試驗(yàn)煤種的主要煤質(zhì)參數(shù)

項(xiàng)目工業(yè)分析/%MadAdVdaf高位發(fā)熱量 Qgr d / MJkg-1 元素分析/%CdHdNdSt dOd神混煙煤9.3112.0636.0928.0671.194.190.900.5011.16

該摻配混煤的灰成分(分析結(jié)果)見(jiàn)表3。煤灰中酸性成分多會(huì)使煤的灰熔融溫度增高，因此灰成分的結(jié)渣指標(biāo)可通過(guò)堿酸比B/A來(lái)判斷，由式(1)計(jì)算可得。該煤種的酸堿比為0.297，屬于輕微結(jié)渣煤種。

(1)

表3 試驗(yàn)煤種的灰成分分析結(jié)果

%

2.3 不同氣氛下煤灰熔融溫度測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同氣氛下的煤灰熔融特性有較大差異，而該差異性與灰成分中氧化鐵的含量有較大關(guān)系。3種不同氣氛下煤灰軟化溫度(ST)、變形溫度(DT)與灰成分中氧化鐵含量的關(guān)系分別如圖2、圖3所示。3種氣氛分別為上述的氣氛1、氣氛2(N2∶O2∶CO2=80∶5∶15，模擬鍋爐實(shí)際氧化性氣氛)、氣氛5(N2∶CO2∶CO=80∶5∶15，模擬鍋爐實(shí)際還原性氣氛)；3種氣氛中封碳法為常規(guī)測(cè)試方法，氣氛還原性最強(qiáng)，而后2種氣氛更接近于大型燃煤鍋爐主燃區(qū)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。其中氣氛2為弱氧化性氣氛，接近于大型燃煤鍋爐原有運(yùn)行狀態(tài)；氣氛5為還原性氣氛，更接近于鍋爐低氮燃燒改造后的主燃燒器區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 3種不同氣氛下煤灰軟化溫度與灰成分中氧化鐵含量的關(guān)系

圖3 3種不同氣氛下煤灰變形溫度與灰成分中氧化鐵含量的關(guān)系

由以上可看出，不同氣氛下ST和DT的變化趨勢(shì)基本一致。以ST的變化規(guī)律為例，當(dāng)氧化鐵含量低于10%時(shí)，3種氣氛之間的熔融溫度差異相對(duì)較??；當(dāng)氧化鐵含量升高時(shí)，還原性氣氛下(封碳法和氣氛5)熔融溫度隨之明顯下降，而氧化性氣氛下灰熔融溫度確有所升高。

2.4 不同氣氛下條件下灰熔融溫度預(yù)測(cè)模型

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)可計(jì)算得出氣氛5和氣氛2之間的軟化溫度(ST)存在差異， 如圖4所示?？蓴M合得到氣氛5和氣氛2之間ST的差值(℃)與灰成分中氧化鐵含量(%)的函數(shù)關(guān)系為:y=-43+12.84x-0.110 9x2， 可根據(jù)該關(guān)系式評(píng)估鍋爐氣氛從氧化性氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原性氣氛后灰熔融溫度的下降情況，以此作為對(duì)灰熔融溫度常規(guī)預(yù)測(cè)模型的補(bǔ)充。

3 結(jié) 論

(1)氧化性與還原性氣氛下神混煙煤的煤灰熔融特性有較大差異，而其差異性與灰成分中氧化鐵的含量有較強(qiáng)相關(guān)性。當(dāng)氧化鐵含量大于10%時(shí)，隨著氧化鐵含量升高，在強(qiáng)還原性氣氛下熔融溫度下降明顯。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究并經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得出氧化性氣氛、還原性氣氛下神混煙煤類(lèi)煤灰軟化溫度差值與灰中氧化鐵含量的函數(shù)關(guān)系為y=-0.110 9x2+12.84x-43，可將其作為對(duì)灰熔融溫度常規(guī)預(yù)測(cè)模型的補(bǔ)充。