準東高鈉煤沾污、結渣、腐蝕問題研究

雍曉艱，周梓欣

（1.新疆維吾爾自治區煤炭綜合勘查院，新疆烏魯木齊830091；2.新疆煤田地質局煤層氣研究開發中心，新疆烏魯木齊830091）

根據準東煤田各礦區總體規劃確定的煤炭轉化利用方向，2014年6月～2015年12月，作者作為項目負責人之一完成了新疆中央返還兩權價款資金《新疆煤炭資源分質利用技術研究》項目，針對準東煤田煤炭資源的煤質特性，尤其是煤中鈉的賦存狀態及煤灰特性開展研究，選取代表性樣品進行提質、熱解、氣化等轉化試驗研究，提出新疆準東煤田主要煤層的煤質特征，分析煤炭轉化應用中可能存在的問題并提出相應對策，為新疆準東煤田煤炭資源的潔凈、高效利用提供地質依據。

1 概況

新疆準東煤田位于準格爾盆地的東部，北界山體為北西走向的克拉麥里山，南界山脈為東西向的東天山的博格達山，二者在木壘縣城東北部胡喬克處交匯，西界由克拉麥里山西端的滴水泉沿216國道向南至吉木薩爾城西三臺鎮，與準噶爾盆地中心相接；整體呈東窄西寬的三角形。行政區劃大部屬昌吉州吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘縣管轄。西北角屬阿勒泰地區富蘊縣管轄。東西長約226km，南北西邊界處最寬處為126km，面積約7596km2。含煤地層為侏羅系中統西山窯組、下統八道灣組。煤類為31號不粘煤，41號長焰煤。總資源量約2215×108t。煤田自西向東劃分為五彩灣、大井、將軍廟、西黑山和老君廟5個礦區。

2 燃用準東煤存在的主要問題

目前燃用準東煤的電廠較多，主要分布在準東地區和烏魯木齊地區，在疆外的甘肅和四川地區也有應用。從燃用準東高鈉煤的多家300MW等級電站鍋爐運行情況來看，準東煤燃燒發電利用存在的主要問題有：

（1）不同類型、不同容量鍋爐燃用準東煤均出現結渣、沾污問題。無論是按新疆具有結渣傾向性的煙煤設計的煤粉鍋爐，還是按現有技術標準以準東煤為設計煤種制造的煤粉鍋爐，甚至按準東煤設計的、燃燒溫度更低的、防結渣性能較好的循環流化床鍋爐均無法以準東煤為單一煤種，必須采用摻燒的方法才能安全燃用。目前煤粉鍋爐摻燒準東煤比例一般低于50%，流化床鍋爐摻燒比例一般低于70%。已經投運的五彩灣350MW超臨界項目鍋爐（東方鍋爐廠制造）可做到額定負荷時摻燒75%準東煤沾污結渣可控。

（2）爐膛至空氣預熱器區域的所有受熱面均可能發生積灰、結渣和沾污。實際運行情況表明，當燃用準東煤比例過高時，鍋爐的爐膛水冷壁、屏區結渣（煤粉爐）以及對流受熱面均出現沾污積灰（所有類型鍋爐）等現象，吹灰器無法清除，除渣系統運行困難、影響蒸汽溫度、堵塞煙道，嚴重時被迫停爐清渣清灰。

（3）在爐膛、高溫對流受熱面等區域出現高溫腐蝕現象。部分電廠在大量燃用準東煤時出現水冷壁、過熱器、再熱器受熱面腐蝕，導致管壁減薄和爆管。

3 高鈉煤結渣、腐蝕、沾污

在燃燒和熱解過程中鈉在相對較低溫度下均有不同程度的逸出。對早中侏羅世的神東煤和義馬煤熱解試驗表明，在400℃～700℃范圍內煤中的鈉隨熱解溫度升高揮發性增加；對澳大利亞高鈉煤的熱解試驗也表明，鈉在500℃～550℃時釋放速率出現最大值。對準東煤不同溫度下的灰化試驗表明鈉在燃燒過程中會不斷逸出，500℃～600℃主要生成NaCl，700℃時形成NaAlSi3O8，溫度更高時主要生成NaAlSiO4。

煤粉中灰分（礦物質）燃燒后形成液態灰渣粘附在爐膛的受熱面上，逐步沉積成塊狀，形成結渣，影響鍋爐出力；而氣態灰分（礦物質）在較冷的水冷壁、過熱器或再熱器管面上凝結，并與飛灰結合在一起沉積于管子上，對受熱面造成沾污。結渣沾污產物與鍋爐管壁發生反應，腐蝕管壁，導致管壁減薄和爆管。

3.1 結渣的作用機理

按照對結渣的作用機理不同可將結渣分為高溫粘結灰、低溫粘結灰。鍋爐受熱面表面形成一層處于熔化或者軟化的粘性灰層（粘結性是由化學反應產物產生），靠這層粘性灰的捕捉作用積聚飛灰粒子，被捕捉到的飛灰在化學作用下形成緊密的灰層，即形成高溫粘結灰。堿金屬高溫粘結灰的形成機理為：

（1）灰分（礦物質）中的堿金屬氧化物在燃燒時升華，靠擴散作用到達并冷凝在管壁上；

（2）煙氣中部分SO2會氧化為SO3，冷凝在管壁上的堿金屬氧化物與煙氣中SO3反應形成硫酸鹽；

（3）硫酸鹽與飛灰中的Fe2O3及煙氣中的SO3反應，形成復合硫酸鹽Na2Fe(SO4)3、K3Fe(SO4)3；硫酸鹽與飛灰中的氧化鋁形成Na3(AlSO4)3、K3(AlSO4)3；這些產物在500℃～800℃范圍內呈熔融狀，具有粘性；

（4）以這層為粘結劑，捕集飛灰粒子，繼續形成粘結物，結渣層迅速增長。

低溫粘結灰形成于鍋爐的低溫受熱面，受熱面的壁溫低于或稍高于煙氣露點（50℃～180℃）。低溫粘結灰的形成機理為：

①硫酸蒸汽在低溫受熱面上冷凝，捕捉飛灰粒子，飛灰粒子中的CaO與硫酸反應形成硫酸鈣；

②硫酸鈣具有粘性，可以繼續捕捉飛灰，形成水泥狀、致密的灰渣，這個過程也被稱為積灰水泥化。灰的沉積物中大部分是可溶性的鋁、鈣和鐵的硫酸鹽。

一般煙氣的酸露點越高，積灰越嚴重。在粘結反應中，少量的堿金屬硫酸鹽也起一定的作用，但不是主要作用。

3.2 腐蝕的作用機理

依據發生腐蝕區煙溫高低劃分發生在水冷壁煙氣側和過熱器、再熱器管外壁的高溫腐蝕以及發生在空氣預熱器冷端的低溫腐蝕。

高溫腐蝕是由高溫粘結灰引起。高溫粘結灰中有復合硫酸鹽X3Fe（SO4）3，（X為Na或者K）；溫度高于550℃，復合硫酸鹽呈熔液狀態；溫度高于710℃，復合硫酸鹽發生分解，釋放SO2，形成正硫酸鹽。液態的復合硫酸鹽對金屬有強烈的腐蝕作用，尤其是在650℃～750℃溫度范圍內腐蝕速度很快。

低溫腐蝕主要有化學腐蝕（硫酸作用于金屬）和電化學腐蝕（水蒸氣冷凝后與金屬作用），是硫酸作用產物。腐蝕均發生在溫度低于酸露點的壁面上，腐蝕產物主要是低價鐵的硫酸鹽（FeSO4）和鐵的氧化物Fe2O3和Fe3O4等。

3.3 沾污的作用機理

對于粉煤鍋爐來講，由于煤在爐壁與過熱器上的積灰與沾污，造成非計劃的停工次數日漸頻繁。人們經過大量試驗發現煤灰中的堿金屬氧化物（尤其是Na2O）是引起沾污的元兇，并據此提出了評定煤灰沾污性的指標，稱為沾污性指數（Fouling Index）以Rf表示。研究表明鈉、鈣對鍋爐沾污的影響往往與煤中氯含量有關，氯含量越高，沾污越嚴重。

3.4 準東煤的結渣、沾污傾向性

目前結渣性的判別主要是根據煤灰熔融性溫度、煤灰成分以及煤灰粘度劃分結渣傾向性；沾污性的判別主要是以鈉含量為判別指標以及以煤灰、飛灰的燒結強度作為判別指標。準東煤中鈉含量高是結渣沾污性嚴重的主要原因，鈉在500℃～800℃下釋放，以氣態形成凝結在較冷的水冷壁、過熱器或再熱器管面上，并與飛灰結合在一起沉積于管子上，對受熱面造成沾污；此外鈉蒸汽與其他物質發生反應，形成熔融的高溫粘結灰，沉積在鍋爐的高溫受熱面上，形成結渣，并可與管壁反應造成腐蝕。

4 掛渣試驗研究

4.1 試驗過程

依據DL/T 1106-2009《煤粉燃燒結渣特性和燃盡率一維火焰爐測試方法》搭建試驗裝置，將碳化硅棒從爐底取樣槍孔垂直插入一維沉降爐的爐膛不同位置，并使其頂端置于起初根據煤粉停留時間計算好的位置處，研究爐膛不同位置的結渣沾污情況。工況穩定運行2h后迅速取出結渣棒，用水將取得的灰渣進行迅速冷卻，以保持灰渣中物相的穩定性，之后對灰渣進行干燥處理，用瑪瑙研缽研磨到一定細度后，利用掃描電鏡對渣樣表面微觀形貌進行分析。

4.2 結果與分析

水冷壁管壁渣：通過選取代表性樣品進行實驗，水冷壁管壁結渣典型形貌，從掃描電鏡下圖像來看，樣品形貌特征多樣，大小、形態各異；以Al和O為主的物質多以圓柱體形狀出現；物質成分均以Ca、Si、Al、O為主，并含有少量的碳元素，其他元素的含量較低；鈉元素含量均相對較低。

過熱器管壁渣：通過選取代表性樣品進行實驗，過熱器管壁渣典型形貌，結渣物質形態主要有2種：灰色基質及不規則的白色顆粒。2種物質成分復雜，白色顆粒相對富集Ca、S、Fe、Na等元素，而灰色基質中Si和Al含量更多。鈉在樣品各個位置均有分布，局部略有富集，未發現明顯規律，說明鈉是以蒸汽冷凝后比較均勻的分布在樣品各個位置中。

再過熱器管壁渣：通過選取代表性樣品進行實驗，再過熱器管壁渣典型形貌，樣品多為球形或者近球形顆粒，僅部分樣品呈基質狀，物質成分均以Si、Al、O為主；物質成分與形貌間并無明細規律，樣品中鈉含量相對較低。

粘結灰：通過對代表性樣品進行實驗，粘結灰以熔融顆粒狀為主，形貌變化較大；無論是S、Ca樣品，Si、Al基樣品，Ca、Fe基樣品，Fe、Mg樣品，鈉含量均較高，并未明顯的富集規律。

灰渣：通過對代表性樣品進行實驗，灰渣樣品以顆粒狀物質為主，也見熔融狀顆粒，顆粒尺寸變化較大；物質成分以硅鋁質為主，含有少量的Ca和S，樣品中鈉含量相對較低。

飛灰中含鈉顆粒分析：通過對代表性樣品進行實驗，飛灰中含鈉顆粒以大小不等的球形及近球形顆粒為主，并含有少量的熔融狀顆粒；物質成分以Si、Al、Ca和S為主，鈉含量相對較低。

5 結論

本文提出了燃用準東煤時，鍋爐均出現結渣、沾污問題，爐膛至空氣預熱器區域的所有受熱面均可能發生積灰、結渣和沾污，在爐膛、高溫對流受熱面等區域出現高溫腐蝕現象等問題；介紹了結渣作用機理、腐蝕的作用機理、沾污的作用機理；分析了準東煤的結渣、沾污傾向性；最后通過對代表性樣品進行分類掛渣試驗研究，更進一步證實了準東煤中鈉的富集特征，為更好、潔凈、高效利用準東煤提供了技術支撐。

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