新疆準東煤結(jié)渣沾污特性研究

王 巖，高繼錄，陳曉利，盛增慶，郭萬貴

(1．遼寧東方發(fā)電有限公司，遼寧 撫順 113007；2．中電投東北節(jié)能技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國家電投集團新疆能源化工有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830063；4.中電投新疆能源化工集團五彩灣發(fā)電有限責任公司，新疆 昌吉 831700)

新疆準東煤是一種全新的優(yōu)質(zhì)煤種，具有中高水分、低灰分及高熱值等特點。準東煤煤灰中堿金屬氧化物含量較高，其中Na和Ca含量通常達6.2%和32.8%以上，其含量遠遠高于目前常見的動力用煤，這會引起嚴重的灰沉積問題[1-2]。在電廠燃用準東煤的過程中出現(xiàn)了爐內(nèi)燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)渣嚴重現(xiàn)象，進而導致鍋爐爐膛出口煙溫升高以及高溫過熱器和高溫再熱器沾污堵塞、超溫爆管等問題，嚴重時停爐清理，限制了準東煤的大規(guī)模應用[3-5]。新疆某電廠摻燒準東天池煤連續(xù)運行15天后，從爐膛到水平煙道再到尾部受熱面均出現(xiàn)大面積結(jié)渣、沾污，且質(zhì)地非常堅硬、難以處理，爆管現(xiàn)象也頻繁發(fā)生。如何安全、高效燃用準東煤以及如何解決燃用準東煤出現(xiàn)的問題成為準東地區(qū)電力企業(yè)面臨的棘手問題[6-7]。

1 燃燒特性分析

某準東礦區(qū)煤的干燥無灰基揮發(fā)分為31.12%，全水分為25.01%，收到基灰分為3.34%，收到基硫含量為0.28%，收到基低位發(fā)熱量為20 167 kJ/kg，屬于中高揮發(fā)分、特低灰分、高水分、高熱值褐煤，是優(yōu)良的動力煤種。

利用熱天平研究煤的燃燒特性，對其結(jié)果的特征指數(shù)進行綜合分析，給出特性判別指數(shù)，則可判斷煤質(zhì)特性。熱天平試驗條件見表1。

表1 熱天平試驗條件

著火穩(wěn)定性系數(shù)Rw見表2。由于準東礦區(qū)煤種的穩(wěn)定性系數(shù)大于5.7，因此處于穩(wěn)定區(qū)，其煤質(zhì)極易穩(wěn)定燃燒。

表2 著火穩(wěn)定性系數(shù)Rw

準東礦區(qū)煤的燃盡指數(shù)Rj見表3。由于燃盡指數(shù)大于5.7，其煤質(zhì)極易燃盡。

表3 燃盡指數(shù)Rj

2 灰熔點測試

準東礦區(qū)煤灰熔融性見圖1，灰樣分別為標準灰和低溫制灰。標準制灰和低溫制灰下的軟化溫度分別為1 388 ℃和1 364 ℃，屬于較高軟化溫度灰，流動溫度分別為1 420 ℃和1 393 ℃，分別屬于較高流動溫度灰和中等流動溫度灰。但在實際燃煤過程中，受熱面出現(xiàn)較為嚴重的結(jié)渣、沾污問題，因此單一依靠灰熔點這一指標并不能較好地說明其結(jié)渣、沾污機理。

圖1 準東礦區(qū)煤灰熔融性

3 煤及煤灰成分分析

3.1 準東礦區(qū)煤成分分析

煤成分分析通過使用微波消解儀(TOPEX)與電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)完成，結(jié)果見表4。

表4 準東礦區(qū)煤成分分析 μg/g

本試驗采用逐級萃取方法對煤中鈉等堿金屬賦值狀態(tài)進行分析，選取2種較為典型的堿金屬Na和K作為研究對象，結(jié)果見表5。根據(jù)結(jié)果可以看到：煤中Na多呈現(xiàn)為水溶性，占總量的36.6%，不可溶性鈉含量次之，醋酸銨溶性鈉較前兩者稍少，鹽酸溶性鈉僅占1.9%。煤中K的賦存形態(tài)與Na相差較多，水溶性K僅為1.5%，醋酸銨溶性K比例占56.4%，不可溶性的比例較鹽酸溶性稍多。準東礦區(qū)煤中水溶鈉居多，有機鈉和不可溶鈉含量較少，出現(xiàn)這種分布趨勢與煤的形成及進化有一定關(guān)系，新疆高鈉煤中水溶鈉主要來自于海水蒸發(fā)殘留下的鹽分和成煤植物吸收水分帶入的無機鹽；成煤植物中本身含有的鈉則構(gòu)成了煤中的有機鈉，這部分鈉并不是新疆高鈉煤中鈉的主要存在形式，不可溶鈉是在進化過程中由周圍環(huán)境帶來的。

表5 準東礦區(qū)煤中Na、K元素的賦存形態(tài)分析 μg/g

3.2 準東礦區(qū)煤灰成分分析

灰元素含量分析是對準東礦區(qū)煤的標準制灰及低溫制灰進行定量分析，結(jié)果見表6。灰中CaO含量近30%，MgO含量為17%左右，Na2O與K2O含量之和超過6%，而Al2O3與SiO2含量分別為5%與8%左右。

表6 準東礦區(qū)煤灰成分分析 %

對準東礦區(qū)煤進行結(jié)渣指數(shù)計算，結(jié)果見表7。準東礦區(qū)煤的硅指數(shù)、堿酸比、鐵指數(shù)都處于嚴重結(jié)渣范圍，計算結(jié)果表明，準東礦區(qū)煤在使用過程中會出現(xiàn)嚴重的結(jié)渣、沾污問題。

表7 結(jié)渣判別指數(shù)計算方法與判別指標

注：*表示結(jié)渣傾向嚴重。

灰中礦物質(zhì)賦存形態(tài)分析采用X射線衍射儀(XRD)對準東礦區(qū)標準制灰、低溫制灰進行礦物質(zhì)物相分析。XRD掃描結(jié)果見圖2。

圖2 準東礦區(qū)煤灰XRD圖譜1——石英(SiO2)；2——硬石膏(CaSO4)；3——石灰石(CaCO3)；4——硅酸鈣(Ca2SiO4)；5——鎂硅鈣石(Ca3MgSi2O8)；6——氧化鎂(MgO)

由圖2可見，低溫制灰中的礦物質(zhì)與標準制灰存在明顯區(qū)別。低溫制灰中的礦物質(zhì)主要有CaSO4、CaCO3以及少量的Ca2SiO4和SiO2。而標準制灰時CaCO3消失，這是由于石灰石的分解溫度為720～800 ℃，

經(jīng)過灼燒，灰中的石灰石基本完全分解。隨著成灰溫度升高以及CaCO3的分解，硅鋁酸鹽與SiO2、MgO等氧化物相結(jié)合生成新的礦物質(zhì)Ca3MgSi2O8。

4 結(jié)論

a.準東礦區(qū)煤質(zhì)燃燒穩(wěn)定，屬于易燃盡、優(yōu)良的動力煤種，其著火穩(wěn)定性與燃盡性能介于煙煤和褐煤之間。

b.準東礦區(qū)煤中水溶鈉居多，有機鈉和不可溶鈉含量較少，煤中醋酸銨溶性鉀占50%以上，說明以羧酸鹽形式存在的有機鉀多于以配位形式存在于含氮或含氧官能團上的有機鉀。

c.準東礦區(qū)煤的標準灰中Na2O含量達到7%，屬于典型高鈉煤，根據(jù)硅指數(shù)、堿酸比、鐵指數(shù)判別標準，其具有嚴重結(jié)渣和嚴重沾污特性。