蘭德輝，樊俊杰，張忠孝，胡興雷，陳松林

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240；3.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

0 引 言

我國新疆高堿煤儲量巨大，但由于煤炭原生礦物中富含Na、K等堿金屬元素，導(dǎo)致在新疆地區(qū)燃用此煤種非常困難，大多數(shù)電廠為滿足鍋爐的正常運行不得不摻燒其他煤種[1]。而作為一種具有較高燃燒強度和捕渣率的燃燒技術(shù)，液態(tài)排渣鍋爐技術(shù)能有效解決固態(tài)排渣鍋爐因燃用易結(jié)渣煤種而導(dǎo)致爐膛水冷壁結(jié)渣、受熱面黏污和積灰以及結(jié)渣嚴(yán)重等問題[2-3]。

準(zhǔn)東煤最突出的特點是煤灰中Na2O含量高，煤中鈉主要由不溶性鈉和可溶性鈉組成。其中不溶性鈉為鈉的硅鋁酸鹽，可溶性鈉則包括了水溶鈉、醋酸銨溶鈉、稀鹽酸溶鈉，且醋酸銨溶液可以萃取以羧酸鹽形式存在的有機鈉，稀鹽酸溶液則可以萃取在煤結(jié)構(gòu)中以配位形式存在的有機鈉[4-5]。對于鈉在準(zhǔn)東煤中的賦存形式和影響，翁青松等[6]研究表明鈉在準(zhǔn)東煤中的存在形式主要為水溶鈉，并且煤中有機鈉和水溶性鈉對燃燒起促進作用。陶玉潔等[7]研究發(fā)現(xiàn)灰化溫度影響堿金屬、堿土金屬在準(zhǔn)東煤灰中的含量，堿金屬Na、Ca的釋放規(guī)律不同，Na在400～600 ℃開始析出，而Ca在600 ℃前部分析出，并在1 000 ℃析出最快。

研究表明高堿煤在燃燒過程中發(fā)生受熱面結(jié)渣主要是因為高堿煤中含有大量堿金屬和堿土金屬，由于冷凝，堿金屬和堿土金屬硫酸鹽會在受熱面形成能夠捕獲煙氣中灰顆粒的黏性內(nèi)白層，內(nèi)白層和煙氣中的灰顆粒發(fā)生反應(yīng)生成的低熔點物質(zhì)能保持內(nèi)白層黏性的同時，增加厚度和表面積，進一步增加內(nèi)白層捕獲煙氣中灰顆粒的能力，造成惡性循環(huán)，加劇了結(jié)渣的生成[8]。對準(zhǔn)東煤的沾污性能進行實驗室分析，楊榮等[9]研究發(fā)現(xiàn)由于不同煙溫處，煤灰的各成分會發(fā)生選擇性沉積，沉積在各受熱面上的灰樣組分不一致，且與原煤灰差別較大，經(jīng)過高溫升華后，鈉大多會在中低溫受熱面上凝結(jié)形成結(jié)渣源。聶立等[10]在3 MW煤粉燃燒試驗臺上進行準(zhǔn)東煤燃燒試驗，研究煙氣溫度對積灰試驗管積灰特性的影響，結(jié)果表明隨著煙溫升高，積灰程度越來越嚴(yán)重，在低于520 ℃的煙氣溫度下時，積灰試驗段的積灰程度隨時間推移幾乎不變。張翔等[11]在3 MW煤粉燃燒試驗臺上對高鈉煤沾污機理進行研究，發(fā)現(xiàn)受熱面產(chǎn)生黏污的原因是堿金屬與煙氣中SO2、飛灰等發(fā)生反應(yīng)后會形成無水石膏(CaSO4)、無水芒硝(Na2SO4)以及Na-Al-Si和Ca-Al-Si的低溫共熔體。為研究準(zhǔn)東高堿煤的強沾污結(jié)渣特性，上海鍋爐廠有限公司在準(zhǔn)東地區(qū)對非針對準(zhǔn)東煤設(shè)計的300 MW鍋爐燃用準(zhǔn)東煤情況開展了調(diào)研，并對典型新疆高堿煤開展相關(guān)試驗研究與理論分析，發(fā)現(xiàn)750～1 000 ℃內(nèi)準(zhǔn)東高堿煤中富含的Na、K等堿金屬有很強的黏性，在燃燒過程中會黏結(jié)、捕捉大量飛灰并使其黏結(jié)在管壁上產(chǎn)生高溫黏結(jié)性積灰[12]。這種高溫黏性積灰和硫酸鹽造成的高溫腐蝕的綜合作用使高鈉煤嚴(yán)重黏污，尤其是對于氯含量較高的高鈉煤(沙爾湖煤)，這種綜合作用尤其明顯。李明強[13]等通過模擬旋風(fēng)爐中自身液渣與高堿煤的相互界面反應(yīng)，結(jié)果表明在遠(yuǎn)離反應(yīng)界面的底層中，煤中Na、Ti、K、Cr、Al、S、Ca等堿金屬會遷移到液渣中，而參與界面反應(yīng)的煤中Mg、Fe、Mn、P會向遠(yuǎn)離液渣-煤反應(yīng)層的煤層遷移。

本文設(shè)計搭建了一臺臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐試驗臺，并在試驗臺進行沙爾湖煤的燃燒試驗，研究高堿煤在臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐上的燃燒特性，為臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃用高堿煤和緩解受熱面黏污結(jié)渣提供參考。

1 試 驗

1.1 煤質(zhì)特性

試驗選取典型新疆沙爾湖高堿煤為研究對象，煤質(zhì)特性見表1、2。

試驗煤種具有典型新疆高堿煤的特點?；抑袎A性氧化物(CaO、MgO、Na2O、K2O、Fe2O3)達到了59.416%，明顯高于已知動力用煤，且灰中CaO、MgO和Na2O含量相對偏高，導(dǎo)致燃用沙爾湖煤時其沾污、結(jié)渣特性與國內(nèi)常規(guī)低灰熔融溫度煙煤差別較大。

表1 準(zhǔn)東高堿煤的工業(yè)分析及元素分析

表2 準(zhǔn)東高堿煤的灰成分及煤灰熔融溫度

1.2 小型臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)燃燒試驗裝置

小型臥式旋風(fēng)燃燒試驗裝置如圖1所示。電爐采用上海意豐電爐廠生產(chǎn)的定制高溫多功能箱式電阻爐(長1.9 m，高1.4 m)，通過串聯(lián)硅鉬棒加熱，最高溫度加熱至1 600 ℃，額定功率17 kW。加熱爐主體分為3部分：入口處為蝸殼式燃燒器，風(fēng)粉混合物在此產(chǎn)生旋流并被點燃；旋風(fēng)筒結(jié)構(gòu)采用熱振性和耐熱性相對較好的碳化硅材料，筒體長575 mm，直徑250 mm，煤粉在此燃燒并形成液態(tài)渣，液態(tài)渣通過縮口結(jié)構(gòu)上的排渣口排出，并在筒體長度方向上均勻布置測點，用于觀測兼取樣和測量;爐體后半部為模擬二次室結(jié)構(gòu)，中間擋板用于模擬煙氣回流。二次室底部有流渣口，用于接收旋風(fēng)筒排出的液渣，并用水封槽進行冷卻收集液渣和密封，二次室出口接引風(fēng)管道以排出煙氣。電爐設(shè)定溫度為熱電偶測到的旋風(fēng)筒外壁上的溫度，試驗以此溫度作為工況溫度的設(shè)定。

圖1 小型臥式旋風(fēng)燃燒試驗裝置Fig.1 Small horizontal cyclone combustion experimental device

1.3 試驗流程和方法

采用電加熱方式將筒內(nèi)溫度升至一定溫度，一次風(fēng)攜帶的煤粉以一定風(fēng)速通過蝸殼燃燒器旋流進入旋風(fēng)筒內(nèi)被加熱燃燒，產(chǎn)生后的煙氣通過引風(fēng)機從尾部排煙管道排出，筒內(nèi)產(chǎn)生的熔渣通過爐體下部的流渣口排入水封槽。其中煤粉由圓盤給料機持續(xù)給粉送入一次風(fēng)管道后被一次風(fēng)攜帶進入爐膛，并通過標(biāo)定來控制給煤量大小。一次風(fēng)量由渦街流量計讀數(shù)獲取，通過一次風(fēng)閥門調(diào)節(jié)引風(fēng)管道，通過壓力表來控制，引風(fēng)量大小由引風(fēng)管道閥門調(diào)節(jié)。在旋風(fēng)筒內(nèi)軸向距蝸殼燃燒器158 mm處沿出口布置10個測點，相鄰2個測點間距為50 mm；在距蝸殼燃燒器158、263 mm處分別布置a、b兩列徑向溫度測點，每列以50 mm間距分別布置5個測點；分別用熱電偶和煙氣分析儀測量爐膛溫度和煙氣，并在爐膛內(nèi)、出口處以及排煙管道上采集飛灰。

試驗開始后，在某一工況下持續(xù)燃燒1 h以上，認(rèn)為工況穩(wěn)定，開始采樣，采集到的渣樣和飛灰樣收集冷卻后磨至0.075 mm(200目)以下進行XRD檢測分析，通過計算渣樣和飛灰樣中的堿金屬Na、K、Na+K的氧化物含量和固堿率情況，分析臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃用高堿煤時液渣對煤中堿金屬的捕捉特性，其中固堿率由式(1)計算。

(1)

式中，η為堿金屬固堿率，%；ηY為液渣中堿金屬氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ηM為煤灰中堿金屬氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ηHZ為灰渣比，%，由式(2)計算。

(2)

式中，MH為灰的質(zhì)量，g；ZZ為液渣的質(zhì)量，g。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 爐內(nèi)液渣形成分析

設(shè)定溫度1 100、1 200、1 300、1 400 ℃，過量空氣系數(shù)α=1.2時連續(xù)運行2 h以上冷卻后的爐膛壁面成渣情況如圖2所示。可知設(shè)定溫度為1 100、1 200 ℃時爐膛內(nèi)還未形成液渣，主要為積灰，1 300 ℃以上開始形成液渣，1 400 ℃時爐膛內(nèi)壁面成渣已經(jīng)非常明顯，此時測得煙氣溫度為1 423 ℃，超過了煤灰的流動溫度1 340 ℃，滿足該煤種液態(tài)排渣的要求。

圖2 不同試驗臺設(shè)定溫度下的成渣情況Fig.2 Slag formation at different test bench set temperatures

爐膛內(nèi)壁形成結(jié)渣基本條件是具有黏性的初始沉積層(內(nèi)白層)形成，內(nèi)白層能捕獲煙氣中的灰顆粒使其沉積在受熱表面[14]。而內(nèi)白層的形成是由于燃燒過程中，經(jīng)過氣化、成核、凝結(jié)、團聚以及爆裂等過程的煤中礦物質(zhì)會形成通過粒子擴散、熱遷移或慣性遷移運動到受熱表面的細(xì)微灰顆粒和粗灰顆粒等，其中的細(xì)微灰顆粒和煙氣中形成的堿金屬及堿土金屬氣態(tài)活性成分會有選擇性或熔融性地沉積在受熱表面。沉積的堿金屬、鐵以及鈣形成的化合物均能影響內(nèi)白層的形成，且引起內(nèi)白層形成的主要原因是堿金屬化合物的沉積[15-16]，在高溫下?lián)]發(fā)的煤中堿金屬與其他化合物反應(yīng)生成的堿金屬硫酸鹽在受熱面冷凝后形成液態(tài)黏性層，冷凝的堿金屬硫酸鹽和鐵、鈣的化合物反應(yīng)生成低熔點化合物，如Na3Fe(SO4)3、NaFe(SO4)2和Na2O·SiO2·CaO等，促進內(nèi)白層的形成[8]。

為分析不同溫度對旋風(fēng)爐爐膛內(nèi)結(jié)渣程度的影響，分別取中溫燃燒區(qū)域(1 220～1 320 ℃)、高溫燃燒區(qū)域(1 320～1 420 ℃)2個區(qū)域的液渣樣品，通過掃描電鏡對其微觀形貌進行觀察，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度區(qū)域渣樣微觀形貌和能譜分析Fig.3 Analysis of microscopic morphology and energy spectrum of slag samples in different temperature regions

由圖3可知，不同溫度區(qū)域的渣樣不同。溫度較高區(qū)域中的液渣樣品呈現(xiàn)較高的玻璃化程度，形成幾乎沒有縫隙的致密光滑平面；而相對于高溫燃燒區(qū)域，中溫區(qū)域的液態(tài)渣樣品基本熔融并交聯(lián)在一起，同時表面凹凸不平，燒結(jié)程度較為嚴(yán)重。

2.1.1爐內(nèi)液渣成分分析

為進一步了解不同溫度區(qū)域液渣中的成分，對不同溫度區(qū)域的液渣樣品進行能譜分析，結(jié)果如圖4和表3所示。

圖4 不同位置能譜分析Fig.4 Energy spectrum analysis of different locations

表3 能譜分析

由圖4、表3可知，中溫燃燒區(qū)域的液渣成分主要以Fe、O、Si為主，這是由于該溫度區(qū)域，燒結(jié)層會捕獲煙氣中的Fe氧化物生成較低熔點物質(zhì)，當(dāng)其在爐膛內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)遷移至爐膛水冷壁壁面時會發(fā)生黏結(jié)，從而導(dǎo)致含鐵礦物發(fā)生富集，這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致[11]；而對于溫度1 320～1 420 ℃的液渣樣品，高溫燃燒區(qū)域液渣中的K、Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且在高溫燃燒區(qū)域未檢測到S元素，說明在溫度極高的燃燒條件下，含S化合物基本完全分解，并以氣相形式存在于煙氣中；高堿煤在液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃燒時，煤中含Na、K物質(zhì)易升華、冷凝，揮發(fā)后的堿金屬或堿金屬氧化物會以氣態(tài)形式存在于鍋爐煙氣中。當(dāng)爐膛內(nèi)壁成渣時，爐內(nèi)自身液渣會與高堿煤發(fā)生相互的邊界反應(yīng)，而在此界面反應(yīng)中，爐膛內(nèi)壁的液渣能捕獲揮發(fā)在煙氣中的Na、K，并使其游離到硫酸鹽晶系中或液渣的Si-Al體系中形成穩(wěn)定的高熔點化合物Na4Ca(SO4)3·2H2O、NaCa2HSi3O9、KCaAl3Si3O12(H2O)5[13]，使煙氣中堿金屬、堿土金屬含量降低，進而抑制內(nèi)白層的形成，緩解受熱面黏污、結(jié)渣，主要反應(yīng)為

(3)

(4)

(5)

2.1.2爐內(nèi)溫度場分布分析

α=1.2時，不同工況下爐膛徑向和軸向的溫度分布特征如圖5所示。

由圖5可以看出，爐膛內(nèi)壁成渣時，在爐膛的中心區(qū)域，由于煤粉以旋流噴方式射入爐膛，加之空氣的高速旋轉(zhuǎn)運動，使該區(qū)域燃料濃度較低，導(dǎo)致溫度水平出現(xiàn)低谷。該區(qū)域的溫度水平主要反映了中心回流區(qū)的溫度特性；在爐膛中心到爐壁之間的過渡區(qū)域，大部分燃料的劇烈燃燒和強烈的氣流旋轉(zhuǎn)使得火焰溫度快速上升至峰值，從而在橫截面上形成環(huán)狀高溫區(qū)。而在軸向方向上，由于煤粉從被加熱到燃燒存在一個過程，因此該方向上溫度逐漸升高，在筒體的后半段燃燒最充分，溫度也最高，在爐膛出口附近溫度又有所下降，從整體上看爐內(nèi)總體溫度分布比較均勻。由圖5可知，設(shè)定溫度為1 300、1 400 ℃時爐膛內(nèi)溫度總體均勻穩(wěn)定，且爐膛內(nèi)溫度整體大于1 200 ℃。

圖5 爐內(nèi)徑向和軸向溫度情況Fig.5 Radial and axial temperature conditions in the furnace

2.2 固堿率分析

通過煙氣分析儀對旋風(fēng)筒出口處的煙氣成分進行測試，結(jié)果見表4。研究表明，臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐內(nèi)自身液渣捕捉堿金屬進而發(fā)生界面反應(yīng)，使堿金屬Na、K隨液渣流入凝渣池，排出爐膛，從而減少煙氣中的堿金屬含量。通過計算臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)試驗爐內(nèi)成渣時Na、K、Na+K的固堿率從而分析臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃高堿煤時液渣對堿金屬Na、K的捕捉效率，為運用臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃高堿煤提供參考。

在渣灰比一定的情況下，以液渣中的鈉鉀元素含量與煤灰中鈉鉀含量之比作為固堿率。設(shè)定溫度為1 300和1 400 ℃時不同過量空氣系數(shù)下的固堿率見表5，可知爐膛內(nèi)成渣時固堿率均能達到50%以上，最高達到61.01%。在沒有添加劑的情況下，高堿煤自身固態(tài)灰對Na的捕捉率為38.87%[17]，而添加了高嶺土后，其捕捉率為50.92%[18]。

表4 煙氣分析

表5 1 300和1 400 ℃不同過量空氣系數(shù)的固堿率

圖6為不同設(shè)定溫度和過量空氣系數(shù)下Na、K元素的固堿率與高堿煤自身固態(tài)灰以及向高溫區(qū)添加高嶺土?xí)r對Na的捕捉效率對比?？芍陨砉虘B(tài)灰、添加高嶺土兩者對Na的捕捉效率均比液渣捕捉Na的效率低；1 400 ℃的固堿率大于1 300 ℃，且在α=1.2時固堿率較大，α=0.9時固堿率較小，這是由于煙溫也是影響新疆高堿煤爐內(nèi)黏污、結(jié)渣程度的關(guān)鍵因素[11]，同時溫度越高、燃燒越完全，含S化合物分解更完全，更易與煙氣中的Na、K元素反應(yīng)形成硫酸鹽，進而被液渣捕獲生成高熔點的Na、K硅鋁復(fù)鹽。

圖6 液渣捕捉堿金屬效率Fig.6 Liquid slag captures alkali metal efficiency

2.3 準(zhǔn)東高堿煤燃燒旋風(fēng)爐內(nèi)積灰分析

為進一步研究準(zhǔn)東高堿煤在液態(tài)排渣臥式旋風(fēng)爐內(nèi)燃燒時爐內(nèi)的積灰情況，從而了解液渣捕獲煙氣中Na、K堿金屬對受熱面黏污、積灰的影響，取爐內(nèi)中溫燃燒區(qū)灰樣中的典型顆粒通過掃描電鏡對其進行微觀形貌觀察以及能譜分析，結(jié)果如圖7和表6所示。

圖7 中溫燃燒區(qū)典型微觀形貌和能譜分析Fig.7 Typical microscopic morphology and energy spectrum analysis of the moderate temperature combustion zone

表6 中溫燃燒區(qū)顆粒能譜分析

由圖7可知，飛灰顆粒表面呈現(xiàn)出2種完全不同的區(qū)域，在譜圖13、14區(qū)域，顆粒表面呈平整光滑的平面，玻璃化程度明顯；而在譜圖15、16區(qū)域則能清楚看到大部分灰顆粒沉積在玻璃化顆粒表面，致使表面凹凸不平，飛灰沉積現(xiàn)象明顯。由表5和圖6中顆粒的能譜分析可知，在玻璃化程度明顯的譜圖13、14區(qū)域中堿金屬Na、K、Ca含量相對于譜圖15、16明顯偏高，尤其是堿金屬K，在譜圖15、16區(qū)域均未檢測到，且在這2個區(qū)域出現(xiàn)Fe元素的富集，同時在譜圖13、14區(qū)域，Al、Si含量也相對較高，故推測其主要為石英顆粒。這是由于準(zhǔn)東高堿煤在旋風(fēng)爐內(nèi)燃燒過程中，煤中Na、K、Ca等堿金屬在高溫環(huán)境下經(jīng)揮發(fā)散至煙氣中，與同樣富集在煙氣中的SO2發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鹽黏結(jié)在石英顆粒表面增加其黏性，加強捕獲煙氣中飛灰顆粒的能力，使飛灰中Fe系氧化物更易富集在石英顆粒表面，進而加劇因燃用高堿煤引起的黏污現(xiàn)象。液態(tài)排渣臥式旋風(fēng)爐燃用高堿煤時爐內(nèi)液渣能有效捕獲煙氣中Na、K堿金屬，使其隨液渣流入凝渣池，排出爐膛，從而降低煙氣中的堿金屬、堿土金屬含量，在一定程度上能抑制爐內(nèi)飛灰在石英顆粒表面的沉積，有效緩解受熱面黏污、積灰問題。石英顆粒表面出現(xiàn)Fe元素的富集，同時說明了該試驗煤種在臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐中燃燒時，F(xiàn)e系化合物的富集對液渣形成影響較大，易黏結(jié)在石英顆粒表面并增加其黏性，加強燒結(jié)層捕獲灰顆粒的能力，促進渣層生長[19]。

3 結(jié) 論

1)臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃用試驗高堿煤爐內(nèi)形成液渣時,液渣中Fe元素會黏結(jié)在石英顆粒表面，增加其黏性，加強燒結(jié)層捕獲灰顆粒的能力，促進渣層生長，因此試驗煤種Fe元素對液渣的形成影響較大。

2)采用臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃高堿煤能有效緩解爐膛內(nèi)壁黏污、結(jié)渣問題，同時高溫燃燒區(qū)相對于低溫燃燒區(qū)緩解效果較為明顯。

3)高堿煤在臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)燃燒爐內(nèi)燃燒時徑向溫度呈中心低、周圍高；軸向則隨距離緩慢增加，但爐內(nèi)總體溫度分布相對比較均勻。

4)臥式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐燃用高堿煤捕渣率高，液渣對堿金屬Na、K的捕捉效率均能達到50%以上，最高達到61.01%，高于文獻中自身固態(tài)灰或高溫區(qū)添加高嶺土的Na捕捉率。其中設(shè)定溫度1 400 ℃的固堿率大于1 300 ℃；α=1.2時固堿率較大，α<1時固堿率較小。