秸秆与神府烟煤掺烧结渣特性中试研究

聂 立 ，张佳凯，胡世豪，岑可法，周 昊

(1.浙江大学能源工程学院能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都 611731)

煤炭是电厂蒸汽发生的主要化石燃料，煤炭的大量使用导致了温室气体和酸性气体的排放[1-4].开发利用可再生能源是解决这一问题的方案之一.我国生物质储量丰富，生物质与煤的掺烧能提高锅炉的经济效益和环保效益，但是生物质中含有的碱性氧化物和盐类会加剧锅炉受热面的结渣[5-6].

国内外学者对生物质与煤的掺烧展开了大量的研究，Fang 等[7]研究了生物质灰熔融特性和结渣倾向的关系，发现随着玉米秸秆的掺烧比例的增加，掺混灰熔点先下降后升高.Priyanto 等[8]在木屑与生物质掺烧的研究中发现，木屑中灰分含量对掺烧的沉积结果影响较大，高灰分木屑增加了掺烧灰中钙质矿物质的含量，降低了掺烧灰熔点，促进结渣.Wigley 等[9]研究了5 种生物质的掺烧沉积情况，结果表明，当掺烧生物质的比例较高时，沉积率和烧结率变化较大.Abreu 等[10]研究了10%和50%比例木屑和橄榄核分别与烟煤掺烧的沉积问题，实验结果表明，橄榄核对掺烧结渣率和黏附性影响较大，松木屑掺烧沉积率较低.然而这些研究通常是通过对掺烧产物的分析，推测掺烧生物质对结渣的影响，很少有在线监测灰渣的生长过程的研究.此外，水稻秸秆和小麦秸秆与烟煤的掺烧中试实验也相对较少.

本文利用自主研发的在线监测技术，在50 kW下行炉上进行了水稻秸秆、小麦秸秆与烟煤的掺烧实验，全程监测灰渣的生长和热量传递情况.实验结束后对灰渣初始层进行了能量色散X 射线光谱分析(EDX)以及化学平衡计算，对比多种结渣指数，分析了掺烧对烟煤结渣的影响，为实际生产提供指导.

1 实验设置

1.1 实验装置介绍

实验在一台50 kW 中试下行炉中完成，如图1所示，炉膛高6 500 mm，内径250 mm，由炉膛本体，燃烧系统(包括燃烧器、给料机、送风机、点火系统)，烟气处理系统，监测系统(温度监测、CCD 相机、积灰探针、烟气分析仪)组成.燃烧器向下组织燃烧，在烟道尾部装有引风机，烟气由上至下离开炉膛.图2为灰沉积探针和CCD 相机示意，CCD 相机和灰沉积探针相对布置在第4 节炉膛，探针外装有冷却套管，探针表面的温度由循环冷却油控制，探针的灰渣沉积部位长76 mm，外径40 mm.在探针的内外表面装有K 型热电偶，用于测量探针内外侧温度，从而计算流经探针的热流密度.CCD 相机系统主要由光杆、水冷套管以及CCD 相机组成，压缩空气从光杆尾部吹入，防止积灰遮挡镜头，确保拍摄图像清晰.

图1 50 kW下行炉实物图与结构Fig.1 Photo of 50 kW down-fired furnace and its stucture

图2 在线监测系统(单位：mm)Fig.2 Online monitoring system(unit：mm)

1.2 燃料分析及工况设置

实验中使用的烟煤、水稻秸秆以及小麦秸秆的燃料特性如表1 所示.实验前对燃料进行破碎，得到的烟煤、水稻秸秆和小麦秸秆的平均粒径根据电厂掺烧经验分别选择为31.88 μm、79.69 μm、457.62 μm，燃料粒径根据电厂掺烧经验选择.由表1 可知，生物质燃料的挥发分含量远大于烟煤，而固定碳含量则相对较少，所以烟煤的发热量远高于生物质燃料.对比燃料的灰成分可以发现，水稻秸秆和小麦秸秆灰分中的K 元素远大于烟煤，而Al、Fe 元素远小于烟煤，碱金属元素的增加和硅铝元素的减少使得生物质灰熔点较低，表1 中灰熔点温度(烟煤＞水稻秸秆＞小麦秸秆)也印证了这一点.

实验工况如表2 所示，实验设置6 组对比工况，分别为工况1(纯烟煤)、工况2(烟煤＋6.7%水稻秸秆)、工况3(烟煤＋15%水稻秸秆)、工况4(烟煤＋22%水稻秸秆)、工况5(烟煤＋15%小麦秸秆)、工况6(烟煤＋22%小麦秸秆).

表1 烟煤、水稻秸秆、小麦秸秆燃料特性分析Tab.1 Analysis of fuel characteristics of bituminous coal，rice straw and wheat straw

表2 试验工况Tab.2 Working conditions of test

2 测量分析方法

实验中，由CCD 相机全程记录灰渣的生长过程，见图3.获得的灰渣图像经过MATLAB 软件处理得到灰渣和探针边缘，从而得到探针半径所占的像素个数Pr，灰渣最高点到探针圆心距离所占的像素个数Ph，在已知探针实际半径R 的前提下，通过公式(1)计算得到某一时间灰渣的最大厚度[11].

如图2(b)所示探针沉积区域的热电偶分别用于测量探针内外侧的温度，通过圆柱导热方程计算得到某一时刻在竖直方向上通过灰渣的热流密度.由于灰渣生长速度缓慢，探针上的传热可以近似为稳态过程，因此通过探针的热流密度可表示为

式中：q 表示在竖直方向上(图2(b)的－y 方向)通过灰渣的热流密度；R1、R2分别表示外侧、内侧热电偶到探针圆心的距离，分别为19 mm、15 mm；t1、t2分别表示探针外侧、内侧的温度；R 为探针半径20 mm；λ为探针的导热系数.

实验后利用EDX 分析了灰渣初始层，得到灰渣初始层的元素组成.并结合化学平衡法，利用FactSage 软件，计算各工况灰分在炉膛温度1 200 ℃时的熔融相比例，对实验结果进行补充和解释，探究生物质掺烧对灰沉积的影响.

图3 灰渣厚度计算Fig.3 Calculation of slag thickness

3 结果分析

3.1 灰渣生长特性

图4 为烟煤与不同比例的水稻秸秆掺烧时的灰渣生长曲线，由图可知，灰渣生长厚度随时间增加而增长，并呈三段分布：缓慢生长阶段(Ⅰ～Ⅱ)，快速生长阶段(Ⅱ～Ⅲ)，稳定阶段(Ⅲ～Ⅳ).定义稳定阶段沉积物的平均厚度为灰渣稳定厚度.当水稻掺烧比例为0%、6.7%、15%、22%时，灰渣的稳定厚度分别为1.37 mm、2.09 mm、5.66 mm 和4.53 mm.结果表明，烟煤中掺烧水稻秸秆会促进灰渣的生长，但随着掺烧比例的增加，灰渣稳定厚度先增加后减小，并在掺烧比例为15%时达到最大.图5 为烟煤与不同比例小麦秸秆掺烧时的灰渣生长曲线，当掺烧比例为0、15%、22%时，灰渣的稳定厚度分别为1.37 mm，4.91 mm，7.24 mm.与水稻秸秆相同，掺烧小麦秸秆同样会加剧烟煤的结渣，但小麦秸秆对结渣倾向的影响与掺烧比例呈正相关.这可能是由于小麦秸秆比例的增加导致混合灰中碱金属含量增加，碱金属与SiO2反应生成了低熔点共晶体[12].

定义某一时刻通过探针的热流密度与初始时刻探针热流密度的比值为相对热流密度，用于描述灰渣生长对传热的影响.图6 为烟煤与不同比例的水稻秸秆掺烧时相对热流密度的变化曲线.由图可知，在灰渣生长的初始阶段，相对热流密度快速下降，而灰渣厚度生长却较为缓慢.这是由于灰渣初始层结构紧密，热导率低，导致热流密度迅速下降，严重影响传热[13].随着水稻秸秆掺烧比例的增加，稳定的热流密度先减小后增大，在掺烧比例为15%时达到最小，与灰渣生长曲线相对应.这说明灰渣的厚度是影响传热的最主要因素.4 种比例最终稳定的相对热流密度(掺烧比例)分别为0.44(0)，0.35(6.7%)，0.26(15%)，0.28(22%).图7 为烟煤与不同比例的小麦秸秆掺烧时相对热流密度的变化曲线，不同掺烧比例下相对热流密度的变化趋势相同，曲线可分为三个阶段：快速下降阶段，缓慢下降阶段和稳定阶段，这与Miki 等的研究结果相符[14].随着小麦秸秆掺烧比例的增加，稳定相对热流密度减小，纯烟煤的稳定相对热流为0.44，分别降低到掺烧比例为15%时的0.29以及22%时的0.21.

图4 烟煤与水稻秸秆掺混条件下的灰渣生长曲线Fig.4 Slag growth curves of bituminous coal with rice straw

图5 烟煤与小麦秸秆掺混条件下的灰渣生长曲线Fig.5 Slag growth curves of bituminous coal with wheat straw

图6 烟煤与不同比例的水稻秸秆掺混条件下的相对热流密度变化曲线Fig.6 Relative heat flux density curves of bituminous coal with different proportions of rice straw

图7 烟煤与不同比例的小麦秸秆掺混条件下的相对热流密度变化曲线Fig.7 Relative heat flux density curves of bituminous coal with different proportions of wheat straw

3.2 EDX分析

灰渣初始层对传热的恶化影响较大，为探究其原因，实验结束后，将探针上的灰渣取样收集，利用EDX 方法分析灰渣初始层的元素分布，如表3 所示.灰渣初始层主要由Al、Si、Ca、Fe 4 种元素组成，比例占80%以上.无论是掺烧水稻秸秆还是掺烧小麦秸秆，都会引起灰渣初始层中K 元素、Na 元素和S 元素的增加以及Fe 元素的减少.碱金属元素通常以易挥发盐的形式存在于煤灰中，在燃烧过程中受热蒸发进入烟气，当烟气经过温度较低的探针时，一部分碱金属会沉积在探针表面，形成结构紧密、热阻大的初始层.因此在灰沉积初始阶段灰渣厚度增长缓慢而热流密度快速下降.另一部分碱金属黏附在飞灰颗粒表面，并与灰中的SO2以及SO3反应生成黏性碱金属硫酸盐，在灰颗粒表面形成黏性表层，增加其黏附概率，加剧了混合灰沉积，碱金属硫酸盐会进一步与其他金属氧化物反应生成低温共晶体[15].

表3 灰渣初始层中的元素分布Tab.3 Elemental composition in the initial layer of slag %

3.3 化学平衡计算

由表4 可知，掺烧水稻会显著增加灰中Na2O、K2O、MgO 的含量，而Al2O3、Fe2O3含量略有降低.根据表4 中各工况灰成分组成，利用FactSage 软件，计算得到1 200 ℃下各工况灰熔融相比例，如图8所示.在相同温度下，掺烧水稻秸秆和小麦秸秆能使得灰的熔融相比例增加，且熔融相比例随着掺烧比例的增大而增大.这是由于碱金属能与SiO2、Al2O3等氧化物反应生成熔点低的共晶体，导致灰熔点降低.研究表明，灰渣中碱金属氧化物的含量增加1%，灰渣软化温度(ST)降低17.7 ℃，熔融温度(FT)降低15.6 ℃[16].与掺烧水稻秸秆相比，掺烧相同比例的小麦秸秆时，灰熔融相比例增加不明显，说明水稻秸秆能更大程度地降低掺烧灰的熔点.

表4 各个工况下的灰成分Tab.4 Composition of ash under different working conditions %

图8 各工况灰熔融相比例Fig.8 Molten phase fraction of ash under different working conditions

3.4 结渣指数分析

为了更直观地了解掺烧灰的结渣倾向与灰成分的关系，选取表5 中的4 种结渣指数，得到各自判别准则下的结渣预测结果，并与实际结果对比，如表6所示.利用硅比预测时，所有工况都处于轻微结渣范围，不能有效表现掺烧秸秆对结渣的影响；利用硅铝比判别时，所有工况都属于中等结渣倾向，这显然都与实际情况不符合.碱酸比的判定结果为：工况1 和工况2 两个工况的结渣程度为轻微，其余工况都为中等，结合实验结果可以看出，工况1 的稳定灰渣厚度为1.37 mm，工况2 的稳定灰渣厚度为2.09 mm，其余工况的稳定灰渣厚度均大于4 mm，这说明利用碱酸比判定结渣程度，其结果与实际情况吻合较好；利用铁钙比判定的结果与实际相差较大，甚至与实际的沉积趋势相矛盾，因此不能作为判定依据.

表5 结渣指数判别界限[17]Tab.5 Range of slag index for judgment

表6 结渣指数预判结果Tab.6 Prediction results based on slag indexes

4 结论

(1) 掺烧水稻秸秆和小麦秸秆都能促进烟煤的结渣，随着水稻秸秆掺烧比例的增加，最终稳定的灰渣厚度先增大后减小，稳定相对热流密度先减小后增大，在掺烧比例为 15%时，达到最大稳定厚度5.66mm 和最小稳定相对热流密度0.26.小麦秸秆对结渣倾向的恶化程度与其掺烧比例呈正相关.灰渣初始层的厚度相对较小，但对传热影响显著；影响传热的最主要因素是灰渣厚度.

(2) 无论是掺烧水稻秸秆还是小麦秸秆，都会引起灰渣初始层中K 元素、Na 元素和S 元素的增加以及Fe 元素的减少，碱金属含量的增加提高了灰颗粒的黏附概率.

(3) 随着水稻秸秆和小麦秸秆掺混比例的增加，在相同温度下，掺烧灰的熔融相比例增加.

(4) 相比于硅比、硅铝比、铁钙比，碱酸比在预测水稻秸秆、小麦秸秆与神府烟煤掺烧结渣倾向中有较好的适用性.