混煤燃燒結渣性研究

郭延紅 胡志凱 趙怡興 劉艷妮

（1.延安大學化工學院，陜西省延安市，716000；2.陜西省化學反應工程重點實驗室，陜西省延安市，716000）

受到燃燒煤種的限制，燃用混煤的電站鍋爐越來越多，由此造成的結渣問題日益突出，嚴重影響到電站鍋爐系統的安全正常運行［1］。因此，對燃燒混煤的工業鍋爐爐膛結渣情況進行分析預報迫在眉睫。煤的結渣性無論是對用煤單位還是對設計部門都是重要的參考指標，對煤的加工利用效率有著很重要的實際意義［2］。煤的結渣性是反映煤灰在氣化或者燃燒過程中成渣的特性，用結渣率來判斷煤在氣化或燃燒過程中結渣的難易程度［3］。試驗表明混煤是減小易結渣煤結渣率的有效手段之一。

陜北神木煤煤質優良，深受市場追捧，但神木煤大都灰熔點較低，用于鍋爐燃燒時易結渣，直接影響其適用范圍［4］。單煤的結渣性前人已有研究［5］，因此本次試驗采用了神木聚龍煤（1#）、神木榆家梁煤（2#）和子長禾草溝煤（3#）這3種結渣率不同的陜北煤，按照不同比例進行混合，通過模擬工業發生爐的反應條件來評價混煤結渣性的強弱，并利用XRD對混煤降低結渣率的機理進行初步分析。

1 試驗部分

1.1 試驗方法

將煤樣破碎后放于JF-100-1A制樣粉碎機中粉碎，在振篩機上篩出3～6 mm粒度的煤樣備用。取100 g制好的不同混合比的煤樣放入JZX-2型煤結渣性測定儀中，每個試樣均在空氣流量分別為2 m3/h、4 m3/h和6 m3/h這3種鼓風強度下進行2次重復測定。

原煤灰和混煤灰的礦物組成采用XRD-7000型X-射線粉末衍射儀測定，測試條件為：Cu-Kɑ源，管電壓為36 kV，管電流為100 mA。

煤灰的組成采用電感耦合等離子體原子發射光譜法分析，利用JRHF-3型微機灰熔點測定儀測定煤灰軟化溫度S T，結果見表1所示。

表1 試驗用煤煤灰的化學組成及軟化溫度S T

由表1可以看出，3種煤灰的化學組成各不相同，高溫燃燒時煤的礦物組成也發生了變化，導致各種煤的熔融溫度不同，其結渣性也不同［6］。

1.2 煤的結渣性判別指標及結渣強度

判斷煤灰結渣性的常用指標有S T（煤灰的軟化溫度）、J（堿酸比）、H（鐵鈣比）以及E（硅鋁比）［7］等。煤結渣性判別標準見表2。

表2 煤結渣性判別標準

結渣率的定義為在一定的鼓風強度下使待測煤樣氣化，煤中灰分熔融結渣后大于6 mm粒度的渣塊質量m1占總灰渣質量m的百分數［5］。工業上常常利用結渣率判斷動力用煤結渣的難易程度。根據煤的結渣程度，將煤的結渣強度分為強結渣區、中等結渣區、弱結渣區［7］。結渣性強度區域如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 單煤的結渣性

根據表1計算得到的3種單煤的結渣性判別指標見表3。

由表3可以看出，1#煤的煤灰軟化溫度S T為1382℃，其值在1260℃～1390℃范圍內，可看出1#煤種屬中等結渣煤；其堿酸比J為0.26，介于0.206～0.4之間，結渣程度中等，想要降低煤的結渣性，可以加入Si和Al含量較大的煤，使其堿酸比下降，從而降低結渣強度；鐵鈣比H為0.29，小于0.3，結渣性強，一般鐵鈣比H越小，煤灰熔融特征溫度越低，煤就越容易結渣；硅鋁比E為0.99，低于1.7，屬于輕微結焦性。

圖1 結渣性強度區域

表3 3種單煤的結渣性指標

2#煤的煤灰軟化溫度S T低于1260℃，從煤灰的灰熔點來看，煤灰熔融溫度越低，導致煤種越容易結渣；堿酸比J為0.52，大于0.4，說明該煤種結渣情況嚴重，添加SiO2及Al2O3含量高的煤種，就會導致原煤的堿酸比降低，這樣原煤的結渣程度就會下降；鐵鈣比H為0.68，位于0.3～3中間，結渣中等；硅鋁比E為1.87，處于1.7～2.8中間，結渣程度為中等。

3#煤的煤灰軟化溫度S T為1433℃，低于1390℃，從S T判斷可知3#煤的結渣性??；堿酸比J為0.22，位于0.206～0.4之間，結渣程度中等；鐵鈣比H為0.25＜0.3，可得3#煤結渣性??；硅鋁比E為0.89，在小于1.7的范圍內，結渣性小。

用煤結渣判別指標得出的3種單煤結渣傾向見表4。

表4 3種單煤結渣傾向

根據前述的試驗方法，模擬工業發生爐的反應條件得出單煤的結渣性，3種單煤的結渣率見表5。

表5 3種單煤的結渣率

由表5可以看出，隨著鼓風強度的增加，3種單煤的結渣率增大，1#煤和3#煤處于弱結渣區，2#煤位于結渣嚴重區。對比表4可以看出由S T、J、H、E可以判別煤的結渣強弱，結渣性的強弱除了煤自身的因素以外，外在因素鼓風的強度、氣壓的大小、燃燒時間的長短等對煤的結渣性也有一定的影響。混煤可以降低高結渣性煤的結渣性，擴大煤的使用范圍。

2.2 混煤的結渣性

2.2.1 1#煤和2#煤混合結渣性分析

為了降低2#煤的結渣率，將1#煤和2#煤分別按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例進行混合，試驗結果見表6～表9。

表6 1#煤和2#煤按照2∶8的比例進行混合后的結渣數據

表7 1#煤和2#煤按照4∶6的比例進行混合后的結渣數據

表8 1#煤和2#煤按照6∶4的比例進行混合后的結渣數據

表9 1#煤和2#煤按照8∶2的比例進行混合后的結渣數據

由表6～表9可以看出，混煤的結渣率隨著鼓風強度的增大而增大，混煤中隨著1#煤煤量的增加和2#煤煤量的減小，S T逐漸升高，混煤的結渣率下降，結渣率處在1#煤和2#煤之間。當1#煤與2#煤比例為4∶6時，混煤的結渣率顯著降低，這是由于2#煤含Fe較多，添加含Fe少的煤種可以使2#煤

的結渣強度減小。

2.2.2 2#煤和3#煤混合結渣性分析

將結渣嚴重的2#煤與不易結渣的3#煤分別按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例進行混合，試驗結果見表10～表13。

表10 2#和3#按照2：8的比例進行混合后的結渣數據

表11 2#和3#按照4：6的比例進行混合后的結渣數據

由表10～表13可以看出，鼓風強度越大混煤的結渣率越大，隨著2#煤量的增多和3#煤量的減少，S T逐漸降低，混煤的結渣性增強，結渣性在2#煤和3#煤中間，與相同比例的1#煤和2#煤的混煤比較，結渣性要小。這是由于3#煤的結渣率小于1#煤的結渣率。

表12 2#煤和3#煤按照6∶4的比例進行混合后的結渣數據

表13 2#煤和3#煤按照8∶2的比例進行混合后的結渣數據

2.2.3 原煤煤灰礦物形態特征

為了進一步討論煤灰在高溫下的礦物轉化及煤灰熔點與燃煤結渣性的關系，分別測定了3種煤樣在成灰溫度在815℃下的XRD圖像如圖2所示。

由圖2可以看出，煤灰的組成較為復雜，由多種礦物質組成。在815℃下，1#煤灰中主要有方解石（C）、赤鐵礦（H）、鈣長石（An）等礦物質；2#煤灰主要有石英石（Q）、硬石膏（A）等礦物質。3#煤灰中主要有石英石（Q）、赤鐵礦（H）、硬石膏（A）、方解石（C）、莫來石（M）、黃鐵礦（P）、霞石（N）、鈉鈣硅酸鹽（R）等礦物質；3#煤灰中酸性礦物質石英石（Q）等的含量較多，堿性礦物質的含量少，故熔點高，與試驗測得的熔融溫度相符，3#煤灰熔融特征溫度在試驗所用煤中最高，結渣性最弱。

2.2.4 混煤煤灰礦物形態特征

在不同溫度下煤灰的礦物質會發生轉變，使煤灰的熔融溫度發生變化進而改變煤的結渣性［8］，利用XRD討論了成灰溫度815℃的礦物組成后，為了解溫度對煤灰礦物組成的影響，測定了在DT溫度時1#煤與2#煤的不同配比條件下的XRD如圖3所示。

由圖3可以看出，1#煤與2#煤比例為2∶8和4∶6時，煤灰中主要含有鈣長石及石英石等物質；1#煤與2#煤比例為6∶4時，煤灰中主要含有鈣長石等物質；1#煤與2#煤比例為8∶2時，煤灰中主要組成有石英石、鈣長石和鈣鋁黃長石等礦物質。

圖2 3種煤樣在815℃下的XRD圖像

圖3 DT溫度時1#煤與2#煤在不同配比條件下的XRD

由圖3不同配比的XRD可以看出，混煤中當2#煤量減少1#煤量增多時，混煤煤灰里鈣長石及石英石的衍射峰減弱。對比1#和2#煤灰的XRD圖，2#煤灰組成中鈣長石的衍射峰比1#煤灰中的強，所以當混煤里1#煤量增加時，鈣長石的衍射峰會變弱。在熔融溫度下，煤灰中的各種礦物質會發生化學反應生成新的低熔點礦物質。所以，混煤中2#煤含量降低時，混煤煤灰的熔融溫度升高，結渣率下降。

3 結論

（1）混煤能有效降低高結渣煤的結渣率，當1#煤與2#煤為4∶6時混煤的結渣率顯著降低，同比例的3#煤與2#煤混合效果更佳。

（2）當系統壓力一定時，混煤的結渣率隨鼓風強度的增加而增加。

（3）混煤降低結渣率的主要原因是混煤在燃燒過程中礦物形態發生了變化，生成了熔點較高的礦物質。

（4）混煤可以擴大鍋爐用煤的適用范圍，保證電站鍋爐系統的安全正常運行。