添加剂对准东煤结渣和沾污特性影响的研究

2018-09-27施鸿飞周文台马达夫

动力工程学报 2018年9期

何翔，施鸿飞，周文台，马达夫，金晶

(1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093； 2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

近年来，针对新疆五彩湾地区现役机组锅炉燃用准东煤时沾污结渣严重的现状，学术界开展了大量研究，旨在揭示沾污和结渣的原因，寻求解决的方法。目前的报道多集中在准东煤灰熔融特性、结渣特性的试验研究。范建勇等[1]发现准东煤标准灰的熔融温度要比真实炉内燃烧时的熔融温度高，与灰熔融温度相比，煤灰成分指标更能表征准东煤的结渣特性；赵庆庆等[2]研究了4种准东煤标准灰的灰熔融特性，并结合三元相图研究了煤灰成分与灰熔融特性的关系；王礼鹏等[3]利用X射线荧光(XRF)光谱和扫描电子显微镜对某锅炉各部位受热面的灰渣样进行了沾污和结渣特性的研究，但其灰渣样的采集是在锅炉冷炉后进行的，因此与实炉燃烧采集到的灰渣样有一定的区别。

目前，有关添加剂对准东煤燃烧后结渣和沾污特性影响的研究已有报道，但是在中试规模试验台上的研究报道尚不多见。乌晓江等[4]在上海锅炉厂有限公司的3 MW燃烧试验台上对添加高岭土后准东煤的结渣和沾污特性进行了研究；谭厚章等[5]在某350 MW锅炉上研究了准东煤添加高岭土后屏式过热器的结渣机理，但其对水平烟道沾污特性的研究尚未涉及。

笔者采用3种不同的添加剂与准东煤进行掺烧，在新疆0.4 MW准东煤燃烧与沾污试验台上对比研究了不同类型添加剂对准东煤燃烧时结渣和沾污特性的影响。

1 试验部分

1.1 试验系统

试验台模拟大型电站锅炉搭建，主要包含6个系统：燃气点火系统，一、二次风系统，给煤制粉及燃烧系统，炉膛与烟道系统，蛇形管段及其冷却系统和循环水冷却系统。炉膛由耐火材料堆砌，外部是水冷套，蛇形管屏管子中冷却介质是高压空气。试验系统如图1所示。

1.2 试验工况

试验煤种为某五彩湾煤，试验用添加剂分别为该五彩湾煤自身燃烧后的煤灰渣、某将军庙煤和高岭土。试验用煤的煤质分析见表1，煤灰成分分析见表2。试验中工况1为纯烧某五彩湾煤,工况2为该五彩湾煤加自身底渣5%,工况3为该五彩湾煤90%加某将军庙煤10%，工况4为该五彩湾煤加5%高岭土，上述数据均是质量分数。

1.3 试验重要参数

按照实际电站锅炉燃烧运行参数进行试验参数设定，如表3所示。在蛇形管后屏后面的烟道中水平布置一根T91合金钢管(以下简称T91管)，管中通自来水进行冷却，用来研究在800 ℃左右烟温段管子表面的灰沉积情况。

1-高压风机；2-蛇形管段空气入口集箱；3-蛇形管前屏；4-蛇形管后屏；5-蛇形管段空气出口集箱；6-电加热装置(初期制粉使用)；7-制粉系统燃料入口；8-煤仓；9-给煤机；10-磨煤机；11-粗粉分离器；12-液化气系统；13-煤粉燃烧器；14-送风机；15-空气预热器；16、18-环形二次风；17-燃烧器二次风；19-炉膛温度测点之一；20-炉膛(结焦段)；21-初期烘炉用层燃炉；22-烟道；23-布袋除尘器；24-引风机；25-储水箱；26-循环水泵；27-省煤器；28-冷却塔

图1 试验系统

添加剂的加入使得各工况下的入炉煤煤灰成分发生了变化，经简单计算结果见表4。由于工况2中灰渣主要成分变化不明显，故重点对另外2个工况进行分析。

由表4可以看出，从工况1到工况4和工况3，Al2O3的质量分数分别升高至12.72%和15.35%，SiO2的质量分数分别升高了84.6%和41.07%，SiO2与Al2O3质量分数之比也发生了变化。

表2 煤灰主要成分分析

表3 主要试验参数

2 试验结果与讨论

2.1 结渣特性

图2是试验结束后蛇形管前屏起吊的图片。图2中，起吊管屏时灰渣沉积物掉入烟道，管子上无沉积物附着。

试验中发现在炉膛出口烟温1 100 ℃以上时4个工况均发生灰熔融并造成结渣，说明此3种添加剂对灰熔点的影响并不明显，这与文献[4]中试验用煤的灰熔融特性结论一致；马岩等[6]在不同灰化温度下研究发现w(SiO2)/w(Al2O3)大于1∶1后，煤灰中的含硅氧化物群、硅酸盐矿物群以及其他组分之间会发生相互作用产生低熔点共熔体，导致灰熔点降低。

表4添加剂加入后煤灰主要成分分析

Tab.4Massfractionofvariouscoalashcomponentswithadditivesmixed%

参数工况1工况3工况4w(SiO2)23.5833.2643.53w(Al2O3)9.7715.3512.72w(CaO)31.5519.9415.90w(Na2O)6.964.743.47w(Fe2O3)8.686.514.76w(K2O)0.360.610.61w(MgO)6.033.993.14w(SO3)11.077.015.77w(TiO2)0.851.010.86w(MnO2)0.1910.1200.090w(P2O5)0.010.120w(其他)0.9497.3509.140w(SiO2)/w(Al2O3)2.412.173.42

图2 蛇形管前屏图片

表4中工况1煤灰中CaO质量分数为31.55%，工况4和工况3的CaO质量分数则分别为15.90%和19.94%，李风海等[7]通过试验发现煤灰中CaO质量分数对灰熔点有较大的影响，当CaO质量分数在30%～35%时，灰熔点达到最低值，而CaO质量分数15%～20%时，灰熔点仅比最低值高30 K左右。煤灰中的CaO易与Al2O3、SiO2发生反应生成钙长石(CaO·Al2O3·2SiO2，其熔融温度为1 553 ℃)、钙黄长石(2CaO·Al2O3·SiO2，其熔融温度为1 593 ℃)、硅钙石(3CaO·SiO2，其熔融温度为1 464 ℃)及铝酸钙(CaO·Al2O3，其熔融温度为1 605 ℃)等矿物质，尽管CaO的增加有利于提高灰熔点，但是也仅能提高40 K以内[8]，富余CaO存在更大的影响在于，钙黄长石等易与含钙化合物形成1 170 ℃的低温共熔体，使得灰熔点降低[6]。

试验中发现，在炉膛内(耐火材料内壁)和蛇形管前屏的沉积层内层呈现金属色，未见管壁有内白层物质的沾污现象。研究也表明：燃烧温度升高会促进煤灰中CaO、Al2O3和SiO2与不定性的Mg和Fe氧化物反应，形成低熔点共熔物，极大增强了准东煤煤粉燃烧结渣倾向[9]；Fe2O3对硅钙钠体系具有助熔作用，可使体系共融温度下降[5]。上海锅炉厂有限公司的3 MW燃烧试验台试验结果表明，燃烧器区域(<1 500 ℃)磁铁矿(Fe3O4) 和钙硅石(CaSiO3)为结渣层主要矿物[10]。

2.2 Na和Ca的迁移特性

工况1～工况3的蛇形管前屏上沉积的灰渣较为致密且外观相近，考虑到篇幅只给出了工况1和工况4的结渣物图片(见图3)，其中工况4的结渣物尤其突出。

(a)工况1

(b)工况4

Fig.3 Slag collected from front screen of serpentine tube in case 1 and case 4

工况4的结渣物更厚量更大，但与其他工况相比，其结渣物更为疏松且便于清理。为了进一步揭示不同添加剂对燃煤沉积层形成的影响机理，对其结渣物进行XRF检测，具体结果如图4所示。

图4 XRF检测的结渣物主要成分

由图4可知，工况1形成的结渣物中碱金属质量分数最高；工况2对结渣成分的改变并不明显；工况4的结渣物中碱金属质量分数下降最为明显。

准东煤灰中Na、Ca质量分数较高，易形成钙长石、赤铁矿和硬石膏等低熔融矿物。工况3和工况4结渣物中SiO2质量分数升高，钙长石和硬石膏的质量分数逐渐下降[5,11]。图4中，工况1和工况2结渣物中Na2O的质量分数变化不大，工况3和工况4结渣物中Na2O的质量分数下降明显。准东煤灰中的钠大部分是以水溶性形态存在的[4,12]，而SiO2在高温下可以与原煤中水溶性的钠反应转化为硅酸盐形态的不溶性钠[8]，从而固定了部分钠；王学斌等[13]通过试验发现，准东煤中Na的释放量随着SiO2掺入比例的提高而显著降低，这是因为SiO2使得非水溶性钠比例提高。另一方面，烟温越高，Na2O的质量分数越低，因为煤灰中的Na2SO4升华析出或与水汽作用生成气态氢氧化物，以气态为主[14]，蛇形管前屏的烟温在1 050 ℃以上，而且蛇形管前屏内的工质是空气，管壁温度较高，Na2SO4较难冷凝，故灰渣中的Na质量分数不高。

结渣后外层结渣物的生成温度要比内层高，结合图3发现，渣体最外层颜色呈现出土黄色，这是由于飞灰中SiO2质量分数高[5]。工况3和工况4的结渣物中CaO的质量分数下降较为明显，一方面是由于工况3和工况4的入炉煤煤灰CaO质量分数比工况1低，另一方面是因为在600～1 000 ℃，Ca是以CaSO4的形式稳定存在于煤灰中，当温度上升至1 000 ℃以后，CaSO4分解为CaO，富余的CaO与含Fe、Si等的矿物反应形成低温共熔体，达到熔融状态后析出，且烟温越高，Ca质量分数越低[14]。

因此认为高Na质量分数不是造成结渣的主要原因，在温度高的区段准东煤燃烧以结渣特性为主。结渣物应是以Ca为主的硫酸盐复合物质、Fe为主的复合硫酸盐和以Si为主的硅酸盐。

2.3 沾污特性

对水平布置在烟道中的T91管进行准东煤燃烧和沾污特性的研究，图5是工况1 T91管沾污特性试验结果的图片。工况4 T91管上的沉积物颜色偏黄；其他几个工况T91管上的沉积物均呈灰白色。

图5 烟道中T91管沉积物图片

研究表明，Na在700 ℃以上的烟气环境中会快速升华，并与烟气中SO3、水蒸气形成的硫酸根反应生成Na2SO4，当遇到受热面管壁冷凝后，会快速形成一层致密的沾污内白层，这层物质使得煤灰具有很强的黏性[3,5,8]，是初始沾污物质的基础。此外，复合硫酸钠(Na3Fe(SO4)3)和焦硫酸钠(Na2S2O7)等也会形成密实黏结沉淀层，导致沾污[9]。

为进一步了解沾污层成分，对T91管上沾污物进行了XRF检测，结果如图6所示。

由表4可知，与工况1相比，工况4和工况3的入炉煤煤灰中Na2O的质量分数从6.96%分别下降至3.47%和4.74%；CaO的质量分数从31.55%分别下降至15.90%和19.94%。图6中，工况1和工况2的沾污物成分变化不大，其Na2O质量分数达到20%以上,工况4沾污物中的Na2O质量分数高于15%，均超过图4对应工况结渣物中的Na2O质量分数，说明在烟温低于800 ℃时，各工况下T91管上沾污物中的Na质量分数比炉膛内和炉膛出口高温段处高，这与王礼鹏等[3]的研究结论接近。随着烟温降低，Na的硫酸盐蒸气冷凝析出[15]，试验过程中通水的T91管管壁温度低，烟气中的Na2SO4被冷凝的效果增强，形成白色底层，说明沾污主要是由Na引起的。上游结渣物中硅铝酸盐质量分数越高，则沾污物中的Na2SO4就越少；代百乾等[16]对某300 MW亚临界锅炉在不同高温下对流受热面上的积灰进行研究，在烟温800 ℃附近的灰样表面发现了大量的CaSO4微米级颗粒。工况3入炉煤煤灰中的Al2O3质量分数比工况4高21%，且工况3的w(SiO2)/w(Al2O3)比值为2.17，工况4的w(SiO2)/w(Al2O3)比值为3.42，理论上工况3生成的硅铝酸钠、钙的各类低温共融复合盐更多，故工况3中沾污物的Ca和Na质量分数最低[6]。