過量空氣系數對準東煤結渣特性的影響

吳江全，孟建強，嚴泰森，吳士強，孫紹增，秦 明，趙義軍

(1.哈爾濱工業大學 燃煤污染物減排國家工程實驗室，150001哈爾濱;2.中國船舶重工集團公司，201108上海;3.廣東省特種設備檢測研究院順德檢測院，528300廣東順德)

為安全利用準東煤［1-2］，許多學者對準東煤的特性進行了相關研究.Zhu等［3］研究了準東煤熱解焦的化學結構特征.王學斌等［4］研究了燃用準東煤鍋爐中灰的沉積機理.郭烈錦等［5］研究了準東煤超臨界水氣化動力學特征.Wang等［6］，Zhang等［7］研究了準東煤燃燒過程中鈉的釋放和形態轉化.周浩等［8］研究了富氧燃燒條件下溫度對準東煤灰燒結特性的影響.楊忠燦等［9］結合燃燒試驗臺中準東煤的著火、燃盡、結渣等特性，提出準東煤摻混燃燒及鍋爐選型的條件.趙慶慶等［10］對 4種典型的準東煤樣添加 CaO、Al2O3、SiO2，利用SiO2-CaO-Al2O3三元系統相圖分析了準東煤結渣傾向.周永剛等［11］采用沉降爐研究了不同溫度下準東煤的結渣特性.

目前大容量電站煤粉鍋爐多采用空氣分級燃燒［12］，而空氣分級燃燒過程中爐內的主燃區處于低過量空氣系數，為還原氣氛，易出現煤粉結渣.關于空氣分級對準東煤結渣特性的影響規律鮮有報道.

本文采用多反應控制段攜帶流反應器EFRM(Entrained Flow Reactor with Multiple Reaction Segment)實驗臺，布置多個空氣對沖噴口，模擬真實鍋爐中的空氣分級燃燒情況，研究在不同過量空氣系數條件下，準東煤的高溫熔融特性，并采用XRD(X-ray diffraction)與SEM-EDX(Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析灰渣在高溫條件下的熔融特性與微觀形貌.為改善燃用準東煤的鍋爐空氣分級條件下結渣情況提供理論依據.

1 實驗

1.1 實驗煤樣及特性

本實驗研究煤種為新疆準東煤，平均粒徑為75μm.表1為準東煤的煤種特性，由表1可知，準東煤灰中二氧化硅和氧化鋁含量較一般煤種低，鈉含量明顯高于一般煤種，且氧化鐵和氧化鈣含量較高.在還原性氣氛下，實測煤灰熔點為1 200℃，軟化溫度為1 215℃，半球溫度為1 220℃，流動溫度為1 226℃.

表1 準東煤煤種特性%

1.2EFRM實驗系統

實驗臺采用多反應控制段攜帶流反應器EFRM，其結構如圖1.EFRM由爐體、控溫系統、給粉系統、配氣系統，采樣分析系統和相應的監控系統等組成.爐膛內徑為175 mm，總長3 100 mm，爐膛加熱區長2 700 mm，采用硅鉬棒分7段加熱，最高加熱溫度為1 650℃，最大功率為69 kW.實驗系統詳細介紹見文獻［13］.本文選定爐膛溫度不變，考察主燃區過量空氣系數對準東煤結渣特性的影響.根據準東煤灰熔點，實驗中爐膛溫度選取1 250 ℃.主燃區過量空氣系數控制在 0.7、0.8、0.9、1.0，燃盡區過量空氣系數選取 1.2 保持不變，主燃區停留時間 1.0 s，燃盡區停留時間 1.5 s.為對比研究空氣分級燃燒的效果，實驗中設置原始工況(空氣不分級)過量空氣系數為1.2，總停留時間2.5 s.取渣位置在空氣分級燃燒條件下選取主燃區停留時間0.9 s處，原始工況選取停留時間2.5 s處.

圖1 EFRM整體示意

實驗時，當爐內溫度、氣氛環境(保證尾部含氧量在體積分數為3.55%左右)達到設定工況參數并且能夠穩定運行的條件下，將結渣棒(硅碳棒)從爐底沿軸向垂直插入攜帶流反應器爐膛中，這樣能夠使結渣棒的取樣面與煙氣方向垂直，避免由于自然堆積作用對灰樣的取樣造成影響.采用SEM-EDX和XRD分別對灰渣表面微觀形貌、孔隙結構和灰渣中礦物質在高溫條件下的熔融特性進行分析.SEM-EDX采用德國蔡司公司Zeiss EVO08型掃描電鏡，X射線能譜儀與掃描電鏡聯用，型號Oxford INCA，分辨率129 eV，試樣噴鍍儀采用J型離子濺射儀.XRD分析采用日本理學(Rigaku)公司的D/max 2200全自動X射線衍射儀，采用階梯掃描方式，Cu Kα衍射，功率12 kW，操作電壓40 kV，操作電流30 mA，掃描速率4(°)/min，掃面角度 2θ為 10°～80°.

2 結果及分析

2.1 燃盡率分析

采用等速取樣的方法在EFRM實驗臺上對各工況尾部點(煤粉停留時間為2.5 s處)位置進行取灰，由于準東煤灰分較低，為了滿足分析所需灰量，每個取灰工況穩定運行40 min后進行取灰.對所取灰樣干燥后利用馬弗爐在815℃條件下燒灰、稱重，計算燃盡率:

式中:A0為原煤中干燥基灰分(質量分數);A為所取灰樣中干燥基所含灰分(質量分數)，結果如表2.

表2 燃盡率分析匯總

由表2可知，所有工況的燃盡率均能達到99%以上.空氣分級燃燒條件下，過量空氣系數α為0.9與1.0時燃盡率變化幅度很小，主燃區過量空氣系數從0.7到1.0之間燃盡率總體趨勢降低，降幅為0.3%.

2.2 結渣特性實驗結果

首先對所有工況中結渣棒上取得的渣樣進行宏觀形貌特性分析，比較其隨主燃區過量空氣系數的變化規律.取得的渣樣如圖2(a)～(e)所示.

圖2 各工況下渣樣宏觀形貌

原始工況α=1.2時，總停留時間2.5 s處結渣情況如圖2(a)所示，灰渣顏色變黑，質地變硬，灰渣完全熔融粘聚在一起的量增多，上面分布的孔隙變大.過量空氣系數α=0.7時，如圖2(b)所示，灰渣完全融化成致密的釉質，全部呈現熔融狀態，結渣顏色呈黑色發亮，十分堅硬，表面光滑，有明顯灰渣流動后凝固的痕跡，為實心體，無孔隙分布.過量空氣系數α=0.8時，如圖2(c)所示，與α=0.7時相比完全熔融狀態的堅硬灰渣量減少，熔融狀態的灰渣仍然呈黑色，外部渣層較硬，渣層內部為空心，結渣棒內部出現未完全融化的灰渣，上面分布一些尺寸較小的孔隙.過量空氣系數α=0.9時，如圖2(d)所示，只能看到少量顏色發黑完全熔融狀態的灰渣，其余均為質地較致密顏色較淺未完全融化的渣質，灰渣粘聚在一起，結渣棒上灰渣較厚，在灰渣的內部分布著不均勻的氣泡孔隙.過量空氣系數α=1.0時，如圖2(e)所示，只收集到一層非常薄而致密的渣層，其間分布著一些氣泡孔隙，孔隙變大變多，出現極少量完全融化狀態的灰渣，并且有少部分灰渣顏色變為黑色，大部分為白色.可見，隨著主燃區過量空氣系數的增大，準東煤在主燃區還原性氣氛中的結渣特性有所緩解，顏色逐漸變淺，灰渣量逐漸變少.

為了進一步研究煤中礦物質高溫條件下的熔融特性，利用SEM-EDX分析灰渣表面微觀形貌和孔隙結構［14］.各工況取得渣樣的SEM-EDX分析如圖3～7所示，選取掃描電鏡圖片的放大倍數為1 000倍.

原始工況條件下的SEM-EDX分析如圖3所示，灰渣已經完全熔融燒結，微觀形貌為形狀不規則的致密表面，沒有完全形成平面，表面沒有縫隙，能夠觀察到灰渣熔融過程中形成的條紋狀晶體結構，灰渣樣品表面分布一些大小為2～20μm的孔狀結構及凹坑，并粘附有一些尺寸很小的細小顆粒，大部分＜2μm.

主燃區過量空氣系數α=0.7條件下的SEMEDX分析如圖4所示，灰渣熔融燒結程度非常嚴重，微觀形貌樣品表面完全熔融為致密的平面，非常光滑，玻璃化程度高，表面分布有一些尺寸較小凹坑以及＜1μm的孔狀結構，表面粘附顆粒尺寸非常小，放大倍數為5 000倍時才可以看到，并且在該放大倍數條件下表面仍然為致密平面.

圖3 原始工況條件下的SEM-EDX分析

圖4 α=0.7條件下的SEM-EDX分析

主燃區過量空氣系數α=0.8條件下的SEMEDX分析如圖5所示，灰渣微觀形貌表面開始出現一些不規則形狀，不再完全都是平面，但是其中絕大部分仍然是燒結程度嚴重的致密平面，且表面分布的孔隙變大變多，粘附小顆粒尺寸變大，放大倍數為5 000倍時可以看出灰渣形成過程中析出的晶體結構.

圖5 α=0.8條件下的SEM-EDX分析

主燃區過量空氣系數α=0.9條件下的SEMEDX分析如圖6所示，灰渣微觀形貌表面變得更加不規則，但是仍然很致密，燒結程度嚴重，孔隙分布進一步變大變多，粘附小顆粒增多，散落于渣樣表面上，放大倍數為5000倍時同樣可以觀察到灰渣形成過程中的不規則流動痕跡以及析出的晶體結構，而不是形狀非常規則的平面.

圖6 α=0.9條件下的SEM-EDX分析

主燃區過量空氣系數α=1.0條件下的SEMEDX分析如圖7所示，灰渣微觀形貌表面絕大部分仍然是燒結程度嚴重的致密層，但是出現層狀堆積結構，為大量小顆粒堆積在一起形成的大塊顆粒，放大倍數為5 000倍時能夠觀察到一些灰渣形成過程中表面所產生的絮狀結構.

圖7 α=1.0條件下的SEM-EDX分析

上述SEM分析表明，當采用空氣分級燃燒時，在主燃區過量空氣數小于1區域處結渣程度較高，隨著過量空氣系數的增大燒結程度逐漸減輕，灰渣中未粘附在一起的小顆粒逐漸增多，孔隙逐漸增大增多，表現為結渣特性逐漸減輕.所有工況的灰粒絕大部分粘附形成大塊燒結體，均已形成結渣.

EDX分析均表明，灰渣中Si、Fe與Na富集明顯，Al含量較低.一般情況下，Al含量越高煤灰熔點越高，Al本身熔點較高，在灰渣中能夠起到“骨架”的作用，因此，Al含量較低使得結渣特性嚴重.Fe和Si在一些區域同時出現富集，說明準東煤灰渣中的含鐵礦物質主要是以硅酸鹽形式存在的.

煤粉燃燒時的結渣過程與煤中礦物質的熔融變化過程息息相關，燃燒過程中的礦物質變化極其復雜，對不同工況下取得的灰渣急冷干燥處理后進行XRD分析，以研究準東煤灰渣中礦物質在高溫條件下的熔融特性.各過量空氣系數條件下XRD衍射圖譜如圖8(a)～(e)所示.

圖8 各過量空氣系數條件下準東煤灰渣XRD衍射圖譜

在高溫、弱還原性氣氛條件下，煤灰中的Fe2O3會發生下列反應［15］:

上述反應式表明，在高溫、弱還原性氣氛條件下，煤灰中的 Fe2O3會反應生成鐵橄欖石(2FeO·SiO2)、鐵鋁榴石(3FeO·Al2O3·3SiO2)、鐵尖晶石(FeO·Al2O3)以及斜鐵輝石(FeO·SiO2).這幾種晶相礦物質中有的熔點本身很低，而且鐵的硅鋁酸鹽所組成的低溫共熔區內有一個熔點很低的低溫共熔點，其熔點為1 083℃;同時它們還能與莫來石、鈣長石等熔點很高的礦物質發生反應形成低溫共熔體，從而加重結渣.從衍射圖譜中可以看出，隨著氣氛的不同，逐漸出現鐵的硅鋁酸鹽，促使結渣加重，表現為隨著主燃區過量空氣系數的減小，準東煤結渣特性加重;與圖8(b)相比，圖8(c)和圖8(d)中6-鈣鐵榴石與13-鐵橄欖石的相對含量明顯增加，說明當過量空氣系數為0.7時，灰渣中組分種類已經顯著減少，表明鐵的硅鋁酸鹽已經部分形成低溫共熔體，表現為結渣嚴重.因此，氣氛不同時，準東煤表現出來的結渣特性不同，主要是由于不同氣氛中Fe2O3的反應不同所致.

3 結論

1)在多反應控制段攜帶流反應器中模擬真實鍋爐的空氣分級燃燒結果表明，準東煤在1 250℃時具有很好的燃盡效果，過量空氣系數為0.7～1.0時燃盡率均達到99%以上，改變過量空氣系數對燃盡效果影響不明顯.

2)隨著主燃區過量空氣系數的增大，從宏觀形貌角度，準東煤在主燃區還原性氣氛中的結渣有所緩解，灰渣量逐漸變少;從微觀形貌角度，灰渣中小顆粒逐漸增多，孔隙逐漸增大，表現為結渣逐漸減輕，所有工況中灰粒均粘附形成大塊燒結體.

3)XRD分析結果表明，氣氛不同時，準東煤表現出來的結渣特性不同，主要是由于不同氣氛中Fe2O3的反應不同所致.在實際應用中，為避免嚴重結渣，應該使主燃區過量空氣系數大于0.7.同時可以通過摻配含鐵量較低的煤來減輕準東煤的結渣.

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