添加劑對準東煤結渣和沾污特性影響的研究

何 翔， 施鴻飛， 周文臺， 馬達夫， 金 晶

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093； 2.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

近年來，針對新疆五彩灣地區現役機組鍋爐燃用準東煤時沾污結渣嚴重的現狀，學術界開展了大量研究，旨在揭示沾污和結渣的原因，尋求解決的方法。目前的報道多集中在準東煤灰熔融特性、結渣特性的試驗研究。范建勇等[1]發現準東煤標準灰的熔融溫度要比真實爐內燃燒時的熔融溫度高，與灰熔融溫度相比，煤灰成分指標更能表征準東煤的結渣特性；趙慶慶等[2]研究了4種準東煤標準灰的灰熔融特性，并結合三元相圖研究了煤灰成分與灰熔融特性的關系；王禮鵬等[3]利用X射線熒光(XRF)光譜和掃描電子顯微鏡對某鍋爐各部位受熱面的灰渣樣進行了沾污和結渣特性的研究，但其灰渣樣的采集是在鍋爐冷爐后進行的，因此與實爐燃燒采集到的灰渣樣有一定的區別。

目前，有關添加劑對準東煤燃燒后結渣和沾污特性影響的研究已有報道，但是在中試規模試驗臺上的研究報道尚不多見。烏曉江等[4]在上海鍋爐廠有限公司的3 MW燃燒試驗臺上對添加高嶺土后準東煤的結渣和沾污特性進行了研究；譚厚章等[5]在某350 MW鍋爐上研究了準東煤添加高嶺土后屏式過熱器的結渣機理，但其對水平煙道沾污特性的研究尚未涉及。

筆者采用3種不同的添加劑與準東煤進行摻燒，在新疆0.4 MW準東煤燃燒與沾污試驗臺上對比研究了不同類型添加劑對準東煤燃燒時結渣和沾污特性的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗系統

試驗臺模擬大型電站鍋爐搭建，主要包含6個系統：燃氣點火系統，一、二次風系統，給煤制粉及燃燒系統，爐膛與煙道系統，蛇形管段及其冷卻系統和循環水冷卻系統。爐膛由耐火材料堆砌，外部是水冷套，蛇形管屏管子中冷卻介質是高壓空氣。試驗系統如圖1所示。

1.2 試驗工況

試驗煤種為某五彩灣煤，試驗用添加劑分別為該五彩灣煤自身燃燒后的煤灰渣、某將軍廟煤和高嶺土。試驗用煤的煤質分析見表1，煤灰成分分析見表2。試驗中工況1為純燒某五彩灣煤,工況2為該五彩灣煤加自身底渣5%,工況3為該五彩灣煤90%加某將軍廟煤10%，工況4為該五彩灣煤加5%高嶺土，上述數據均是質量分數。

1.3 試驗重要參數

按照實際電站鍋爐燃燒運行參數進行試驗參數設定，如表3所示。在蛇形管后屏后面的煙道中水平布置一根T91合金鋼管(以下簡稱T91管)，管中通自來水進行冷卻，用來研究在800 ℃左右煙溫段管子表面的灰沉積情況。

1-高壓風機；2-蛇形管段空氣入口集箱；3-蛇形管前屏；4-蛇形管后屏；5-蛇形管段空氣出口集箱；6-電加熱裝置(初期制粉使用)；7-制粉系統燃料入口；8-煤倉；9-給煤機；10-磨煤機；11-粗粉分離器；12-液化氣系統；13-煤粉燃燒器；14-送風機；15-空氣預熱器；16、18-環形二次風；17-燃燒器二次風；19-爐膛溫度測點之一；20-爐膛(結焦段)；21-初期烘爐用層燃爐；22-煙道；23-布袋除塵器；24-引風機；25-儲水箱；26-循環水泵；27-省煤器；28-冷卻塔

圖1 試驗系統

添加劑的加入使得各工況下的入爐煤煤灰成分發生了變化，經簡單計算結果見表4。由于工況2中灰渣主要成分變化不明顯，故重點對另外2個工況進行分析。

由表4可以看出，從工況1到工況4和工況3，Al2O3的質量分數分別升高至12.72%和15.35%，SiO2的質量分數分別升高了84.6%和41.07%，SiO2與Al2O3質量分數之比也發生了變化。

表2 煤灰主要成分分析

表3 主要試驗參數

2 試驗結果與討論

2.1 結渣特性

圖2是試驗結束后蛇形管前屏起吊的圖片。圖2中，起吊管屏時灰渣沉積物掉入煙道，管子上無沉積物附著。

試驗中發現在爐膛出口煙溫1 100 ℃以上時4個工況均發生灰熔融并造成結渣，說明此3種添加劑對灰熔點的影響并不明顯，這與文獻[4]中試驗用煤的灰熔融特性結論一致；馬巖等[6]在不同灰化溫度下研究發現w(SiO2)/w(Al2O3)大于1∶1后，煤灰中的含硅氧化物群、硅酸鹽礦物群以及其他組分之間會發生相互作用產生低熔點共熔體，導致灰熔點降低。

表4添加劑加入后煤灰主要成分分析

Tab.4Massfractionofvariouscoalashcomponentswithadditivesmixed%

參數工況1工況3工況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

圖2 蛇形管前屏圖片

表4中工況1煤灰中CaO質量分數為31.55%，工況4和工況3的CaO質量分數則分別為15.90%和19.94%，李風海等[7]通過試驗發現煤灰中CaO質量分數對灰熔點有較大的影響，當CaO質量分數在30%～35%時，灰熔點達到最低值，而CaO質量分數15%～20%時，灰熔點僅比最低值高30 K左右。煤灰中的CaO易與Al2O3、SiO2發生反應生成鈣長石(CaO·Al2O3·2SiO2，其熔融溫度為1 553 ℃)、鈣黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2，其熔融溫度為1 593 ℃)、硅鈣石(3CaO·SiO2，其熔融溫度為1 464 ℃)及鋁酸鈣(CaO·Al2O3，其熔融溫度為1 605 ℃)等礦物質，盡管CaO的增加有利于提高灰熔點，但是也僅能提高40 K以內[8]，富余CaO存在更大的影響在于，鈣黃長石等易與含鈣化合物形成1 170 ℃的低溫共熔體，使得灰熔點降低[6]。

試驗中發現，在爐膛內(耐火材料內壁)和蛇形管前屏的沉積層內層呈現金屬色，未見管壁有內白層物質的沾污現象。研究也表明：燃燒溫度升高會促進煤灰中CaO、Al2O3和SiO2與不定性的Mg和Fe氧化物反應，形成低熔點共熔物，極大增強了準東煤煤粉燃燒結渣傾向[9]；Fe2O3對硅鈣鈉體系具有助熔作用，可使體系共融溫度下降[5]。上海鍋爐廠有限公司的3 MW燃燒試驗臺試驗結果表明，燃燒器區域(<1 500 ℃)磁鐵礦(Fe3O4) 和鈣硅石(CaSiO3)為結渣層主要礦物[10]。

2.2 Na和Ca的遷移特性

工況1～工況3的蛇形管前屏上沉積的灰渣較為致密且外觀相近，考慮到篇幅只給出了工況1和工況4的結渣物圖片(見圖3)，其中工況4的結渣物尤其突出。

(a)工況1

(b)工況4

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

工況4的結渣物更厚量更大，但與其他工況相比，其結渣物更為疏松且便于清理。為了進一步揭示不同添加劑對燃煤沉積層形成的影響機理，對其結渣物進行XRF檢測，具體結果如圖4所示。

圖4 XRF檢測的結渣物主要成分

由圖4可知，工況1形成的結渣物中堿金屬質量分數最高；工況2對結渣成分的改變并不明顯；工況4的結渣物中堿金屬質量分數下降最為明顯。

準東煤灰中Na、Ca質量分數較高，易形成鈣長石、赤鐵礦和硬石膏等低熔融礦物。工況3和工況4結渣物中SiO2質量分數升高，鈣長石和硬石膏的質量分數逐漸下降[5,11]。圖4中，工況1和工況2結渣物中Na2O的質量分數變化不大，工況3和工況4結渣物中Na2O的質量分數下降明顯。準東煤灰中的鈉大部分是以水溶性形態存在的[4,12]，而SiO2在高溫下可以與原煤中水溶性的鈉反應轉化為硅酸鹽形態的不溶性鈉[8]，從而固定了部分鈉；王學斌等[13]通過試驗發現，準東煤中Na的釋放量隨著SiO2摻入比例的提高而顯著降低，這是因為SiO2使得非水溶性鈉比例提高。另一方面，煙溫越高，Na2O的質量分數越低，因為煤灰中的Na2SO4升華析出或與水汽作用生成氣態氫氧化物，以氣態為主[14]，蛇形管前屏的煙溫在1 050 ℃以上，而且蛇形管前屏內的工質是空氣，管壁溫度較高，Na2SO4較難冷凝，故灰渣中的Na質量分數不高。

結渣后外層結渣物的生成溫度要比內層高，結合圖3發現，渣體最外層顏色呈現出土黃色，這是由于飛灰中SiO2質量分數高[5]。工況3和工況4的結渣物中CaO的質量分數下降較為明顯，一方面是由于工況3和工況4的入爐煤煤灰CaO質量分數比工況1低，另一方面是因為在600～1 000 ℃，Ca是以CaSO4的形式穩定存在于煤灰中，當溫度上升至1 000 ℃以后，CaSO4分解為CaO，富余的CaO與含Fe、Si等的礦物反應形成低溫共熔體，達到熔融狀態后析出，且煙溫越高，Ca質量分數越低[14]。

因此認為高Na質量分數不是造成結渣的主要原因，在溫度高的區段準東煤燃燒以結渣特性為主。結渣物應是以Ca為主的硫酸鹽復合物質、Fe為主的復合硫酸鹽和以Si為主的硅酸鹽。

2.3 沾污特性

對水平布置在煙道中的T91管進行準東煤燃燒和沾污特性的研究，圖5是工況1 T91管沾污特性試驗結果的圖片。工況4 T91管上的沉積物顏色偏黃；其他幾個工況T91管上的沉積物均呈灰白色。

圖5 煙道中T91管沉積物圖片

研究表明，Na在700 ℃以上的煙氣環境中會快速升華，并與煙氣中SO3、水蒸氣形成的硫酸根反應生成Na2SO4，當遇到受熱面管壁冷凝后，會快速形成一層致密的沾污內白層，這層物質使得煤灰具有很強的黏性[3,5,8]，是初始沾污物質的基礎。此外，復合硫酸鈉(Na3Fe(SO4)3)和焦硫酸鈉(Na2S2O7)等也會形成密實黏結沉淀層，導致沾污[9]。

為進一步了解沾污層成分，對T91管上沾污物進行了XRF檢測，結果如圖6所示。

由表4可知，與工況1相比，工況4和工況3的入爐煤煤灰中Na2O的質量分數從6.96%分別下降至3.47%和4.74%；CaO的質量分數從31.55%分別下降至15.90%和19.94%。圖6中，工況1和工況2的沾污物成分變化不大，其Na2O質量分數達到20%以上,工況4沾污物中的Na2O質量分數高于15%，均超過圖4對應工況結渣物中的Na2O質量分數，說明在煙溫低于800 ℃時，各工況下T91管上沾污物中的Na質量分數比爐膛內和爐膛出口高溫段處高，這與王禮鵬等[3]的研究結論接近。隨著煙溫降低，Na的硫酸鹽蒸氣冷凝析出[15]，試驗過程中通水的T91管管壁溫度低，煙氣中的Na2SO4被冷凝的效果增強，形成白色底層，說明沾污主要是由Na引起的。上游結渣物中硅鋁酸鹽質量分數越高，則沾污物中的Na2SO4就越少；代百乾等[16]對某300 MW亞臨界鍋爐在不同高溫下對流受熱面上的積灰進行研究，在煙溫800 ℃附近的灰樣表面發現了大量的CaSO4微米級顆粒。工況3入爐煤煤灰中的Al2O3質量分數比工況4高21%，且工況3的w(SiO2)/w(Al2O3)比值為2.17，工況4的w(SiO2)/w(Al2O3)比值為3.42，理論上工況3生成的硅鋁酸鈉、鈣的各類低溫共融復合鹽更多，故工況3中沾污物的Ca和Na質量分數最低[6]。

圖6 XRF檢測的T91管上沾污物主要成分

2.4 堿酸比指標分析

利用煤灰成分的結渣指標堿酸比(B/A)[17]進行分析，其定義為：

(1)

B/A是用來對燃料進行結渣傾向性判別的指標。對比不同工況下沉積物的堿酸比(見表5)，B/A越大，煤灰的結渣和沾污傾向越強。由表5可以看出，工況4結渣物堿酸比最小；而工況3的沾污物堿酸比最小。故認為添加5%高嶺土對防止高溫結渣最有效，摻燒10%將軍廟煤對緩解沾污最有效。

表5 結渣物和沾污物的堿酸比

3 結 論

(1)試驗中在爐膛內和蛇形管前屏只有結渣現象，并未發現沾污現象，結渣物是由煤灰中含Fe、Ca形成的硫酸鹽和硅鋁酸鹽礦物為主，煤灰中高Na質量分數不是引起結渣的主要原因。

(2)在800 ℃以下煙溫時，煤灰沉積以沾污特性為主，Na和Ca是導致沾污的主要原因。

(3)3種添加劑對提高灰熔點的作用并不明顯。

(4)準東煤自身燃燒產生的底渣作為添加劑時緩解結渣、沾污的效果不明顯；高嶺土在緩解結渣時，產生的結渣物雖較厚但較為疏松，易于清除，說明高嶺土對結渣強度的抑制作用明顯；將軍廟煤在沾污強度方面的抑制作用效果最好。