不同氣氛下煤灰中鐵含量對灰熔融特性影響研究

殷志源，項群揚,竺浩煒

(1.浙江越華能源檢測有限公司，浙江 寧波 315200；2.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

0 前 言

在鍋爐安全經濟運行和相關政策的多重壓力下，由于煤種復雜多變，越來越多的燃煤電廠采用配煤摻燒技術，配煤的灰熔融特性是評判動力用煤沾污、結渣以及選擇不同排渣方式的重要指標，尤其是配煤的軟化溫度與其結渣特性息息相關[1，2]。

當前，國內外學者對預測單一煤灰的熔融溫度進行的研究工作較多，并取得了較好的成果，其預測煤灰熔融性的方法主要可分為以下兩類：① 直接將煤灰熔融溫度與煤灰的化學組成含量或含量之間的某種比值建立數學關系，采用回歸分析、最小二乘法、偏最小二乘法、神經網絡等數學方法確定預測關系式中的常數;② 通過相圖、完全液相溫度等具有化學意義的介質，建立煤灰熔融性溫度與化學組成的關系，進而確定預測灰熔性溫度的方法[3-6]。其它預測方法有從原煤中礦物相組成和含量出發，進而建立灰熔融溫度與原煤中礦物相組成之間的函數關系[7]。相關的灰熔融溫度預測模型均可在公開發表的文獻中查閱，更多基于煤灰熔融溫度和煤灰成分之間的關系研究，以及針對國標方法氧化性氣氛和弱還原性氣氛對不同煤灰熔性溫度的影響研究表明，氧化性氣氛下灰熔融溫度均高于弱還原性氣氛下灰熔融溫度[8，9]。針對氣氛對灰熔融溫度的影響，一般認為與灰成分中的鐵以及鈣鎂含量有關，其中由于煤灰中鐵元素在不同氣氛下存在不同的形態(硫化亞鐵、硫化鐵、氧化鐵、四氧化三鐵和碳酸鐵等)，因此在不同氣氛下由于煤灰成分中鐵的含量不同，對灰熔融溫度的影響也不同。

以下在國標封碳法、燃煤鍋爐氧化性氣氛和燃煤鍋爐強還原性氣氛3種氣氛下研究煤灰成分中鐵含量對煤灰熔融溫度的影響，并給出相應的計算關系式，以此作為對傳統灰熔融溫度預測模型的有效補充。

1 試驗系統

搭建1套氣氛可調節的煤灰熔融特性測試系統，如圖1所示，主要包括氣瓶組、質量流量控制器和5E-AF4000灰熔融性測定儀；氣瓶組由4個氣瓶組成，分別為N2、O2、CO2和CO氣瓶，通過質量流量控制器調節不同的氣體的流量來實現不同的氣體配比。

圖1 氣氛可調節的煤灰熔融特性測試系統

試驗開始前打開氣瓶，通過質量流量控制器調節氣體流量，通氣總流量為500 mL/min；配氣通過灰熔性溫度測試裝置后可通入煙氣分析儀監測實際煙氣成分。試驗期間，配氣持續通入，保持測試裝置內的氣氛恒定。

2 試驗結果

2.1 氣氛條件設置

一般而言，干煙氣的主要成分是N2、CO、CO2和O2，其中N2約占80%，CO、CO2和O2合計占20%左右。根據低氮燃燒改造后鍋爐主燃區煙氣中CO含量分布范圍[10，11]，設計了6組氣氛情況，見表1。從氣氛2至氣氛6，CO含量依次增大。其中氣氛1為空氣組分，即GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測定方法》里規定的封碳法，氣氛2和氣氛3的O2含量從5%降至0%，CO含量從0升至5%。氣氛4和氣氛5的CO含量分別為10%和15%，模擬低氮改造后鍋爐主燃區的強還原性氣氛狀態；氣氛6為CO含量20%的極端情況，僅作為參考。

表1 灰熔融溫度試驗氣氛

氣氛N2/%O2/%CO2/%CO/%氣氛1802000氣氛2805150氣氛3800155氣氛48001010氣氛5800515氣氛6800020

2.2 試驗煤種的灰成分分析

為研究不同氣氛對煤灰熔融溫度的影響規律，試驗煤種為某電廠常用的摻配混煤。主要煤質分析參數見表2，煤的收到基灰分為10.94%，干燥無灰基的揮發分分布為36.09%，為典型的煙煤。

表2 試驗煤種的主要煤質參數

項目工業分析/%MadAdVdaf高位發熱量 Qgr d / MJkg-1 元素分析/%CdHdNdSt dOd神混煙煤9.3112.0636.0928.0671.194.190.900.5011.16

該摻配混煤的灰成分(分析結果)見表3。煤灰中酸性成分多會使煤的灰熔融溫度增高，因此灰成分的結渣指標可通過堿酸比B/A來判斷，由式(1)計算可得。該煤種的酸堿比為0.297，屬于輕微結渣煤種。

(1)

表3 試驗煤種的灰成分分析結果

%

2.3 不同氣氛下煤灰熔融溫度測試結果

經過實驗發現不同氣氛下的煤灰熔融特性有較大差異，而該差異性與灰成分中氧化鐵的含量有較大關系。3種不同氣氛下煤灰軟化溫度(ST)、變形溫度(DT)與灰成分中氧化鐵含量的關系分別如圖2、圖3所示。3種氣氛分別為上述的氣氛1、氣氛2(N2∶O2∶CO2=80∶5∶15，模擬鍋爐實際氧化性氣氛)、氣氛5(N2∶CO2∶CO=80∶5∶15，模擬鍋爐實際還原性氣氛)；3種氣氛中封碳法為常規測試方法，氣氛還原性最強，而后2種氣氛更接近于大型燃煤鍋爐主燃區的實際運行狀態。其中氣氛2為弱氧化性氣氛，接近于大型燃煤鍋爐原有運行狀態；氣氛5為還原性氣氛，更接近于鍋爐低氮燃燒改造后的主燃燒器區域運行狀態。

圖2 3種不同氣氛下煤灰軟化溫度與灰成分中氧化鐵含量的關系

圖3 3種不同氣氛下煤灰變形溫度與灰成分中氧化鐵含量的關系

由以上可看出，不同氣氛下ST和DT的變化趨勢基本一致。以ST的變化規律為例，當氧化鐵含量低于10%時，3種氣氛之間的熔融溫度差異相對較小；當氧化鐵含量升高時，還原性氣氛下(封碳法和氣氛5)熔融溫度隨之明顯下降，而氧化性氣氛下灰熔融溫度確有所升高。

2.4 不同氣氛下條件下灰熔融溫度預測模型

經過大量實驗可計算得出氣氛5和氣氛2之間的軟化溫度(ST)存在差異， 如圖4所示。可擬合得到氣氛5和氣氛2之間ST的差值(℃)與灰成分中氧化鐵含量(%)的函數關系為:y=-43+12.84x-0.110 9x2， 可根據該關系式評估鍋爐氣氛從氧化性氣氛轉變為還原性氣氛后灰熔融溫度的下降情況，以此作為對灰熔融溫度常規預測模型的補充。

3 結 論

(1)氧化性與還原性氣氛下神混煙煤的煤灰熔融特性有較大差異，而其差異性與灰成分中氧化鐵的含量有較強相關性。當氧化鐵含量大于10%時，隨著氧化鐵含量升高，在強還原性氣氛下熔融溫度下降明顯。

(2)通過實驗研究并經數據擬合得出氧化性氣氛、還原性氣氛下神混煙煤類煤灰軟化溫度差值與灰中氧化鐵含量的函數關系為y=-0.110 9x2+12.84x-43，可將其作為對灰熔融溫度常規預測模型的補充。