富氧/水-氧條件下準(zhǔn)東煤熔融特性研究

周昊，陳振寰，張佳凱，周陳穎

(能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué))，浙江省 杭州市 310007)

0 引言

爐膛結(jié)渣問題是影響機(jī)組效率和安全運(yùn)行的主要因素之一[1]，而燃燒過程中煤的熔融結(jié)渣與煤灰中礦物質(zhì)在高溫下的轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)。研究表明，礦物種類及其相對百分含量影響著煤灰的熔融溫度[2-4]。部分學(xué)者利用煤灰熔融溫度的變化規(guī)律，采用配煤方法以改變和控制煤灰的熔融溫度，達(dá)到煤的最佳利用效果[5-8]。

作為一種典型的高堿、高鐵煤，準(zhǔn)東煤是重要的鍋爐用煤之一，其具有硫和灰分含量低、熔融溫度較低及易結(jié)渣粘污等特點(diǎn)。準(zhǔn)東煤的高堿金屬使煤熔融過程中極易發(fā)生低溫共熔反應(yīng)，降低灰熔融溫度，增加灰渣黏性，導(dǎo)致準(zhǔn)東煤具有強(qiáng)結(jié)渣傾向[9-10]。而含鐵硅酸鹽物質(zhì)產(chǎn)生的熔融灰分顆粒也是影響準(zhǔn)東煤熔融結(jié)渣的主要因素之一[11]，為解決準(zhǔn)東煤的強(qiáng)結(jié)渣傾向問題，不少學(xué)者對其灰熔融特性進(jìn)行了研究[12-14]。由于礦物在煤中的賦存特征，反應(yīng)時(shí)間、溫度、顆粒大小和氣氛環(huán)境都會(huì)影響含鐵礦物轉(zhuǎn)化過程和最終產(chǎn)物的形成[15-21]，準(zhǔn)東煤在不同氣氛條件下的熔融特性也應(yīng)有所不同。李漢卿等[22]指出，空氣氣氛、CO2氣氛及 O2/CO2氣氛對準(zhǔn)東煤灰熔融溫度影響較小，但O2/CO2氣氛條件下O2濃度主要影響到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布。在還原性氣氛條件下，準(zhǔn)東煤煤灰在 800~1 200 ℃左右的溫度區(qū)間晶體結(jié)晶速率相對較高[23]。

目前，準(zhǔn)東煤在富氧以及水氧條件下的熔融特性相關(guān)研究還比較少，本文使用電荷耦合器件(CCD)相機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測熱臺(tái)上的準(zhǔn)東煤灰在富氧以及水氧條件下隨溫度上升而發(fā)生的形態(tài)變化，并用圖像處理技術(shù)對相應(yīng)溫度下的煤灰的面積變化進(jìn)行分析計(jì)算，面積變化的特征點(diǎn)(開始發(fā)生明顯收縮或膨脹的點(diǎn))表征著開始熔融的溫度點(diǎn)，改變氣氛條件，研究氣氛條件對準(zhǔn)東煤結(jié)渣溫度的影響，為預(yù)防燃用準(zhǔn)東煤的鍋爐結(jié)渣和不同氣氛下對煤灰中鐵礦物的轉(zhuǎn)化等問題提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

將準(zhǔn)東煤在550 ℃的溫度下制灰，備用。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，熱臺(tái)升溫速率設(shè)置為80 ℃/min，給氣裝置可以控制加熱準(zhǔn)東煤灰時(shí)的氣氛條件?？諝?、氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)由氣瓶經(jīng)減壓器和電子質(zhì)量流量計(jì)Alicat控制，水蒸氣由霧化設(shè)備生產(chǎn)的水霧經(jīng)高溫伴熱石英管送入進(jìn)氣口。實(shí)驗(yàn)氣氛條件如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 The schematic diagram of the experimental setup

1.2 數(shù)字圖像處理

本次實(shí)驗(yàn)使用 CCD相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測準(zhǔn)東煤灰在加熱過程中的形態(tài)變化。在實(shí)驗(yàn)過程中，CCD相機(jī)以每秒3幀進(jìn)行錄像，根據(jù)得到的圖像能夠觀察煤粉形狀的變化趨勢，并使用圖像處理軟件IMAGE J提取形狀輪廓并計(jì)算煤粉面積。

表1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)氣氛Tab. 1 Experimental reaction atmosphere

圖2(a)為工況1加熱溫度為200 ℃的準(zhǔn)東煤灰圖像，選定圖像并將其進(jìn)行邊界提取，如圖2(b)所示，就可以得到選定圖像的輪廓形狀加以處理計(jì)算，如圖2(c)所示。

圖2 圖像處理示意圖Fig. 2 Schematic of image processing

將加熱溫度為T時(shí)煤粉面積記為AT，煤粉初始的面積為A0，則煤粉在溫度為T時(shí)相對初始面積的變化率n為

對比同一溫度下不同加熱氣氛對應(yīng)的n值大小，確定煤粉面積變化的特征點(diǎn)(開始發(fā)生明顯收縮或膨脹的點(diǎn))以判斷準(zhǔn)東煤在富氧、水氧條件下開始熔融的溫度點(diǎn)。

2 結(jié)果分析

圖3為21%O2-79%N2氣氛下加熱煤灰的圖像形態(tài)變化情況。由圖3可見，當(dāng)加熱到1 200℃時(shí)準(zhǔn)東煤粉出現(xiàn)了明顯的面積收縮，說明準(zhǔn)東煤在1 200 ℃開始熔融。

運(yùn)用圖像處理數(shù)據(jù)，可以得到煤粉面積相對變化率隨加熱溫度變化的曲線，如圖4所示。由圖 4可見，在 21%O2-79%N2的氣氛條件下，準(zhǔn)東煤粉面積在 1 170 ℃左右開始驟降，即此時(shí)煤粉開始熔融。

圖5為不同工況下煤粉面積相對變化率隨加熱溫度的變化曲線，在圖 5(a)中，面積相對變化率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的溫度有以下關(guān)系：工況1(21%O2-79%N2)>工況 2(30%O2-70%N2)>工況3(40%O2-60%N2)。即在富氧條件下隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，面積相對變化率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)溫度逐漸降低，煤粉開始熔融的溫度降低，且最大面積的相對變化率也隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，說明富氧氣氛能夠促進(jìn)準(zhǔn)東煤的熔融行為。

而在圖5(b)中，水–氧氣氛下，面積相對變化率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的溫度有以下關(guān)系：工況4(21%O2-79%H2O)<工況 5(30%O2-70%H2O)<工況6(40%O2-60%H2O)。即隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)減小，面積變化率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度升高，說明水蒸氣氣氛促進(jìn)了熔融行為。

圖3 21%O2-79%N2氣氛下的加熱煤粉形狀變化Fig. 3 Morphology variation of heated coal powder under 21% O2-79% N2 atmosphere

圖4 21%O2-79%N2氣氛下煤粉面積相對變化率隨加熱溫度變化的曲線Fig. 4 Relative change rate of pulverized coal area as a function of heating temperature for the condition of 21%O2-79%N2 atmosphere

圖5 富氧/水–氧氣氛下煤粉面積相對變化率隨加熱溫度變化的曲線Fig. 5 Relative change rate of pulverized coal area as a function of heating temperature for the condition of Oxygen-rich/H2O-O2 atmosphere

3 結(jié)論

1）氣氛環(huán)境影響準(zhǔn)東煤的熔融溫度，可能是由于準(zhǔn)東煤內(nèi)礦物質(zhì)在不同氣氛下的轉(zhuǎn)換機(jī)制不同導(dǎo)致的。

2）在富氧條件下，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增加，煤粉開始熔融的溫度降低。

3）水氧氣氛下，隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)減小，煤粉開始熔融的溫度升高。

4）利用數(shù)字圖像技術(shù)直觀地監(jiān)測到煤粉隨加熱溫度而發(fā)生的形態(tài)變化，可以為進(jìn)一步的微觀分析技術(shù)和礦物組成分析等提供參考。