離子交換法在煤炭脫鈉提質上的應用研究

李 想,谷 闖,戚 勝

(1.吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132012；2.四平市特種設備監督檢驗中心，吉林 四平136001)

我國擁有豐富的煤炭資源，煤炭的種類千差萬別，部分煤炭中含有大量的鈉鹽.當鍋爐燃用此類煤炭時會在其內部受熱面產生積灰、腐蝕、結渣等一些列現象，嚴重影響了受熱面的傳熱效果，導致了鍋爐熱效率降低，且影響鍋爐的使用壽命和安全經濟運行.因此，如何能夠有效地降低高鈉煤中鈉鹽的含量就成了解決鍋爐燃燒高鈉煤的方法之一.國內的學者對煤炭中的水溶性鈉的脫除開展了大量的研究工作，研究結果表明水量、水溫和不同的洗滌劑都會對脫鈉效果造成較大的影響.本次實驗采用離子法洗煤脫鈉提質，采用陽離子交換樹脂作催化劑，對煤炭進行脫鈉提質.通過實驗的方法對比洗滌后煤炭的脫鈉效果和煤質特性，為高鈉煤在鍋爐燃燒中的應用提供參考[1,2].

1 實驗過程

1.1 實驗樣品的基礎分析

本實驗采用的煤為新疆準東地區火力發電廠使用的準東煤，根據煤的工業分析國標GB/T 30732-2014和煤的元素分析依據國標GB/T 31391-2015，樣品煤的元素分析和工業分析如表1所示，煤灰灰成分的分析依據國標GB/T 1574-2007，灰成份和灰熔點如表2所示[3,4].

表1 原煤的工業分析和元素分析

表2 灰成份分析和灰熔點

由分析結果可以得出如下結論：樣品煤具有高揮發份、高水分、中等發熱量、低硫、低灰等特性，在煤的灰分分析中可以看出堿性金屬氧化物含量較高，灰熔融特性溫度明顯較低.可預見燃燒此類煤種時容易在鍋爐及其附屬設備中產生腐蝕、結渣、沾污等一系列影響傳熱效果現象的發生，這也證明了燃用高鈉煤存在一定安全經濟運行的缺陷[5,6].

1.2 樣品煤的萃取

稱取1 g的空氣干燥基煤樣，加入100 mL的去離子水，將其放置在60 ℃的恒溫水浴中加熱12 h，然后過濾，并將濾液繼續加入去離子水，稀釋至100 mL.對過濾后的殘留物，分別1 mol/L的稀鹽酸和1 mol/L的醋酸銨重復上述操作.將煤樣和最終的殘留物干燥后分別采用氫氟酸和硝酸作為消解液做微波消解，同時采用電感耦合等離子體發射光譜儀對消解液進行鈉元素的含量分析，最后用離子色譜儀分析儀分析萃取濾液中鈉元素含量.

1.3 脫鈉實驗

表3 實驗工況

1.4 煤樣灰熔特性

實驗根據GB/T219規定的角錐法，使用HR-8000B微機一體灰熔點測量儀，使用馬沸爐快灰法制備樣品灰，在弱還原性氣氛下測定煤樣的4個灰錐特征溫度：變形(DT)、軟化(ST)、半球(HT)和流動(FT).

2 實驗結果分析

2.1 煤中鈉鹽的存在形式

采用不同組成成分的萃取液，按照逐級萃取的方法，樣品煤中鈉的成分可細分為水溶性鈉、醋酸銨溶鈉、稀鹽酸溶鈉和不可溶性鈉.樣品煤中鈉鹽的存在形式如表4所示，從實驗結果可以看出，樣品煤中水溶性鈉的比例最接近鈉鹽總量的三分之二，而其他成分所占的比例相對較少，所以采用樹脂水洗的方法可以有效脫除樣品煤中的鈉鹽，降低其在鍋爐燃燒過程中產生積灰、腐蝕、結渣的可能性[7-9].

表4 鈉鹽的存在形式

2.2 洗滌時間和溫度對除鈉效果的影響

在同等條件下對樣品煤進行洗滌，然后將其過濾，使用鈉度計測量濾液中的鈉離子濃度，鈉度計的測量顯示值為PNa值，其值與鈉離子濃度相對應，濃度可由與PNa值對應的鈉離子濃度表查出.PNa值隨洗滌時間的變化如圖1，可以看出，洗滌時間4小時為最佳.同理，在相同的洗滌時間條件下，洗滌溫度60 ℃鈉脫除效果最好，如圖2所示.

t/h圖1 PNa值隨時間的變化值

T/℃圖2 PNa值隨溫度的變化均值

2.3 洗滌前后灰熔融特性的對比

樣品煤在不同洗滌溫度條件下的灰熔融特征溫度測定結果如圖3所示.從圖中可以看出洗滌溫度60 ℃的灰熔融特性最好，是最佳溫度洗滌點.表5為洗滌溫度為60 ℃時，所對應的4個灰錐特征溫度，其中樣品煤洗滌后軟化溫度達到1 289 ℃，比未洗滌煤的軟化溫度高出124 ℃，可見洗滌的效果相當明顯.

T/℃圖3 不同洗滌溫度條件下的灰熔點變化

ash melting point/℃DTSTHTFTraw coal1120116511931239the best condition1204128913301358difference84124123119

3 結 論

(1) 樣品煤中水溶性鈉的比例最接近鈉鹽總

量的2/3，采用樹脂水洗的方法可以有效脫除樣品煤中的鈉鹽，降低其在鍋爐燃燒過程中產生積灰、腐蝕、結渣的可能性.

(2) 相同條件下洗滌時間和溫度對除鈉效果的影響較大，存在最佳洗滌溫度和最佳洗滌時間分別為60 ℃與4 h.

(3) 在最佳洗滌溫度60 ℃條件下，洗滌后樣煤軟化溫度達到1 289 ℃，比未洗滌煤的軟化溫度高出124 ℃，洗滌效果相當明顯.