准东高钠煤沾污、结渣、腐蚀问题研究

雍晓艰，周梓欣

（1.新疆维吾尔自治区煤炭综合勘查院，新疆乌鲁木齐830091；2.新疆煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆乌鲁木齐830091）

根据准东煤田各矿区总体规划确定的煤炭转化利用方向，2014年6月～2015年12月，作者作为项目负责人之一完成了新疆中央返还两权价款资金《新疆煤炭资源分质利用技术研究》项目，针对准东煤田煤炭资源的煤质特性，尤其是煤中钠的赋存状态及煤灰特性开展研究，选取代表性样品进行提质、热解、气化等转化试验研究，提出新疆准东煤田主要煤层的煤质特征，分析煤炭转化应用中可能存在的问题并提出相应对策，为新疆准东煤田煤炭资源的洁净、高效利用提供地质依据。

1 概况

新疆准东煤田位于准格尔盆地的东部，北界山体为北西走向的克拉麦里山，南界山脉为东西向的东天山的博格达山，二者在木垒县城东北部胡乔克处交汇，西界由克拉麦里山西端的滴水泉沿216国道向南至吉木萨尔城西三台镇，与准噶尔盆地中心相接；整体呈东窄西宽的三角形。行政区划大部属昌吉州吉木萨尔县、奇台县和木垒县管辖。西北角属阿勒泰地区富蕴县管辖。东西长约226km，南北西边界处最宽处为126km，面积约7596km2。含煤地层为侏罗系中统西山窑组、下统八道湾组。煤类为31号不粘煤，41号长焰煤。总资源量约2215×108t。煤田自西向东划分为五彩湾、大井、将军庙、西黑山和老君庙5个矿区。

2 燃用准东煤存在的主要问题

目前燃用准东煤的电厂较多，主要分布在准东地区和乌鲁木齐地区，在疆外的甘肃和四川地区也有应用。从燃用准东高钠煤的多家300MW等级电站锅炉运行情况来看，准东煤燃烧发电利用存在的主要问题有：

（1）不同类型、不同容量锅炉燃用准东煤均出现结渣、沾污问题。无论是按新疆具有结渣倾向性的烟煤设计的煤粉锅炉，还是按现有技术标准以准东煤为设计煤种制造的煤粉锅炉，甚至按准东煤设计的、燃烧温度更低的、防结渣性能较好的循环流化床锅炉均无法以准东煤为单一煤种，必须采用掺烧的方法才能安全燃用。目前煤粉锅炉掺烧准东煤比例一般低于50%，流化床锅炉掺烧比例一般低于70%。已经投运的五彩湾350MW超临界项目锅炉（东方锅炉厂制造）可做到额定负荷时掺烧75%准东煤沾污结渣可控。

（2）炉膛至空气预热器区域的所有受热面均可能发生积灰、结渣和沾污。实际运行情况表明，当燃用准东煤比例过高时，锅炉的炉膛水冷壁、屏区结渣（煤粉炉）以及对流受热面均出现沾污积灰（所有类型锅炉）等现象，吹灰器无法清除，除渣系统运行困难、影响蒸汽温度、堵塞烟道，严重时被迫停炉清渣清灰。

（3）在炉膛、高温对流受热面等区域出现高温腐蚀现象。部分电厂在大量燃用准东煤时出现水冷壁、过热器、再热器受热面腐蚀，导致管壁减薄和爆管。

3 高钠煤结渣、腐蚀、沾污

在燃烧和热解过程中钠在相对较低温度下均有不同程度的逸出。对早中侏罗世的神东煤和义马煤热解试验表明，在400℃～700℃范围内煤中的钠随热解温度升高挥发性增加；对澳大利亚高钠煤的热解试验也表明，钠在500℃～550℃时释放速率出现最大值。对准东煤不同温度下的灰化试验表明钠在燃烧过程中会不断逸出，500℃～600℃主要生成NaCl，700℃时形成NaAlSi3O8，温度更高时主要生成NaAlSiO4。

煤粉中灰分（矿物质）燃烧后形成液态灰渣粘附在炉膛的受热面上，逐步沉积成块状，形成结渣，影响锅炉出力；而气态灰分（矿物质）在较冷的水冷壁、过热器或再热器管面上凝结，并与飞灰结合在一起沉积于管子上，对受热面造成沾污。结渣沾污产物与锅炉管壁发生反应，腐蚀管壁，导致管壁减薄和爆管。

3.1 结渣的作用机理

按照对结渣的作用机理不同可将结渣分为高温粘结灰、低温粘结灰。锅炉受热面表面形成一层处于熔化或者软化的粘性灰层（粘结性是由化学反应产物产生），靠这层粘性灰的捕捉作用积聚飞灰粒子，被捕捉到的飞灰在化学作用下形成紧密的灰层，即形成高温粘结灰。碱金属高温粘结灰的形成机理为：

（1）灰分（矿物质）中的碱金属氧化物在燃烧时升华，靠扩散作用到达并冷凝在管壁上；

（2）烟气中部分SO2会氧化为SO3，冷凝在管壁上的碱金属氧化物与烟气中SO3反应形成硫酸盐；

（3）硫酸盐与飞灰中的Fe2O3及烟气中的SO3反应，形成复合硫酸盐Na2Fe(SO4)3、K3Fe(SO4)3；硫酸盐与飞灰中的氧化铝形成Na3(AlSO4)3、K3(AlSO4)3；这些产物在500℃～800℃范围内呈熔融状，具有粘性；

（4）以这层为粘结剂，捕集飞灰粒子，继续形成粘结物，结渣层迅速增长。

低温粘结灰形成于锅炉的低温受热面，受热面的壁温低于或稍高于烟气露点（50℃～180℃）。低温粘结灰的形成机理为：

①硫酸蒸汽在低温受热面上冷凝，捕捉飞灰粒子，飞灰粒子中的CaO与硫酸反应形成硫酸钙；

②硫酸钙具有粘性，可以继续捕捉飞灰，形成水泥状、致密的灰渣，这个过程也被称为积灰水泥化。灰的沉积物中大部分是可溶性的铝、钙和铁的硫酸盐。

一般烟气的酸露点越高，积灰越严重。在粘结反应中，少量的碱金属硫酸盐也起一定的作用，但不是主要作用。

3.2 腐蚀的作用机理

依据发生腐蚀区烟温高低划分发生在水冷壁烟气侧和过热器、再热器管外壁的高温腐蚀以及发生在空气预热器冷端的低温腐蚀。

高温腐蚀是由高温粘结灰引起。高温粘结灰中有复合硫酸盐X3Fe（SO4）3，（X为Na或者K）；温度高于550℃，复合硫酸盐呈熔液状态；温度高于710℃，复合硫酸盐发生分解，释放SO2，形成正硫酸盐。液态的复合硫酸盐对金属有强烈的腐蚀作用，尤其是在650℃～750℃温度范围内腐蚀速度很快。

低温腐蚀主要有化学腐蚀（硫酸作用于金属）和电化学腐蚀（水蒸气冷凝后与金属作用），是硫酸作用产物。腐蚀均发生在温度低于酸露点的壁面上，腐蚀产物主要是低价铁的硫酸盐（FeSO4）和铁的氧化物Fe2O3和Fe3O4等。

3.3 沾污的作用机理

对于粉煤锅炉来讲，由于煤在炉壁与过热器上的积灰与沾污，造成非计划的停工次数日渐频繁。人们经过大量试验发现煤灰中的碱金属氧化物（尤其是Na2O）是引起沾污的元凶，并据此提出了评定煤灰沾污性的指标，称为沾污性指数（Fouling Index）以Rf表示。研究表明钠、钙对锅炉沾污的影响往往与煤中氯含量有关，氯含量越高，沾污越严重。

3.4 准东煤的结渣、沾污倾向性

目前结渣性的判别主要是根据煤灰熔融性温度、煤灰成分以及煤灰粘度划分结渣倾向性；沾污性的判别主要是以钠含量为判别指标以及以煤灰、飞灰的烧结强度作为判别指标。准东煤中钠含量高是结渣沾污性严重的主要原因，钠在500℃～800℃下释放，以气态形成凝结在较冷的水冷壁、过热器或再热器管面上，并与飞灰结合在一起沉积于管子上，对受热面造成沾污；此外钠蒸汽与其他物质发生反应，形成熔融的高温粘结灰，沉积在锅炉的高温受热面上，形成结渣，并可与管壁反应造成腐蚀。

4 挂渣试验研究

4.1 试验过程

依据DL/T 1106-2009《煤粉燃烧结渣特性和燃尽率一维火焰炉测试方法》搭建试验装置，将碳化硅棒从炉底取样枪孔垂直插入一维沉降炉的炉膛不同位置，并使其顶端置于起初根据煤粉停留时间计算好的位置处，研究炉膛不同位置的结渣沾污情况。工况稳定运行2h后迅速取出结渣棒，用水将取得的灰渣进行迅速冷却，以保持灰渣中物相的稳定性，之后对灰渣进行干燥处理，用玛瑙研钵研磨到一定细度后，利用扫描电镜对渣样表面微观形貌进行分析。

4.2 结果与分析

水冷壁管壁渣：通过选取代表性样品进行实验，水冷壁管壁结渣典型形貌，从扫描电镜下图像来看，样品形貌特征多样，大小、形态各异；以Al和O为主的物质多以圆柱体形状出现；物质成分均以Ca、Si、Al、O为主，并含有少量的碳元素，其他元素的含量较低；钠元素含量均相对较低。

过热器管壁渣：通过选取代表性样品进行实验，过热器管壁渣典型形貌，结渣物质形态主要有2种：灰色基质及不规则的白色颗粒。2种物质成分复杂，白色颗粒相对富集Ca、S、Fe、Na等元素，而灰色基质中Si和Al含量更多。钠在样品各个位置均有分布，局部略有富集，未发现明显规律，说明钠是以蒸汽冷凝后比较均匀的分布在样品各个位置中。

再过热器管壁渣：通过选取代表性样品进行实验，再过热器管壁渣典型形貌，样品多为球形或者近球形颗粒，仅部分样品呈基质状，物质成分均以Si、Al、O为主；物质成分与形貌间并无明细规律，样品中钠含量相对较低。

粘结灰：通过对代表性样品进行实验，粘结灰以熔融颗粒状为主，形貌变化较大；无论是S、Ca样品，Si、Al基样品，Ca、Fe基样品，Fe、Mg样品，钠含量均较高，并未明显的富集规律。

灰渣：通过对代表性样品进行实验，灰渣样品以颗粒状物质为主，也见熔融状颗粒，颗粒尺寸变化较大；物质成分以硅铝质为主，含有少量的Ca和S，样品中钠含量相对较低。

飞灰中含钠颗粒分析：通过对代表性样品进行实验，飞灰中含钠颗粒以大小不等的球形及近球形颗粒为主，并含有少量的熔融状颗粒；物质成分以Si、Al、Ca和S为主，钠含量相对较低。

5 结论

本文提出了燃用准东煤时，锅炉均出现结渣、沾污问题，炉膛至空气预热器区域的所有受热面均可能发生积灰、结渣和沾污，在炉膛、高温对流受热面等区域出现高温腐蚀现象等问题；介绍了结渣作用机理、腐蚀的作用机理、沾污的作用机理；分析了准东煤的结渣、沾污倾向性；最后通过对代表性样品进行分类挂渣试验研究，更进一步证实了准东煤中钠的富集特征，为更好、洁净、高效利用准东煤提供了技术支撑。

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