炉内燃烧温度对准东煤灰熔融特性影响的实验研究

周文台， 何 翔， 魏增涛， 陈端雨， 施鸿飞， 马达夫

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)



炉内燃烧温度对准东煤灰熔融特性影响的实验研究

周文台， 何 翔， 魏增涛， 陈端雨， 施鸿飞， 马达夫

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

当炉内燃烧温度为950 ℃、1 150 ℃和1 350 ℃时，改变炉膛出口氧体积分数，分别设置为2.0%～2.5%、4.0%～4.5%和6.5%～7.0%，在准东煤沾污结焦实验台上进行实验，并收集沾污段的飞灰进行可燃物化验、电子扫描电镜扫描和X射线荧光光谱仪检验等分析.结果表明：炉内燃烧温度升高会使煤粉表面烧结性更强，阻碍了氧气向煤粉内部的扩散，导致飞灰可燃物质量分数增大；钠元素在950～1 150 ℃存在某种形式的快速释放，而钾元素则不会；炉内燃烧温度越低，煤灰熔融温度越低，结渣性越强，但这不是引起炉内沾污积灰的主要原因；炉膛出口氧体积分数的变化对飞灰成分和碱金属析出的影响较小.

准东煤； 沾污结焦； 熔融特性； 飞灰

准东煤的挥发分质量分数较高且灰分质量分数低，具有良好的着火和燃尽性能.但是准东煤中碱金属质量分数极高，相比于我国动力煤中钠质量分数的平均值(1%以下)，部分准东煤中的钠质量分数高达10%及以上，并且准东煤灰中的硫质量分数也高达20%～30%.在煤中过高碱金属质量分数和硫质量分数的共同作用下，在准东煤利用过程中，燃烧设备受热面的结焦问题十分严重[1].实际掺烧结果均表明，大量掺烧准东煤会导致燃烧设备从炉膛到尾部受热面均出现大面积结焦，甚至会出现烟道被焦渣完全堵塞，通过分析焦渣发现了大量的钠和钙等元素.碱金属被普遍认为是引起受热面沾污及结焦的主要原因,而碱金属的析出与炉内燃烧温度密切相关,笔者重点研究了炉内燃烧温度与准东煤碱金属析出的关系.

1 实验台

实验是在上海发电设备成套设计研究院与新疆天池能源有限责任公司共同搭建的准东煤沾污结焦实验台上进行的.实验台示意图见图1,其热功率为0.4 MW.该实验台模拟大型电站锅炉，包含制粉系统、燃烧系统、实验系统和尾部烟气处理系统等.

图1 实验台的布置形式

2 实验工况

通过调节给煤量及辅助燃烧炉的燃烧程度，进而控制炉内燃烧温度，分别选取炉内燃烧温度为950 ℃、1 150 ℃和1 350 ℃进行实验，并收集沾污段上的沾污物.此外，在炉内各燃烧温度下，改变二次风量，进而达到改变炉膛出口氧体积分数的目的.具体的实验工况见表1.

3 实验方法

实验时采集各工况下沾污段上的沾污物，对其进行可燃物及X射线荧光光谱分析 (XRF)检验，并记录各工况下CO和NOx的体积分数数据.实验煤种的元素分析和工业分析见表2.

表1 实验工况

表2 实验煤种成分分析

4 实验结果与分析

4.1 飞灰可燃物质量分数及内部结构

一般来说，炉内燃烧温度越高，进入炉膛的煤粉通过热辐射获得相同着火活化能所需的时间越短，煤粉在炉内的有效燃烧时间越长，飞灰可燃物质量分数会逐渐减小，但对于准东煤来说，如图2所示，炉内燃烧温度越高，飞灰可燃物质量分数也越高.这是因为，准东煤的挥发分质量分数非常高，所需着火热较小，其着火时间和距离均非常短，因此炉内燃烧温度对煤粉燃烧的影响较其他煤种小.

图2 不同工况下的飞灰可燃物质量分数

另一方面，炉内燃烧温度越高，煤粉燃烧越强，烧结程度越高，表面更加致密，反而会阻碍氧气向煤粉内部的扩散，导致煤粉内部更加容易缺氧，出现难以燃尽的情况.图3～图5为工况2、工况5和工况8下沾污物的电子扫描电镜内部结构图.

从图3～图5可以看出，相同炉膛出口氧体积分数下，随着炉内燃烧温度的不断升高，沾污物表面凹凸性越差，越趋于平整，说明其表面结构更加致密，相对比表面积减小，这也是炉内燃烧温度越高，飞灰可燃物质量分数越高的主要原因.

4.2 成分分析

收集沾污物，并通过X射线荧光光谱仪对其进行检查，主要是对碱金属及矿物质成分进行检验.

图3 工况2下沾污物内部结构(1 000倍)

图4 工况5下沾污物内部结构(1 000倍)

图5 工况8下沾污物内部结构(1 000倍)

4.2.1 碱金属分析

图6给出了沾污物中Na2O质量分数与炉内燃烧温度、炉膛出口氧体积分数的关系.从图6可以看出，随着炉内燃烧温度的升高，飞灰中钠元素质量分数明显减小.不少学者对准东煤中钠元素的迁徙进行了大量研究，认为钠的释放在燃烧初期，其总质量分数基本不发生变化[2-3]；但随着燃烧的加剧，钠元素质量分数通过NaCI气体的挥发、有机钠转化成的挥发成分释放及钠原子和氯原子进行释放[4-6].当炉内燃烧温度在950 ℃时，钠元素多在飞灰中，当炉内燃烧温度进一步升高至1 150 ℃以后，飞灰中的钠元素质量分数急剧减小，说明钠元素通过某些方式释放到了烟气中，并且最终凝结在管壁上，与烟气中的SO2和SO3反应，生成各种硫酸盐，这些硫酸盐在高温作用下形成密实黏结沉淀层，一方面使高温过热器、高温再热器管壁腐蚀加重，另一方面会造成高温黏结性积灰[7-8].

图6 沾污物中Na2O质量分数与炉内燃烧温度、炉膛出口氧体积分数的关系

Fig.6 Na2O content in deposit vs. combustion temperature and outlet oxygen concentration

从图6还可以看出，炉膛出口氧体积分数对碱金属的迁徙作用影响较小，在相同炉内燃烧温度、不同炉膛出口氧体积分数下所采集的飞灰中，Na2O的质量分数基本在同一数量级.

图7给出了沾污物中K2O质量分数与炉内燃烧温度、炉膛出口氧体积分数的关系.从图7可以看出，沾污物中钾元素质量分数随着炉内燃烧温度、炉膛出口氧体积分数的变化基本变化不大，说明钾元素如果存在某种形式的释放，那么其释放温度应该低于950 ℃；研究[9]显示，煤中钾元素主要以铝硅酸盐的形式存在，而铝硅酸盐在高温下比较稳定，不易挥发，所以高温下钾元素的释放量较少.

图7 沾污物中K2O质量分数与炉内燃烧温度、炉膛出口氧体积分数的关系

Fig.7 K2O content in deposit vs. combustion temperature and outlet oxygen concentration

4.2.2 飞灰成分分析

对采集的飞灰进行主要矿物质成分分析，结果见表3.从表3可以看出，随着炉内燃烧温度的升高，沾污物中SiO2、Al2O3的质量分数逐渐减小，而CaO、Fe2O3的质量分数逐渐增大，说明随着炉内燃烧温度的升高，飞灰中的矿物质成分发生了某些变化.

表3 飞灰的矿物质成分分析

Tab.3 Composition analysis of minerals in different ash samples %

在燃烧过程中，根据各矿物质化学性质以及现有的研究成果[10-13]，结合上述几种矿物质的成分变化，推测如下：(1)随着炉内燃烧温度的升高，CaO质量分数越来越高，说明此过程中发生了某些分解反应[14]，或者说生成CaO的分解反应占据主导；(2)Al2O3在煤灰熔融过程中起“骨架”作用，煤灰熔融温度随Al2O3质量分数的增大而逐渐升高，但在本实验中发现，不同炉内燃烧温度下沾污物成分中的Al2O3质量分数变化不大；(3)随着炉内燃烧温度的升高，SiO2质量分数逐渐减小，可能是高活性的SiO2与CaO、MgO发生反应，在1 000 ℃左右会生成镁硅钙石，炉内燃烧温度再升高后镁硅钙石会分解生成斜硅钙石，SiO2在煤灰熔融过程中容易发生玻璃化反应生成无定形玻璃体，缩短了灰渣软化的时间，并易与金属氧化物反应生成低熔点共熔体，SiO2质量分数减小，煤灰熔融温度将升高；(4)随着炉内燃烧温度的升高，Fe2O3质量分数增大，说明黄铁矿进一步被氧化成赤铁矿，1 200 ℃左右时，赤铁矿与硬石膏分解得到的CaO及偏高岭石分解得到的高活性Al2O3反应生成钙铁铝石.

从表3还可以看出，炉膛出口氧体积分数变化对飞灰成分的影响较小，故本次取炉内燃烧温度变化而炉膛出口氧体积分数不变的工况1、工况4和工况7在SiO2-CaO-Al2O3的三元相图中进行分析，如图8所示.图8中C表示CaO；S表示SiO2.SiO2-CaO-Al2O3三元相图中的二元矿物质有CS(熔点为1 544 ℃)、Ca2SiO4(熔点为2 130 ℃)、Ca3SiO5(熔点为2 150 ℃)、Ca3Al2O6(熔点为1 535 ℃)、CaAl2O4(熔点为1 600 ℃)、Ca12Al14O33(熔点为1 400 ℃)、CaAl12O19(熔点为1 850 ℃)、CaAl4O7(熔点为1 732 ℃)、方石英(熔点为1 710 ℃)、鳞石英(熔点为1 650 ℃)、硅钙石(熔点为2 130 ℃)、假硅灰石(熔点为1 540 ℃)和莫来石(熔点为1 840 ℃)；三元化合物有钙长石(熔点为1 553 ℃)和钙黄长石(熔点为1 553 ℃)；纯组分物质有CaO(熔点为2 570 ℃)、Al2O3(熔点为2 045 ℃)和SiO2(熔点为1 723 ℃)[15]．

当炉内燃烧温度为950 ℃和1 150 ℃时，其飞灰(图8中位置1和位置4)位于低温共熔区、钙长石与钙黄长石区域边界，其结渣性强，随着炉内燃烧温度的升高，当炉内燃烧温度为1 350 ℃时，飞灰组成点(图8中位置7)位于硅酸钙区域，其煤灰熔融温度较高.从煤灰熔融温度方面来讲，炉内燃烧温度越高，所生成的灰熔点也越高，更不容易结焦.但从实际投运的电厂来看，炉内燃烧温度越高，反倒容易结焦，说明准东煤的结焦不是主要取决于灰熔点，而是由于炉内燃烧温度升高以后，碱金属的释放所引起的沾污而导致的.

图8 SiO2-CaO-Al2O3三元相图

5 结 论

(1)随着炉内燃烧温度的升高，准东煤的飞灰可燃物质量分数也随之增大，这是因为随着炉内燃烧温度的升高，煤粉表面烧结性更强，表面更加致密，阻碍了氧气向煤粉内部的扩散.

(2)钠元素在950～1 150 ℃存在某种快速释放的形式，这些释放到烟气中的钠元素会在烟温较低的尾部凝结在受热面上，给沾污积灰提供条件；随着炉内燃烧温度的升高，飞灰中的钾元素质量分数变化不大；因此要避免锅炉严重沾污结焦，应当尽量避免钠元素的释放，可考虑控制炉内燃烧温度的方式.

(3)炉内燃烧温度越高，煤灰熔融温度较高，结渣性越弱；炉内燃烧温度越低，煤灰熔融温度较低，结渣性越强；但这不是引起炉内沾污积灰的主要原因，沾污积灰的主要因素还是由碱金属的释放而引起的.

(4)炉膛出口氧体积分数的变化无论是对飞灰可燃物的影响，还是对飞灰中碱金属的析出释放，以及对飞灰中矿物质成分的影响均较小.

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Effects of Combustion Temperature on the Ash Melting Properties of Zhundong Coal

ZHOU Wentai, HE Xiang, WEI Zengtao, CHEN Duanyu, SHI Hongfei, MA Dafu

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Ash fouling properties of Zhundong coal were studied in a test rig at combustion temperatures of 950 ℃, 1 150 ℃ and 1 350 ℃, and with the oxygen concentration set as 2.0%-2.5%, 4.0%-4.5% and 6.5%-7.0%, respectively. The fly ash collected from relevant contamination segments was then examined by combustible test, SEM analysis and X-ray fluorescence spectrometer analysis, etc. Results show that with the rise of combustion temperature, the sintering behavior on surface of coal particles tends to increase, which inhibits the diffusion of oxygen into coal particles, leading to increased combustible content in fly ash. In the temperature range of 950-1 150 ℃, element Na releases quickly in a certain form, but element K does not. The lower the combustion temperature is, the lower the ash melting temperature and the stronger the clinkering property will be, however, this is not the main cause of ash deposition in the furnace. The variation of oxygen concentration at furnace outlet affects little on the composition of fly ash and the release of alkali metal.

Zhundong coal; ash fouling; melting property; fly ash

2016-03-21

2016-04-11

国家科技支撑计划(973计划)资助项目(2015BAA04B00)

周文台(1981-)，男，四川达州人，工程师，硕士，主要从事大型电站锅炉的燃烧优化及能耗评定方面的研究. 电话(Tel.): 13310033331；E-mail：zhouwentai@speri.com.cn.

1674-7607(2016)12-0945-06

TK227

A 学科分类号：470.30