寧東礦區(qū)煤灰黏溫特性研究*

夏支文，李 平

(1 寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750200；2 寧夏大學(xué)，寧夏 銀川 750021)

煤灰的粘度對于液態(tài)排渣的工業(yè)鍋爐和氣化爐來說都是很重要的參數(shù)。根據(jù)煤灰粘度的大小以及煤灰的化學(xué)組成，就可以選擇合適的煤源；或者采用添加助熔劑，甚至采用配煤的方法來改善煤灰的流動性，使其符合液態(tài)排渣爐的使用要求。對于液態(tài)排渣的工業(yè)鍋爐和氣化爐，要求的氣化爐操作溫度要高于煤灰流動溫度，正常的排渣粘度一般為50～100 Pa·s，最高不超過250 Pa·s或5～25 Pa·s，通常將粘度為25 Pa·s所對應(yīng)的溫度稱為氣化爐的最低排渣溫度[1-2]。也就是氣化爐操作過程中，必須保證足夠的操作溫度。否則，將由于灰渣粘度的快速增加而導(dǎo)致煤灰無法排除。如果溫度低于流動溫度或操作區(qū)間溫度無法達(dá)到粘度要求均會導(dǎo)致排渣不暢，造成反應(yīng)器無法正常運(yùn)行。例如：在對應(yīng)的溫度操作區(qū)間內(nèi)煤灰的粘度過大，導(dǎo)致熔融狀態(tài)的煤灰流動性低，無法順暢的從渣口排出氣化爐反應(yīng)室，就會在渣口附近形成堵渣，逐漸堵塞排渣口，也就是發(fā)生氣化爐“結(jié)焦”；而如果在對應(yīng)的溫度操作區(qū)間內(nèi)煤灰的粘度過小，熔融狀態(tài)的煤灰流動性高，熔融的煤灰將迅速的沿著氣化爐反應(yīng)室內(nèi)壁從排渣口流出，將不能造成熔渣有效覆蓋反應(yīng)室內(nèi)壁，造成氣化反應(yīng)生成的高溫氣體夾帶高速熔渣對反應(yīng)室內(nèi)壁造成直接沖刷，降低反應(yīng)室壽命。因此，研究煤灰灰渣黏溫特性對工業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

煤灰的黏溫特性指的是煤灰在高溫下形成熔融灰渣的粘度與溫度之間的關(guān)系。煤灰的黏溫特性受到眾多因素的影響。煤灰成分是其中很重要的一個影響因素，煤灰成分對煤灰黏溫特性的影響十分復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者對此也進(jìn)行了大量的研究工作[3-13]。普遍的認(rèn)為煤灰的化學(xué)組分對煤灰黏溫特性的影響與其在高溫下熔渣中結(jié)構(gòu)的不同作用密切相關(guān)。

1 分析測試部分

取寧東礦區(qū)不同樣品進(jìn)行了煤灰灰成分分析，分析結(jié)果及酸堿比見表1。

表1 原煤灰灰成分及酸堿比Table 1 Chemical composition of coal ash

煤灰黏溫特性測試前首先對煤灰進(jìn)行了高溫預(yù)熔，具體做法是將煤灰置于預(yù)熔坩堝中，升溫至煤灰熔融性FT溫度以上200 ℃，恒溫30 min，恒溫結(jié)束后采用自然降溫，待溫度將至常溫左右時，取出預(yù)熔坩堝，得到預(yù)熔后的煤灰樣品。得到不同酸堿比煤灰高溫預(yù)熔后熔渣形態(tài)見表2。

表2 煤灰高溫預(yù)熔后熔渣形態(tài)及類型Table 2 Type slag ash morphology and high temperature pre melted

注：色澤暗淡，斷面處有規(guī)則形狀或線條的熔渣稱之為Ⅰ型渣；將色澤明亮，斷面不規(guī)則的稱之為Ⅲ型渣，介于二者之間的稱之為Ⅱ型渣。

在相同的儀器及升降溫條件下，不同煤灰酸堿比高溫預(yù)熔后的熔渣表觀形態(tài)具有較大的差異；煤灰的酸堿比煤灰高溫處理后的熔渣形態(tài)具有明顯的影響因素，隨著酸堿比的提升，煤灰經(jīng)高溫預(yù)處理后的熔渣形態(tài)將由具有明顯暗淡光澤、斷面處有規(guī)則形狀或線條的Ⅰ型渣逐步過渡到色澤明亮、不規(guī)則斷面的呈現(xiàn)出更多的Ⅲ型渣。在酸堿比0.92至2.57，煤灰高溫熔渣形態(tài)呈現(xiàn)為Ⅰ型渣；在酸堿比2.91至3.87時，煤灰高溫熔渣形態(tài)呈現(xiàn)為Ⅱ型渣，尤其是在酸堿比為3.21時，熔渣斷面可明顯看出，其同時包含有Ⅰ型渣與Ⅲ型渣兩種形態(tài)的高溫熔渣；在酸堿比4.42至6.42，煤灰高溫熔渣形態(tài)呈現(xiàn)為Ⅲ型渣。

圖2所示Ⅰ型渣煤灰黏溫特性測試結(jié)果顯示：煤灰粘度特性lgη隨溫度降低時，lgη的變化較大，呈現(xiàn)出接近直線變化的特性。Ⅰ型渣煤灰黏溫特性測試結(jié)果中酸堿比為1.8、0.92、1.27、2.57的煤灰高溫粘度特性。《煤灰高溫粘度特性試驗(yàn)方法》[14]中對煤灰粘度特性類型分類：

(1)玻璃體渣

熔體在降溫過程中，粘度特性的變化如圖1煤灰、玻璃、陶瓷粘度特性的類型所示的lgη-T曲線A。通常稱為“長渣”，該渣型無相變點(diǎn)。

(2)塑性渣

熔體在降溫過程中，粘度特性的變化如圖1煤灰、玻璃、陶瓷粘度特性的類型所示的lgη-T曲線B，具有“真液相”、“固相”和“固、液相”狀態(tài)的渣體稱為塑性渣。

(3)結(jié)晶渣

“真液相”和“固相”狀態(tài)的渣體稱為結(jié)晶渣。

圖1 煤灰、玻璃、陶瓷粘度特性的類型Fig.1 Types of slag viscosity characteristics

可見其粘度特性曲線類似圖1中曲線C，屬于結(jié)晶渣也就是“短渣”；酸堿比1.99的煤灰高溫粘度特性lgη-T的變化趨勢較其他幾個稍顯平緩，但強(qiáng)于較酸堿比為6.19和6.42的煤灰粘度特性曲線變化趨勢，因此該類型渣粘度特性曲線雖與圖1中曲線B不同，仍認(rèn)為其屬于塑性渣。

圖3所示Ⅱ型渣煤灰黏溫特性測試結(jié)果顯示：相對于Ⅰ型渣，其粘度變化相對平緩，煤灰粘度特性lgη隨溫度降低時，粘度特性lgη的變化相對來說要平緩一些。酸堿比為3.87的煤灰粘度特性lgη-T趨勢平滑，認(rèn)為該類型渣屬于塑性渣，酸堿比為2.97、3.21的煤灰粘度特性lgη-T曲線變化趨勢稍大，類似圖1中曲線C，屬于結(jié)晶渣也就是“短渣”。

圖4所示Ⅲ型渣煤灰黏溫特性測試結(jié)果顯示：相對于Ⅰ型渣和Ⅱ型渣，酸堿比為4.42、5.66、6.12、6.42的煤灰的粘度特性隨溫度的變化最為平緩，且在相當(dāng)大的溫度區(qū)間內(nèi)，lgη隨溫度降低變化較小如圖1中曲線A，故認(rèn)為該類型渣屬于玻璃體渣，也就是“長渣”。

通常認(rèn)為，對于液態(tài)排渣的氣化裝置，當(dāng)灰渣的粘度小于25 Pa·s時，其流動性較好，不易結(jié)渣[1]。由此提出了一個針對液態(tài)排渣反應(yīng)器的灰粘度類型結(jié)渣指數(shù)T25，T25為灰渣達(dá)到25 Pa·s粘度時所需要的溫度。煤灰的粘度指數(shù)在一定程度上直接與飛灰顆粒的沉積結(jié)渣相關(guān)，因此具有較高的準(zhǔn)確率，一般準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上。各煤灰樣品灰粘度類型結(jié)渣指數(shù)T25見表3。

圖2 Ⅰ型渣煤灰粘度特性lgη-TFig.2 TypeⅠslag viscosity properties of coal ash lgη-T

圖3 Ⅱ型渣煤灰粘度特性lgη-TFig.3 TypeⅡslag viscosity properties of coal ash lgη-T

圖4 Ⅲ型渣煤灰粘度特性lgη-TFig.4 Type Ⅲ slag viscosity properties of coal ash lgη-T

不同煤灰酸堿比的黏溫特性分類見表3，隨著煤灰酸堿比的增大，煤灰的黏溫特性呈現(xiàn)出由結(jié)晶渣向玻璃渣的變化。

結(jié)合煤灰熔渣類型分析，Ⅰ型渣多屬于結(jié)晶渣(短渣)，Ⅱ型渣兼有塑性渣和結(jié)晶渣，Ⅲ型渣基本為玻璃渣(長渣)；從煤灰的黏溫特性來看，煤灰的流動溫度FT與其T25之間不同黏溫特性的渣具有不同的相關(guān)性，結(jié)晶渣中既有負(fù)偏差的2、6號樣品，也有溫差僅有9 ℃的1號樣品，還有偏差達(dá)到100 ℃以上的8、9、11號樣品；但總體來說，塑性渣和玻璃體渣的煤灰樣品，F(xiàn)T與T25溫差相對來說均比較大，大部分高煤灰酸堿比塑性渣和玻璃體渣煤灰樣品的FT與T25溫差超過100 ℃；從煤灰FT溫度來看，F(xiàn)T在1243 ℃以上的煤灰，其對應(yīng)的最低排渣溫度均在FT+60 ℃以上。

表3 煤灰酸堿比、粘度特性、結(jié)渣指數(shù)T25和熔融特性Table 3 Acid-base ratio of coal ash and viscosity properties & T25 & FT

2 氣化裝置用煤煤灰黏溫特性分析

爐渣是原煤煤灰在氣化爐內(nèi)高溫、高壓等惡劣條件下不完全燃燒后的產(chǎn)物，相對通過馬弗爐焙燒獲得的煤灰，其物理化學(xué)性質(zhì)更能反映出氣化爐的工況。為此選取了水煤漿氣化技術(shù)和干煤粉氣化技術(shù)典型液態(tài)排渣氣化裝置在正常生產(chǎn)期間取得的爐渣樣品進(jìn)行熔融性、熔渣表觀形態(tài)和黏溫特性的測試分析。二者表觀形態(tài)分別見圖5和圖6。

圖5 水煤漿氣化裝置渣樣Fig.5 Coal water slurry gasifier slag samples

圖6 干煤粉氣化裝置渣樣Fig.6 Dry pulverized coal gasifier slag samples

將取得的爐渣樣品，在500 ℃下焙燒12 h，燒盡其中的殘?zhí)亢筮M(jìn)行研磨。按照第二章中的煤灰制備和測試方法對進(jìn)行煤灰成分分析、煤灰熔融特性分析、高溫預(yù)熔后熔渣形態(tài)及類型見表4、表5。

表4 氣化爐渣成分分析結(jié)果Table 4 Chemical composition of gasifier slag

表5 煤灰高溫預(yù)熔后熔渣形態(tài)、類型和結(jié)渣指數(shù)T25Table 5 Type slag ash morphology and high temperature pre-melted

水煤漿氣化爐渣和干煤粉氣化爐渣的原始狀態(tài)均表面光滑，有明亮色澤的玻璃球體狀的渣樣，區(qū)別在于水煤漿氣化爐爐渣粗渣較多、拉絲很少，干煤粉氣化爐爐渣細(xì)渣偏多、拉絲相對較多。這是因?yàn)樗簼{氣化爐燒嘴霧化性能弱于干煤粉氣化爐燒嘴，且水煤漿氣化爐操作溫度較干煤粉氣化爐要低100～150 ℃左右。

當(dāng)兩個渣樣進(jìn)行高溫預(yù)熔后得到兩種完全不同的表觀形態(tài)的熔渣。水煤漿氣化爐爐渣預(yù)熔后表現(xiàn)為色澤暗淡無光澤，可見相對規(guī)則的放射性線條，而干煤粉氣化爐爐渣經(jīng)過預(yù)熔后呈現(xiàn)出色澤明亮，斷口銳利無規(guī)則；按照本文中對熔渣類型的分類，分別屬于Ⅰ和Ⅲ型渣。

對以上兩個爐渣進(jìn)行煤灰高溫粘度測試，得到渣粘度特性lgη-T如圖7所示。

干煤粉氣化爐爐渣屬于典型的玻璃體渣，其粘度值隨溫度變化時更加的平緩甚至趨向于線性變化；水煤漿氣化爐爐渣則表現(xiàn)出較多的結(jié)晶渣特性，其粘度數(shù)值隨溫度變化時，先是呈現(xiàn)出平緩的線性變化，但當(dāng)溫度降至1200 ℃左右時，粘度數(shù)值出現(xiàn)突然增大，成為較典型的結(jié)晶渣。

圖7 爐渣粘度特性lgη-TFig.7 Slag viscosity properties of coal ash lgη-T

僅從在氣化爐操作溫度區(qū)間內(nèi)，煤灰熔融特性和煤灰的粘度特性能夠滿足氣化爐液態(tài)排渣的角度來分析裝置用煤煤質(zhì)要求，煤灰酸堿比在0.92≤A/B<3.21，煤灰FT在1243 ℃以下煤種可以作為水煤漿耐火磚氣化爐的煤源，煤灰酸堿比在A/B≥3.21，煤灰FT在1243 ℃以上的煤種可以作為干煤粉水冷壁氣化爐的煤源。

3 結(jié) 論

不同酸堿比煤灰具有不同的熔融性和黏溫特性；寧東礦區(qū)原煤煤灰成分酸堿比與煤灰的熔融性，隨著酸堿比的增大煤灰的熔融性特征溫度總體呈現(xiàn)升高的趨勢，隨著煤灰酸堿比的升高，預(yù)熔后煤渣逐漸由色澤暗淡、斷面處有規(guī)則形狀或線條的結(jié)晶渣，逐步過渡到色澤明亮、不規(guī)則斷面的玻璃體渣。通過煤灰黏溫特性lgη-T分析，可知色澤暗淡無光澤、斷面處有規(guī)則形狀或線條多為結(jié)晶渣，色澤明亮、不規(guī)則斷面的熔渣的多為玻璃渣，煤灰黏溫特性隨煤灰成分酸堿比的升高，呈現(xiàn)出由結(jié)晶渣向玻璃體渣變化的趨勢，干煤粉氣化用煤的煤灰黏溫特性分析呈現(xiàn)出玻璃體渣特性，水煤漿氣化爐用煤煤灰黏溫特性呈現(xiàn)結(jié)晶渣特性，根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，僅從煤灰流動性角度考慮，煤灰酸堿比在0.92≤A/B<3.21范圍內(nèi)，煤熔融特性FT在1243 ℃以下結(jié)晶渣或塑性渣黏溫特性的煤種可以用作水煤漿耐火磚氣化爐的煤原料煤，煤灰酸堿比在3.21≤A/B，煤熔融特性FT在1243 ℃以上具有玻璃體渣黏溫特性的煤種可以作為干煤粉水冷壁氣化爐的原料煤。