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        混煤燃燒結(jié)渣性研究

        2019-10-30 03:42:40郭延紅胡志凱趙怡興劉艷妮
        中國煤炭 2019年9期
        關(guān)鍵詞:混煤結(jié)渣煤灰

        郭延紅 胡志凱 趙怡興 劉艷妮

        (1.延安大學化工學院,陜西省延安市,716000;2.陜西省化學反應工程重點實驗室,陜西省延安市,716000)

        受到燃燒煤種的限制,燃用混煤的電站鍋爐越來越多,由此造成的結(jié)渣問題日益突出,嚴重影響到電站鍋爐系統(tǒng)的安全正常運行[1]。因此,對燃燒混煤的工業(yè)鍋爐爐膛結(jié)渣情況進行分析預報迫在眉睫。煤的結(jié)渣性無論是對用煤單位還是對設計部門都是重要的參考指標,對煤的加工利用效率有著很重要的實際意義[2]。煤的結(jié)渣性是反映煤灰在氣化或者燃燒過程中成渣的特性,用結(jié)渣率來判斷煤在氣化或燃燒過程中結(jié)渣的難易程度[3]。試驗表明混煤是減小易結(jié)渣煤結(jié)渣率的有效手段之一。

        陜北神木煤煤質(zhì)優(yōu)良,深受市場追捧,但神木煤大都灰熔點較低,用于鍋爐燃燒時易結(jié)渣,直接影響其適用范圍[4]。單煤的結(jié)渣性前人已有研究[5],因此本次試驗采用了神木聚龍煤(1#)、神木榆家梁煤(2#)和子長禾草溝煤(3#)這3種結(jié)渣率不同的陜北煤,按照不同比例進行混合,通過模擬工業(yè)發(fā)生爐的反應條件來評價混煤結(jié)渣性的強弱,并利用XRD對混煤降低結(jié)渣率的機理進行初步分析。

        1 試驗部分

        1.1 試驗方法

        將煤樣破碎后放于JF-100-1A制樣粉碎機中粉碎,在振篩機上篩出3~6 mm粒度的煤樣備用。取100 g制好的不同混合比的煤樣放入JZX-2型煤結(jié)渣性測定儀中,每個試樣均在空氣流量分別為2 m3/h、4 m3/h和6 m3/h這3種鼓風強度下進行2次重復測定。

        原煤灰和混煤灰的礦物組成采用XRD-7000型X-射線粉末衍射儀測定,測試條件為:Cu-Kɑ源,管電壓為36 kV,管電流為100 mA。

        煤灰的組成采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法分析,利用JRHF-3型微機灰熔點測定儀測定煤灰軟化溫度S T,結(jié)果見表1所示。

        表1 試驗用煤煤灰的化學組成及軟化溫度S T

        由表1可以看出,3種煤灰的化學組成各不相同,高溫燃燒時煤的礦物組成也發(fā)生了變化,導致各種煤的熔融溫度不同,其結(jié)渣性也不同[6]。

        1.2 煤的結(jié)渣性判別指標及結(jié)渣強度

        判斷煤灰結(jié)渣性的常用指標有S T(煤灰的軟化溫度)、J(堿酸比)、H(鐵鈣比)以及E(硅鋁比)[7]等。煤結(jié)渣性判別標準見表2。

        表2 煤結(jié)渣性判別標準

        結(jié)渣率的定義為在一定的鼓風強度下使待測煤樣氣化,煤中灰分熔融結(jié)渣后大于6 mm粒度的渣塊質(zhì)量m1占總灰渣質(zhì)量m的百分數(shù)[5]。工業(yè)上常常利用結(jié)渣率判斷動力用煤結(jié)渣的難易程度。根據(jù)煤的結(jié)渣程度,將煤的結(jié)渣強度分為強結(jié)渣區(qū)、中等結(jié)渣區(qū)、弱結(jié)渣區(qū)[7]。結(jié)渣性強度區(qū)域如圖1所示。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 單煤的結(jié)渣性

        根據(jù)表1計算得到的3種單煤的結(jié)渣性判別指標見表3。

        由表3可以看出,1#煤的煤灰軟化溫度S T為1382℃,其值在1260℃~1390℃范圍內(nèi),可看出1#煤種屬中等結(jié)渣煤;其堿酸比J為0.26,介于0.206~0.4之間,結(jié)渣程度中等,想要降低煤的結(jié)渣性,可以加入Si和Al含量較大的煤,使其堿酸比下降,從而降低結(jié)渣強度;鐵鈣比H為0.29,小于0.3,結(jié)渣性強,一般鐵鈣比H越小,煤灰熔融特征溫度越低,煤就越容易結(jié)渣;硅鋁比E為0.99,低于1.7,屬于輕微結(jié)焦性。

        圖1 結(jié)渣性強度區(qū)域

        表3 3種單煤的結(jié)渣性指標

        2#煤的煤灰軟化溫度S T低于1260℃,從煤灰的灰熔點來看,煤灰熔融溫度越低,導致煤種越容易結(jié)渣;堿酸比J為0.52,大于0.4,說明該煤種結(jié)渣情況嚴重,添加SiO2及Al2O3含量高的煤種,就會導致原煤的堿酸比降低,這樣原煤的結(jié)渣程度就會下降;鐵鈣比H為0.68,位于0.3~3中間,結(jié)渣中等;硅鋁比E為1.87,處于1.7~2.8中間,結(jié)渣程度為中等。

        3#煤的煤灰軟化溫度S T為1433℃,低于1390℃,從S T判斷可知3#煤的結(jié)渣性??;堿酸比J為0.22,位于0.206~0.4之間,結(jié)渣程度中等;鐵鈣比H為0.25<0.3,可得3#煤結(jié)渣性?。还桎X比E為0.89,在小于1.7的范圍內(nèi),結(jié)渣性小。

        用煤結(jié)渣判別指標得出的3種單煤結(jié)渣傾向見表4。

        表4 3種單煤結(jié)渣傾向

        根據(jù)前述的試驗方法,模擬工業(yè)發(fā)生爐的反應條件得出單煤的結(jié)渣性,3種單煤的結(jié)渣率見表5。

        表5 3種單煤的結(jié)渣率

        由表5可以看出,隨著鼓風強度的增加,3種單煤的結(jié)渣率增大,1#煤和3#煤處于弱結(jié)渣區(qū),2#煤位于結(jié)渣嚴重區(qū)。對比表4可以看出由S T、J、H、E可以判別煤的結(jié)渣強弱,結(jié)渣性的強弱除了煤自身的因素以外,外在因素鼓風的強度、氣壓的大小、燃燒時間的長短等對煤的結(jié)渣性也有一定的影響。混煤可以降低高結(jié)渣性煤的結(jié)渣性,擴大煤的使用范圍。

        2.2 混煤的結(jié)渣性

        2.2.1 1#煤和2#煤混合結(jié)渣性分析

        為了降低2#煤的結(jié)渣率,將1#煤和2#煤分別按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例進行混合,試驗結(jié)果見表6~表9。

        表6 1#煤和2#煤按照2∶8的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        表7 1#煤和2#煤按照4∶6的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        表8 1#煤和2#煤按照6∶4的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        表9 1#煤和2#煤按照8∶2的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        由表6~表9可以看出,混煤的結(jié)渣率隨著鼓風強度的增大而增大,混煤中隨著1#煤煤量的增加和2#煤煤量的減小,S T逐漸升高,混煤的結(jié)渣率下降,結(jié)渣率處在1#煤和2#煤之間。當1#煤與2#煤比例為4∶6時,混煤的結(jié)渣率顯著降低,這是由于2#煤含F(xiàn)e較多,添加含F(xiàn)e少的煤種可以使2#煤

        的結(jié)渣強度減小。

        2.2.2 2#煤和3#煤混合結(jié)渣性分析

        將結(jié)渣嚴重的2#煤與不易結(jié)渣的3#煤分別按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例進行混合,試驗結(jié)果見表10~表13。

        表10 2#和3#按照2:8的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        表11 2#和3#按照4:6的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        由表10~表13可以看出,鼓風強度越大混煤的結(jié)渣率越大,隨著2#煤量的增多和3#煤量的減少,S T逐漸降低,混煤的結(jié)渣性增強,結(jié)渣性在2#煤和3#煤中間,與相同比例的1#煤和2#煤的混煤比較,結(jié)渣性要小。這是由于3#煤的結(jié)渣率小于1#煤的結(jié)渣率。

        表12 2#煤和3#煤按照6∶4的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        表13 2#煤和3#煤按照8∶2的比例進行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

        2.2.3 原煤煤灰礦物形態(tài)特征

        為了進一步討論煤灰在高溫下的礦物轉(zhuǎn)化及煤灰熔點與燃煤結(jié)渣性的關(guān)系,分別測定了3種煤樣在成灰溫度在815℃下的XRD圖像如圖2所示。

        由圖2可以看出,煤灰的組成較為復雜,由多種礦物質(zhì)組成。在815℃下,1#煤灰中主要有方解石(C)、赤鐵礦(H)、鈣長石(An)等礦物質(zhì);2#煤灰主要有石英石(Q)、硬石膏(A)等礦物質(zhì)。3#煤灰中主要有石英石(Q)、赤鐵礦(H)、硬石膏(A)、方解石(C)、莫來石(M)、黃鐵礦(P)、霞石(N)、鈉鈣硅酸鹽(R)等礦物質(zhì);3#煤灰中酸性礦物質(zhì)石英石(Q)等的含量較多,堿性礦物質(zhì)的含量少,故熔點高,與試驗測得的熔融溫度相符,3#煤灰熔融特征溫度在試驗所用煤中最高,結(jié)渣性最弱。

        2.2.4 混煤煤灰礦物形態(tài)特征

        在不同溫度下煤灰的礦物質(zhì)會發(fā)生轉(zhuǎn)變,使煤灰的熔融溫度發(fā)生變化進而改變煤的結(jié)渣性[8],利用XRD討論了成灰溫度815℃的礦物組成后,為了解溫度對煤灰礦物組成的影響,測定了在DT溫度時1#煤與2#煤的不同配比條件下的XRD如圖3所示。

        由圖3可以看出,1#煤與2#煤比例為2∶8和4∶6時,煤灰中主要含有鈣長石及石英石等物質(zhì);1#煤與2#煤比例為6∶4時,煤灰中主要含有鈣長石等物質(zhì);1#煤與2#煤比例為8∶2時,煤灰中主要組成有石英石、鈣長石和鈣鋁黃長石等礦物質(zhì)。

        圖2 3種煤樣在815℃下的XRD圖像

        圖3 DT溫度時1#煤與2#煤在不同配比條件下的XRD

        由圖3不同配比的XRD可以看出,混煤中當2#煤量減少1#煤量增多時,混煤煤灰里鈣長石及石英石的衍射峰減弱。對比1#和2#煤灰的XRD圖,2#煤灰組成中鈣長石的衍射峰比1#煤灰中的強,所以當混煤里1#煤量增加時,鈣長石的衍射峰會變?nèi)?。在熔融溫度下,煤灰中的各種礦物質(zhì)會發(fā)生化學反應生成新的低熔點礦物質(zhì)。所以,混煤中2#煤含量降低時,混煤煤灰的熔融溫度升高,結(jié)渣率下降。

        3 結(jié)論

        (1)混煤能有效降低高結(jié)渣煤的結(jié)渣率,當1#煤與2#煤為4∶6時混煤的結(jié)渣率顯著降低,同比例的3#煤與2#煤混合效果更佳。

        (2)當系統(tǒng)壓力一定時,混煤的結(jié)渣率隨鼓風強度的增加而增加。

        (3)混煤降低結(jié)渣率的主要原因是混煤在燃燒過程中礦物形態(tài)發(fā)生了變化,生成了熔點較高的礦物質(zhì)。

        (4)混煤可以擴大鍋爐用煤的適用范圍,保證電站鍋爐系統(tǒng)的安全正常運行。

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