过量空气系数对准东煤结渣特性的影响

吴江全，孟建强，严泰森，吴士强，孙绍增，秦 明，赵义军

(1.哈尔滨工业大学 燃煤污染物减排国家工程实验室，150001哈尔滨;2.中国船舶重工集团公司，201108上海;3.广东省特种设备检测研究院顺德检测院，528300广东顺德)

为安全利用准东煤［1-2］，许多学者对准东煤的特性进行了相关研究.Zhu等［3］研究了准东煤热解焦的化学结构特征.王学斌等［4］研究了燃用准东煤锅炉中灰的沉积机理.郭烈锦等［5］研究了准东煤超临界水气化动力学特征.Wang等［6］，Zhang等［7］研究了准东煤燃烧过程中钠的释放和形态转化.周浩等［8］研究了富氧燃烧条件下温度对准东煤灰烧结特性的影响.杨忠灿等［9］结合燃烧试验台中准东煤的着火、燃尽、结渣等特性，提出准东煤掺混燃烧及锅炉选型的条件.赵庆庆等［10］对 4种典型的准东煤样添加 CaO、Al2O3、SiO2，利用SiO2-CaO-Al2O3三元系统相图分析了准东煤结渣倾向.周永刚等［11］采用沉降炉研究了不同温度下准东煤的结渣特性.

目前大容量电站煤粉锅炉多采用空气分级燃烧［12］，而空气分级燃烧过程中炉内的主燃区处于低过量空气系数，为还原气氛，易出现煤粉结渣.关于空气分级对准东煤结渣特性的影响规律鲜有报道.

本文采用多反应控制段携带流反应器EFRM(Entrained Flow Reactor with Multiple Reaction Segment)实验台，布置多个空气对冲喷口，模拟真实锅炉中的空气分级燃烧情况，研究在不同过量空气系数条件下，准东煤的高温熔融特性，并采用XRD(X-ray diffraction)与SEM-EDX(Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析灰渣在高温条件下的熔融特性与微观形貌.为改善燃用准东煤的锅炉空气分级条件下结渣情况提供理论依据.

1 实验

1.1 实验煤样及特性

本实验研究煤种为新疆准东煤，平均粒径为75μm.表1为准东煤的煤种特性，由表1可知，准东煤灰中二氧化硅和氧化铝含量较一般煤种低，钠含量明显高于一般煤种，且氧化铁和氧化钙含量较高.在还原性气氛下，实测煤灰熔点为1 200℃，软化温度为1 215℃，半球温度为1 220℃，流动温度为1 226℃.

表1 准东煤煤种特性%

1.2EFRM实验系统

实验台采用多反应控制段携带流反应器EFRM，其结构如图1.EFRM由炉体、控温系统、给粉系统、配气系统，采样分析系统和相应的监控系统等组成.炉膛内径为175 mm，总长3 100 mm，炉膛加热区长2 700 mm，采用硅钼棒分7段加热，最高加热温度为1 650℃，最大功率为69 kW.实验系统详细介绍见文献［13］.本文选定炉膛温度不变，考察主燃区过量空气系数对准东煤结渣特性的影响.根据准东煤灰熔点，实验中炉膛温度选取1 250 ℃.主燃区过量空气系数控制在 0.7、0.8、0.9、1.0，燃尽区过量空气系数选取 1.2 保持不变，主燃区停留时间 1.0 s，燃尽区停留时间 1.5 s.为对比研究空气分级燃烧的效果，实验中设置原始工况(空气不分级)过量空气系数为1.2，总停留时间2.5 s.取渣位置在空气分级燃烧条件下选取主燃区停留时间0.9 s处，原始工况选取停留时间2.5 s处.

图1 EFRM整体示意

实验时，当炉内温度、气氛环境(保证尾部含氧量在体积分数为3.55%左右)达到设定工况参数并且能够稳定运行的条件下，将结渣棒(硅碳棒)从炉底沿轴向垂直插入携带流反应器炉膛中，这样能够使结渣棒的取样面与烟气方向垂直，避免由于自然堆积作用对灰样的取样造成影响.采用SEM-EDX和XRD分别对灰渣表面微观形貌、孔隙结构和灰渣中矿物质在高温条件下的熔融特性进行分析.SEM-EDX采用德国蔡司公司Zeiss EVO08型扫描电镜，X射线能谱仪与扫描电镜联用，型号Oxford INCA，分辨率129 eV，试样喷镀仪采用J型离子溅射仪.XRD分析采用日本理学(Rigaku)公司的D/max 2200全自动X射线衍射仪，采用阶梯扫描方式，Cu Kα衍射，功率12 kW，操作电压40 kV，操作电流30 mA，扫描速率4(°)/min，扫面角度 2θ为 10°～80°.

2 结果及分析

2.1 燃尽率分析

采用等速取样的方法在EFRM实验台上对各工况尾部点(煤粉停留时间为2.5 s处)位置进行取灰，由于准东煤灰分较低，为了满足分析所需灰量，每个取灰工况稳定运行40 min后进行取灰.对所取灰样干燥后利用马弗炉在815℃条件下烧灰、称重，计算燃尽率:

式中:A0为原煤中干燥基灰分(质量分数);A为所取灰样中干燥基所含灰分(质量分数)，结果如表2.

表2 燃尽率分析汇总

由表2可知，所有工况的燃尽率均能达到99%以上.空气分级燃烧条件下，过量空气系数α为0.9与1.0时燃尽率变化幅度很小，主燃区过量空气系数从0.7到1.0之间燃尽率总体趋势降低，降幅为0.3%.

2.2 结渣特性实验结果

首先对所有工况中结渣棒上取得的渣样进行宏观形貌特性分析，比较其随主燃区过量空气系数的变化规律.取得的渣样如图2(a)～(e)所示.

图2 各工况下渣样宏观形貌

原始工况α=1.2时，总停留时间2.5 s处结渣情况如图2(a)所示，灰渣颜色变黑，质地变硬，灰渣完全熔融粘聚在一起的量增多，上面分布的孔隙变大.过量空气系数α=0.7时，如图2(b)所示，灰渣完全融化成致密的釉质，全部呈现熔融状态，结渣颜色呈黑色发亮，十分坚硬，表面光滑，有明显灰渣流动后凝固的痕迹，为实心体，无孔隙分布.过量空气系数α=0.8时，如图2(c)所示，与α=0.7时相比完全熔融状态的坚硬灰渣量减少，熔融状态的灰渣仍然呈黑色，外部渣层较硬，渣层内部为空心，结渣棒内部出现未完全融化的灰渣，上面分布一些尺寸较小的孔隙.过量空气系数α=0.9时，如图2(d)所示，只能看到少量颜色发黑完全熔融状态的灰渣，其余均为质地较致密颜色较浅未完全融化的渣质，灰渣粘聚在一起，结渣棒上灰渣较厚，在灰渣的内部分布着不均匀的气泡孔隙.过量空气系数α=1.0时，如图2(e)所示，只收集到一层非常薄而致密的渣层，其间分布着一些气泡孔隙，孔隙变大变多，出现极少量完全融化状态的灰渣，并且有少部分灰渣颜色变为黑色，大部分为白色.可见，随着主燃区过量空气系数的增大，准东煤在主燃区还原性气氛中的结渣特性有所缓解，颜色逐渐变浅，灰渣量逐渐变少.

为了进一步研究煤中矿物质高温条件下的熔融特性，利用SEM-EDX分析灰渣表面微观形貌和孔隙结构［14］.各工况取得渣样的SEM-EDX分析如图3～7所示，选取扫描电镜图片的放大倍数为1 000倍.

原始工况条件下的SEM-EDX分析如图3所示，灰渣已经完全熔融烧结，微观形貌为形状不规则的致密表面，没有完全形成平面，表面没有缝隙，能够观察到灰渣熔融过程中形成的条纹状晶体结构，灰渣样品表面分布一些大小为2～20μm的孔状结构及凹坑，并粘附有一些尺寸很小的细小颗粒，大部分＜2μm.

主燃区过量空气系数α=0.7条件下的SEMEDX分析如图4所示，灰渣熔融烧结程度非常严重，微观形貌样品表面完全熔融为致密的平面，非常光滑，玻璃化程度高，表面分布有一些尺寸较小凹坑以及＜1μm的孔状结构，表面粘附颗粒尺寸非常小，放大倍数为5 000倍时才可以看到，并且在该放大倍数条件下表面仍然为致密平面.

图3 原始工况条件下的SEM-EDX分析

图4 α=0.7条件下的SEM-EDX分析

主燃区过量空气系数α=0.8条件下的SEMEDX分析如图5所示，灰渣微观形貌表面开始出现一些不规则形状，不再完全都是平面，但是其中绝大部分仍然是烧结程度严重的致密平面，且表面分布的孔隙变大变多，粘附小颗粒尺寸变大，放大倍数为5 000倍时可以看出灰渣形成过程中析出的晶体结构.

图5 α=0.8条件下的SEM-EDX分析

主燃区过量空气系数α=0.9条件下的SEMEDX分析如图6所示，灰渣微观形貌表面变得更加不规则，但是仍然很致密，烧结程度严重，孔隙分布进一步变大变多，粘附小颗粒增多，散落于渣样表面上，放大倍数为5000倍时同样可以观察到灰渣形成过程中的不规则流动痕迹以及析出的晶体结构，而不是形状非常规则的平面.

图6 α=0.9条件下的SEM-EDX分析

主燃区过量空气系数α=1.0条件下的SEMEDX分析如图7所示，灰渣微观形貌表面绝大部分仍然是烧结程度严重的致密层，但是出现层状堆积结构，为大量小颗粒堆积在一起形成的大块颗粒，放大倍数为5 000倍时能够观察到一些灰渣形成过程中表面所产生的絮状结构.

图7 α=1.0条件下的SEM-EDX分析

上述SEM分析表明，当采用空气分级燃烧时，在主燃区过量空气数小于1区域处结渣程度较高，随着过量空气系数的增大烧结程度逐渐减轻，灰渣中未粘附在一起的小颗粒逐渐增多，孔隙逐渐增大增多，表现为结渣特性逐渐减轻.所有工况的灰粒绝大部分粘附形成大块烧结体，均已形成结渣.

EDX分析均表明，灰渣中Si、Fe与Na富集明显，Al含量较低.一般情况下，Al含量越高煤灰熔点越高，Al本身熔点较高，在灰渣中能够起到“骨架”的作用，因此，Al含量较低使得结渣特性严重.Fe和Si在一些区域同时出现富集，说明准东煤灰渣中的含铁矿物质主要是以硅酸盐形式存在的.

煤粉燃烧时的结渣过程与煤中矿物质的熔融变化过程息息相关，燃烧过程中的矿物质变化极其复杂，对不同工况下取得的灰渣急冷干燥处理后进行XRD分析，以研究准东煤灰渣中矿物质在高温条件下的熔融特性.各过量空气系数条件下XRD衍射图谱如图8(a)～(e)所示.

图8 各过量空气系数条件下准东煤灰渣XRD衍射图谱

在高温、弱还原性气氛条件下，煤灰中的Fe2O3会发生下列反应［15］:

上述反应式表明，在高温、弱还原性气氛条件下，煤灰中的 Fe2O3会反应生成铁橄榄石(2FeO·SiO2)、铁铝榴石(3FeO·Al2O3·3SiO2)、铁尖晶石(FeO·Al2O3)以及斜铁辉石(FeO·SiO2).这几种晶相矿物质中有的熔点本身很低，而且铁的硅铝酸盐所组成的低温共熔区内有一个熔点很低的低温共熔点，其熔点为1 083℃;同时它们还能与莫来石、钙长石等熔点很高的矿物质发生反应形成低温共熔体，从而加重结渣.从衍射图谱中可以看出，随着气氛的不同，逐渐出现铁的硅铝酸盐，促使结渣加重，表现为随着主燃区过量空气系数的减小，准东煤结渣特性加重;与图8(b)相比，图8(c)和图8(d)中6-钙铁榴石与13-铁橄榄石的相对含量明显增加，说明当过量空气系数为0.7时，灰渣中组分种类已经显著减少，表明铁的硅铝酸盐已经部分形成低温共熔体，表现为结渣严重.因此，气氛不同时，准东煤表现出来的结渣特性不同，主要是由于不同气氛中Fe2O3的反应不同所致.

3 结论

1)在多反应控制段携带流反应器中模拟真实锅炉的空气分级燃烧结果表明，准东煤在1 250℃时具有很好的燃尽效果，过量空气系数为0.7～1.0时燃尽率均达到99%以上，改变过量空气系数对燃尽效果影响不明显.

2)随着主燃区过量空气系数的增大，从宏观形貌角度，准东煤在主燃区还原性气氛中的结渣有所缓解，灰渣量逐渐变少;从微观形貌角度，灰渣中小颗粒逐渐增多，孔隙逐渐增大，表现为结渣逐渐减轻，所有工况中灰粒均粘附形成大块烧结体.

3)XRD分析结果表明，气氛不同时，准东煤表现出来的结渣特性不同，主要是由于不同气氛中Fe2O3的反应不同所致.在实际应用中，为避免严重结渣，应该使主燃区过量空气系数大于0.7.同时可以通过掺配含铁量较低的煤来减轻准东煤的结渣.

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