程友良，施宏波，張 寧，趙 娜，史亞駿，薛占璞

(華北電力大學 電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

兩種高鈉煤的摻燒結渣特性對比實驗

程友良，施宏波，張 寧，趙 娜，史亞駿，薛占璞

(華北電力大學 電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

新疆高鈉煤儲量大，且是良好的動力煤，然而其燃燒過程中結渣沾污嚴重，對鍋爐的安全運行和經濟性產生了影響?；谝痪S爐結渣實驗臺，對比分析新疆兩種高鈉煤的結渣特性，經過實驗得出:在相同的容積熱負荷下，準東高鈉煤結渣比大南湖高鈉煤要嚴重;大南湖高鈉煤較準東高鈉煤更難通過摻燒低鈉煤來改善結渣;兩種高鈉煤均易通過摻燒煤矸石來改善結渣狀況且最佳摻燒比例為10%。該實驗結果對新疆地區(qū)燃用高鈉煤提供一定的參考。

高鈉煤;結渣特性;一維爐;摻燒

目前煤炭仍處于并將長期處于我國能源結構中的主導地位[1]，其中新疆高鈉煤儲量大，且是良好的動力煤，然而其燃燒過程中結渣沾污嚴重，由此引起了鍋爐受熱面結渣、沾污和高溫腐蝕等問題。由于積灰嚴重，造成鍋爐尾部煙道積灰坍塌，嚴重影響鍋爐的安全和經濟運行[2]。目前國內外對準東高鈉煤燃燒特性的研究較多，劉大海[3]等通過對脫鈉過程中鈉存在形式進行評估實驗，得出:新疆高鈉煤中的鈉主要以水溶鈉為主，有機鈉和不可溶鈉含量較少。陳川等[4]采用逐級萃取的實驗方法對高鈉煤進行研究，其中每級萃取都采用不同的萃取液，分別把高鈉煤中不同形式存在的鈉萃取出來并分析其對燃燒特性的影響。張軍等[5]研究發(fā)現(xiàn)煤中鈉的釋放在燃燒初期變化不大，但整體上有變小的趨勢，并且在燃燒初期不同形式鈉的變化規(guī)律不一樣。劉敬等[6]研究發(fā)現(xiàn)，準東煤中堿金屬的釋放主要發(fā)生在燃燒后期。劉家利[7]分析準東煤嚴重結渣傾向與其較高的灰熔點不符合的原因，論證了準東煤煤灰中堿性氧化物含量高是引起其灰熔融性高的主要原因。

許多學者研究了兩種煤的不同摻混比例對煤灰熔點的影響[8-10]，實驗表明，灰熔點的變化和摻燒的比例不成線性關系。王學斌等[11]研究了溫度和SiO2添加物對高鈉煤中堿金屬賦存形態(tài)及遷移特性的影響。馬巖等[12]發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內升高準東煤灰的硅鋁比(SiO2/Al2O3)可以降低灰熔點，而在這個范圍外，灰熔點受硅鋁比的影響減小。崔育奎等[13]研究了高鈉煤摻混不同比例低鈉煤對混煤灰熔融特性的影響。結果表明兩種煤在不同比例的摻混下，混煤灰的熔融溫度與相應三元相圖上的液相線溫度具有一定的相似性，而與兩種煤的摻混比例不呈線性關系。李紅等[14]以五彩灣煤與烏東煤及這兩種煤的不同摻燒比例的混煤為研究對象，研究其物理化學特性、燃燒特性、結渣沾污特性，并對各種混煤的著火、燃盡和結渣性進行了評定，分析得出了高鈉煤與低鈉煤及其混煤的結渣傾向。王禮鵬等[15]采集了新疆某電廠燃用75%準東煤時鍋爐各部位的灰渣樣，并對灰渣樣進行了系統(tǒng)分析。楊忠燦等[16]引進了德國美國高鈉煤評價指標并通過對烏魯木齊周邊煤種的燃燒試驗，論述了100,200和300 MW等級鍋爐安全摻燒準東煤時的準東煤灰中的鈉含量。隨關于新疆地區(qū)煤種研究的深入，準東高鈉煤已經可以作為發(fā)電用煤，但將哈密大南湖礦區(qū)的高鈉煤作為大規(guī)模燃煤發(fā)電用煤仍處于起步階段[17]，本文利用一維爐結渣實驗臺對這兩種高鈉煤的結渣特性進行了對比研究，對新疆地區(qū)燃用高鈉煤的摻燒具有一定的指導意義。

1 實驗系統(tǒng)及方法介紹

1.1 實驗系統(tǒng)

一維火焰爐的結構為電加熱積木式，爐體立置，煙道水平布置，整體呈“L”型，爐體由錐體爐頂和6級可分別控制壁溫的電加熱爐組成。實驗爐包括送風、給粉、空氣預熱、測溫及取樣系統(tǒng)。該實驗爐的系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 煤粉燃燒一維火焰爐實驗臺Fig.1 One dimensional furnace slagging test bench of coal combustion

沿爐膛高度方向，每隔30 cm開有一個φ3 cm的徑向測量孔，用于測量火焰溫度以及插入結渣探針。結渣探針選取規(guī)格為1.5 cm×18 cm×1 cm的硅碳棒，硅碳棒上表面粗糙度一定，硅碳棒外沿由不銹鋼管固定，結渣面近似垂直于煙氣方向放置。

由硅碳棒取渣的特殊性,硅碳棒表面溫度到達熔融溫度時，灰渣表面開始融化，其捕捉飛灰的能力增強，當硅碳棒溫度繼續(xù)升高時，表面熔融灰渣達到臨界黏度值后灰渣黏性減小，導致液態(tài)灰渣在重力作用下攤開，灰渣均勻分布且厚度減小，表面溫度也隨之降低，此時厚度達到動態(tài)平衡，灰渣停止生長，僅在某一范圍內波動。結渣時間由煤的灰分來決定。

1.2 實驗方法

選取典型的大南湖高鈉煤及其與大南湖低鈉煤配煤、準東高鈉煤及其與準東低鈉煤配煤、兩種高鈉煤添加不同比例的煤矸石在相同工況下進行一維爐結渣性實驗，對比分析其結渣特性。煤種特性參數(shù)見表1。

實驗選取一維火焰爐結渣工況，給粉量以入爐熱量控制，保證一維爐容積熱負荷290 kW/m3，爐內過量空氣系數(shù)為1.25。具體實驗條件見表2，3，在結渣源上沉積下的灰渣依照其黏結的緊密程度由強到弱進行分類賦值，見表4。

表1新疆的地區(qū)高鈉煤及當?shù)氐外c煤的工業(yè)及元素分析
Table1ProximateandultimateanalysisofXinjianghighsodiumcoalandlowsodiumcoal

樣品工業(yè)分析/%MarAarVdafQnet,ar/(MJ·kg-1)元素分析/%CarHarNarSt,arOar準高煤*25.87.7430.6718.3853.592.280.470.559.57大高煤*27.216.3142.5214.7542.172.290.610.4910.93準低煤*21.324.6831.814.6842.612.150.510.228.53大低煤*24.224.8646.9313.4237.092.430.630.4410.35

注：準高煤*表示新疆準東地區(qū)的高鈉煤;大高煤*表示新疆哈密大南湖地區(qū)的高鈉煤;準低煤*表示新疆準東地區(qū)的低鈉煤;大低煤*表示新疆哈密大南湖地區(qū)的低鈉煤。

表2入爐熱量及風量
Table2In-furnaceheatvalueandairflow

工況入爐熱量/(MJ·h-1)入爐總空氣量/(Nm3·h-1)一次風風率/%風溫/℃二次風風率/%風溫/℃爐膛容積熱負荷/(MJ·h-1)結渣工況46.0614.0545225520046.06

表3電加熱控制最低壁溫
Table3Minimumwalltemperatureofelectricalheating℃

工況第1級第2級第3級第4級第5級第6級結渣工況90010001100110011001000

表4渣型賦值
Table4Assignmentlistofslaggingtypes

渣型特征賦值N熔融硅碳棒表面由全熔融致密凝固渣層所覆蓋,并有渣泡形成2.50黏熔沉積灰層由部分凝固渣層凝固黏聚而成,已無法切刮1.75強黏聚灰渣堅硬,切刮后硅碳棒上仍殘留不規(guī)則黏結硬渣1.00黏聚灰層黏聚成硬渣、切刮困難,仍能切刮0.50弱黏聚灰有明顯黏聚特征,切下灰渣具有一定硬度0.25

每組實驗結束，記錄渣棒樣圖以及相關實驗數(shù)據(jù)，按下式計算結渣特性指數(shù)Sc并對結渣特性等級進行比較。

其中，Sc為煤粉燃燒的結渣特性指數(shù);Nmax為結渣最嚴重的渣型對應的賦值;Tmax為結渣最為嚴重的渣型對應的火焰溫度，℃，當結渣等級最為嚴重的渣棒有兩級及以上時，Tmax選取溫度較低值;T2為結渣等級次為嚴重的渣型對應的火焰溫度;當與結渣等級最為嚴重的渣棒相鄰的渣棒結渣均為次嚴重結渣等級時，T2選取溫度較高值。當結渣等級最為嚴重與次為嚴重的渣型相差一個等級時，采用式(1)。當結渣等級最為嚴重與次為嚴重的渣型相差兩個及以上等級時，采用式(2)。

2 實驗結果及分析

2.1 準東高鈉煤及大南湖高鈉煤灰渣

圖2為準東高鈉煤及大南湖高鈉煤在結渣實驗中所得渣棒樣貌，可見準東高鈉煤屬于嚴重結渣煤種，渣型等級為熔融，其熔融態(tài)灰渣主要出現(xiàn)在前2級渣棒即1 200 ℃以上的高溫，其灰渣在高溫下發(fā)生嚴重熔融燒結，與渣棒黏結嚴重，不易清除。大南湖高鈉煤同樣屬于嚴重結渣煤種，渣型等級為熔融，其中處于1 300 ℃煙溫區(qū)域的第1級渣棒覆蓋了較厚的非玻璃體熔融狀灰渣，其底層呈均勻熔融狀而熔渣外表面則黏結了堅硬的沉積灰顆粒。對比準東高鈉煤可知，在同樣的容積熱負荷下，準東高鈉煤的結渣要明顯比大南湖高鈉煤要嚴重，其灰渣量也明顯高于準東高鈉煤。這兩種灰渣渣型與燃用高鈉煤實際鍋爐中灰渣較為相近。實際鍋爐中此類灰渣由于高溫下熔融且與水冷壁黏結嚴重，普通參數(shù)吹灰蒸汽難以將其徹底清除。實驗灰渣渣型及其對應煙溫見表5。

圖2 準東高鈉煤及大南湖高鈉煤渣棒樣貌Fig.2 Slag rod condition of Zhundong and Dananhu high sodium coal

煤種 第1級第2級第3級第4級準高煤煙溫/℃1345125511751088渣型熔融熔融強黏聚黏聚大高煤煙溫/℃1295121511751056渣型熔融強黏聚強黏聚黏聚

2.2 兩種高鈉煤摻燒當?shù)氐外c煤灰渣

目前新疆高鈉煤的應用以和當?shù)氐牡外c煤摻燒使用為主，圖3為準東高鈉煤與當?shù)氐牡外c煤摻燒所得灰渣樣貌。由于該低鈉煤灰分較大，堿金屬含量相對較低，隨高鈉煤的混煤比例降低，混煤渣型樣貌得到明顯改善:90%高鈉煤比例下，渣棒上灰渣在前兩級呈熔融大顆粒狀，較之準東高鈉煤所結灰渣玻璃光澤消失;80%高鈉煤比例下，非玻璃體狀熔融灰渣均勻覆蓋第1級渣棒，第2級則未出現(xiàn)熔融態(tài)灰渣;70%高鈉煤比例下煤種結渣性明顯改善，前3級渣棒均表現(xiàn)為黏熔渣型。60%及50%高鈉煤比例下灰渣渣型為易清除黏聚渣型，該比例混煤結渣性接近煙煤的結渣性。實驗灰渣渣型及其對應煙溫見表6。

圖3 準東高鈉煤與當?shù)氐牡外c煤摻燒渣棒樣貌Fig.3 Slag rod condition of Zhundong high sodium coal blended with low sodium coal

圖4為大南湖高鈉煤與當?shù)氐牡外c煤摻燒所得灰渣樣貌。本實驗中混煤比例從10%增至90%，共計9組混煤結渣實驗。大南湖高鈉煤混煤比例較低時，黏熔狀灰渣不規(guī)則分布于渣棒表面，部分灰渣表面呈現(xiàn)暗紅色，推測可能為含鐵晶體的析出所致。隨大南湖高鈉煤的比例升高，可知灰渣沉積量有變大趨勢，渣型由黏熔變?yōu)槿廴?，當大南湖高鈉煤比例升至40%時，灰渣渣型轉變?yōu)槿廴诨以?。隨混煤比例從50%升至100%時，灰渣渣型宏觀上無明顯差異。這說明大南湖高鈉煤結渣傾向不易通過高比例混煤改善，主要原因在于大南湖高鈉煤灰成分中的堿金屬百分比含量較低且灰分的基數(shù)總量高，同時大南湖低鈉煤的堿金屬百分比含量與大南湖高鈉煤相差不是很大，從而導致?lián)綗外c煤時混煤的堿金屬百分比含量變化較小。實驗灰渣渣型及其對應煙溫見表7。

圖4 大南湖高鈉煤與當?shù)氐牡外c煤摻燒渣棒樣貌Fig.4 Slag rod condition of Dananhu high sodium coal blended with low sodium coal

摻燒比例第1級第2級第3級90%大高煤煙溫/℃127011881147渣型熔融強黏聚黏聚80%大高煤煙溫/℃126511701145渣型熔融強黏聚黏聚70%大高煤煙溫/℃125811951120渣型熔融強黏聚黏聚60%大高煤煙溫/℃126011851112渣型熔融強黏聚黏聚50%大高煤煙溫/℃127112011136渣型熔融強黏聚黏聚40%大高煤煙溫/℃125311871110渣型黏熔黏熔黏聚30%大高煤煙溫/℃126512071119渣型黏熔黏熔黏聚20%大高煤煙溫/℃128312121121渣型黏熔黏熔黏聚10%大高煤煙溫/℃125011871106渣型黏熔黏熔黏聚

2.3 兩種高鈉煤摻燒煤矸石灰渣

圖5為大南湖高鈉煤與不同比例煤矸石摻燒的渣棒樣貌，由于大南湖高鈉煤灰分較大所以從5%開始摻燒。當摻燒5%煤矸石時，第1級渣棒仍為熔融型，但相比大南湖高鈉煤第1級渣棒熔融的渣泡消失并出現(xiàn)黑色的熔融物質，這表明結渣有明顯減輕的趨勢。當摻燒10%煤矸石時，第1級渣棒介于黏熔和強黏聚之間，更接近強黏聚渣型。此時結渣已經得到明顯的改善，接近煙煤的結渣性。實驗灰渣渣型及其對應煙溫見表8。

圖5 大南湖高鈉煤與不同比例煤矸石摻燒的渣棒樣貌Fig.5 Slag rod condition of Dananhu high sodium coal blended with different proportion of coal gangue

煤種第1級第2級第3級第4級5%煤矸石煙溫/℃1284122111621082渣型黏熔強黏聚強黏聚黏聚10%煤矸石煙溫/℃1265121411551068渣型黏熔黏聚黏聚黏聚

圖6為準東高鈉煤與不同比例煤矸石摻燒的渣棒樣貌，由于準東高鈉煤灰分較小所以從3%開始摻燒。當摻燒3%的煤矸石時，前兩級渣棒表現(xiàn)為熔融，但相比與準東高鈉煤，其中有光澤的玻璃體渣泡消失，結渣有明顯減輕的趨勢。當摻燒6%的煤矸石時，前兩級渣棒表現(xiàn)為黏熔，結渣得到了改善。當摻燒10%的煤矸石時，第1級渣棒表現(xiàn)為黏熔，但更接近強黏聚渣型，結渣得到了明顯的改善。

圖6 準東高鈉煤與不同比例煤矸石摻燒的渣棒樣貌Fig.6 Slag rod condition of Zhundong high sodium coal blended with different proportion of coal gangue

綜上可見，無論是準東高鈉煤還是大南湖高鈉煤，當煤矸石摻燒比例達到10%時結渣都得到了明顯的改善，達到灰渣對鍋爐的影響在可控范圍內，利用鍋爐吹灰蒸汽基本可以清除。所以在高鈉煤的開采洗選過程中，可適當保留些煤矸石，以達到改善結渣的作用。實驗灰渣渣型及其對應煙溫見表9。

2.4 結渣指數(shù)Sc

根據(jù)式(1)，(2)計算得到結渣指數(shù)Sc，結果見表10～12。

表9準東高鈉煤與不同比例煤矸石摻燒的結渣實驗渣型及煙溫
Table9SlaggingtypeandgastemperatureofZhundonghighsodiumcoalblendedwithdifferentproportionofcoalgangue

煤種第1級第2級第3級第4級3%煤矸石煙溫/℃1330127411981085渣型熔融熔融強黏聚黏聚6%煤矸石煙溫/℃1310126011851080渣型黏熔黏熔強黏聚黏聚10%煤矸石煙溫/℃1300127011951090渣型黏熔強黏聚黏聚黏聚

表10準東高鈉煤及當?shù)氐外c煤配煤摻燒結渣指數(shù)Sc
Table10SlaggingindexScofZhundonghighsodiumcoalblendedwithlowsodiumcoal

煤樣準高煤準低煤90%準高80%準高70%準高60%準高50%準高Nmax2.501.752.502.502.501.751.75Sc1.060.740.890.910.770.740.68

由上述結果分析可見，在同樣的容積熱負荷下，準東高鈉煤Sc值大于大南湖高鈉煤Sc值，即準東高鈉煤結渣較大南湖高鈉煤要嚴重。在準東高鈉煤與低鈉煤配煤摻燒實驗中，由結渣指數(shù)Sc可知，隨準東高鈉煤摻燒比例的減小，Sc值不斷降低，結渣有明顯減輕的趨勢，而在大南湖高鈉煤和低鈉煤配煤摻燒實驗中，隨大南湖高鈉煤摻燒比例的不斷減小，Sc值變化不大，結渣沒有明顯減輕的趨勢，分析認為主要是由于準東高鈉煤灰成分中的堿金屬百分比含量較高且灰分的基數(shù)總量低，同時準東低鈉煤的堿金屬百分比含量與準東高鈉煤相差較大，從而導致?lián)綗外c煤時混煤的堿金屬百分比含量變化較大，所以易通過摻燒低鈉煤改善結渣，而大南湖高鈉煤灰分中的堿金屬百分比含量較低且灰分的基數(shù)總量高且大南湖低鈉煤的堿金屬百分比含量與大南湖高鈉煤相差不是很大，所以不易通過摻燒低鈉煤改善結渣。在高鈉煤摻燒煤矸石的實驗中，不論是大南湖高鈉煤還是準東高鈉煤，隨煤矸石的摻燒比例的增加，Sc值都有明顯的降低，當摻燒煤矸石比例達到10%時兩種煤的結渣都有了明顯的改善，說明煤矸石對于高鈉煤的結渣有著明顯的改善作用，其原因為通過摻燒煤矸石，增加灰的基數(shù)總量，從而導致堿金屬百分比含量變低，改善了結渣情況。

表11大南湖高鈉煤及當?shù)氐外c煤配煤摻燒結渣指數(shù)Sc
Table11SlaggingindexScofDananhuhighsodiumcoalblendedwithlowsodiumcoal

煤樣大高大低90%80%70%60%50%40%30%20%10%Nmax2.501.752.502.502.502.502.501.751.751.751.75Sc0.910.841.01.031.031.040.981.040.950.951.04

表12兩種高鈉煤摻燒煤矸石結渣指數(shù)Sc
Table12SlaggingindexScoftwohighsodiumcoalblendedwithcoalgangue

煤樣大高摻5%大高摻10%準高摻3%準高摻6%準高摻10%Nmax1.751.752.501.751.75Sc0.710.690.980.780.61

3 結 論

(1)大南湖高鈉煤和準東高鈉煤都具有嚴重的結渣傾向，在同樣的容積熱負荷下，準東高鈉煤的結渣狀況比大南湖高鈉煤要嚴重。

(2)準東高鈉煤易通過摻燒低鈉煤降低灰成分中堿金屬百分比含量，改善結渣狀況，而大南湖高鈉煤不易通過摻燒低鈉煤改變灰成分中堿金屬百分比含量來改善結渣狀況。

(3)大南湖高鈉煤和準東高鈉煤均可以通過摻燒煤矸石改善結渣狀況，且當摻燒煤矸石比例達到10%時，兩種高鈉煤的結渣狀況均得到明顯改善。

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Comparativeexperimentsoftwohighsodiumcoalmixedburningslaggingcharacteristics

CHENG Youliang,SHI Hongbo,ZHANG Ning,ZHAO Na,SHI Yajun,XUE Zhanpu

(MOE’sKeyLaboratoryofConditionMonitoringandControlforPowerPlantEquipment,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)

Xinjiang high sodium coal is a good steam coal with large reserves.However,the slagging of combustion process is a serious pollution,and influences the safe operation and economics of the boiler.This paper conducted is the study based on one dimensional furnace slagging test bench to compare and analyze the slagging characteristics of two different higher-sodium coals,through experiments.The result shows that in the same volume heat load,the higher-sodium coal of Zhundong has a high slagging characteristics than that of Dananhu high sodium coal.Dananhu coal is harder than Zhundong coal to reduce slagging by burning mixed low sodium coals.The two high sodium coals can be mixed with coal gangue to improve the slagging condition and the best ratio was 10%.The experimental results provide some guidance for the use of high sodium coal in Xinjiang area.

high sodium coal;slagging characteristic;one dimensional furnace;mix-burned

程友良，施宏波，張寧，等.兩種高鈉煤的摻燒結渣特性對比實驗[J].煤炭學報,2017,42(11):3021-3027.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0488

CHENG Youliang,SHI Hongbo,ZHANG Ning,et al.Comparative experiments of two high sodium coal mixed burning slagging characteristics[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):3021-3027.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0488

TQ534

A

0253-9993(2017)11-3021-07

2017-04-13

2017-08-28責任編輯許書閣

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2016MS154，2017MS126)

程友良(1963—)，男，湖北荊州人，教授，博士生導師。E-mail:ylcheng001@163.com。

施宏波(1994—)，碩士研究生。E-mail:2653534978@qq.com