准东煤及其混煤燃烧与结渣特性

白 杨1,赵勇纲1,徐会军2,朱 川3

(1. 神华国神集团公司技术研究院,陕西 西安 710065;2. 国家能源集团有限责任公司,北京 100011;3. 煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院,北京 100013)

摘 要:准东煤田是我国目前最大的整装煤田,煤质总体呈现中高水分、中高挥发分、低灰、低硫、低磷、中等热值、反应活性好等特点,是大规模煤化工、煤电气联产优质原料。但准东煤中较高的Na、Ca含量影响锅炉正常运行,限制了准东高钠煤的燃烧利用,目前电厂主要通过掺烧低钠煤方式加以利用。为考察准东煤及其混煤燃烧与结渣特性,在五彩湾电厂采集了准东煤(ZD)和乌东煤(WD)等2种原料煤。采用热重分析仪研究30%、50%和80%等不同配比下混煤燃烧特性,并分析响应配比下煤灰特性变化规律。结果表明,准东煤混煤燃烧的DTG曲线有2个特征峰。随准东煤配比增加,混煤燃烧TG和DTG曲线向低温区移动,DTG曲线特征峰更明显;混煤燃烧特征温度逐渐降低,最大燃烧速率与综合燃烧特性指数先降低后升高,混煤灰熔融温度逐渐降低。准东煤相对乌东煤具有较高的碱性氧化物和较低的酸性氧化物含量,准东煤配比越高相应的SO3、CaO、Na2O的含量越高结渣倾向性更强。但部分指标并不能准确预测结渣强弱,如准东煤硅铝比为1.67,而乌东煤硅铝比为3.02,依据硅铝比判断结渣倾向性与事实不吻合。另外,煤中CaO含量大于30%后继续增加则灰熔融温度升高,是准东煤比乌东煤具有更高灰熔融温度的原因,随准东煤配比增加,混煤灰熔融温度呈明显降低趋势。燃烧结渣与沾污倾向指标主要有基于煤灰成分和基于煤灰熔融温度的指标,总结分析以往结渣与沾污预测指标结合试验结果认为:基于煤灰成分的碱酸比以及基于煤灰熔融温度的特征温度差值(FT-DT)是判别准东煤及其混煤结渣与沾污倾向性的理想指标。

关键词:高碱煤;煤灰熔融温度;混煤;结渣与沾污

中图分类号:TQ534

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)06-0132-07

收稿日期:2018-10-10;责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.18101001

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基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2015BAA04B02)

作者简介:白 杨(1984—),男,陕西神木人,高级工程师,主要从事电站锅炉清洁燃烧研究及锅炉技术监督工作。E-mail:11170283@chnenergy.com.cn

引用格式:白杨,赵勇纲,徐会军,等.准东煤及其混煤燃烧与结渣特性[J].洁净煤技术,2019,25(6):132-138.

BAI Yang,ZHAO Yonggang,XU Huijun,et al.Combustion and slagging characteristics of Zhundong coal and blended coals[J].Clean Coal Technology,2019,25(6):132-138.

Combustion and slagging characteristics of Zhundong coal and blended coals

BAI Yang1,ZHAO Yonggang1,XU Huijun2,ZHU Chuan3

(1. Shenhua Guoshen Technical Research InstituteXian 710065,China;2. CHN Energy Co.,Ltd.,Beijing 100011,China;3. Coal Chemistry Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Abstract:Zhundong coalfield is the largest integrated basin in China. Combined with the characteristics of medium and high water content,medium and high volatile matter,low contents of sulfur,trace element,and low cost mining,medium calorific value and good reaction activity,which is a large-scale coal chemical industry and coal electrical co production high-quality raw material.However,the high content of Na and Ca in Zhundong coal affects the normal operation of the boiler,which limits the combustion and utilization of Zhundong high sodium coal. To investigate the combustion and slagging characteristics of Zhundong coal and its mixture,two raw coal called Zhundong coal(ZD) and Wudong coal(WD) were collected from Wuhuaiwan power plant. The combustion characteristics of ZD coal and mixed coals were studied using thermogravimetric analyzer,and the change rule of coal ash characteristics under response ratio was analyzed.The results show that there are two characteristic peaks for blendings of Zhundong and Wudong coals. With the increase of ZD coal blending ratio,TD-DTG curves of blended coal combustion move to the low temperature area,and the characteristic peak of DTG curve is more obvious.The characteristic temperature and the ash fusion temperature of blended coals gradually decrease,while the maximum combustion rate and comprehensive combustion characteristic index first decrease and then increase,and the fusion temperature of blended coal ash gradually decreases.ZD coal has higher alkali oxide and lower acid oxide content than WD coal,and blending with high ratio zhundong coal has high contents of SO3,CaO and Na2O and more serious ash-related problems;However,some indexes can not accurately predict the slagging strength,such as Zhundong coal silicon aluminum ratio is 1.67,and Wudong coal silicon aluminum ratio is 3.02. Judging slagging tendency based on silicon aluminum ratio is not consistent with the fact;In addition,when the CaO content in coal is more than 30%,the ash melting temperature will increase,which is the reason why Zhundong coal has higher ash melting temperature than Wudong coal.With the increase of the proportion of Zhundong coal,the melting temperature of blended coal ash decreased obviously. The indexes of combustion slagging and fouling tendency are mainly based on the composition of coal ash and the melting temperature of coal ash. Based on the test results of the former prediction indexes of slagging and fouling,it is concluded that the alkali acid ratio based on the ash composition and the characteristic temperature difference(FT-DT) based on the ash melting temperature are the ideal indexes for judging the slagging and fouling tendency of Zhundong coal and its blended coal.

Key words:high alkali coal;ash fusion temperature;blendedcoal;slag and fouling

0 引 言

准东煤田面积5 351.89 km2,预测煤炭资源储量3 900亿t,累计探明煤炭资源地质储量2 136亿t,是我国目前最大的整装煤田[1]。煤质总体呈现中高水分、中高挥发分、低灰、低硫、低磷、中等热值、反应活性好等特点[2],加上煤层厚、露天开采成本低[3],可为未来新疆大规模煤化工、煤电基地提供优质原料保障。但准东煤中Na、Ca含量较高,如煤灰氧化钠含量3%~8%,部分区域甚至大于10%;氧化钙含量20%~40%,部分区域大于60%[4-5]。煤中碱和碱土金属是煤燃烧导致锅炉内结渣、沾污的重要原因,严重影响锅炉的正常运行,限制了准东高钠煤的燃烧利用[6-7]。乌鲁木齐地区电厂实践表明[8]:燃用准东煤易出现炉膛燃烧区水冷壁结渣,受热面沾污、积灰等问题,严重时不得不停炉清渣。目前只有掺烧其他低钠煤种才能在现役锅炉上燃用,李鹏等[9]通过一系列流程化管理,为大比例掺烧准东煤积累了经验;崔育奎等[10]通过改变混煤灰中的主要矿物质组成,减少高碱煤中Na、K等碱金属低温共熔物的生成,达到改变和调节煤灰熔融特性的目的。准确预测准东煤及其混煤结渣特性是提高掺烧比例和实施预防结渣措施的前提,但准东煤的结渣特性有别于其他煤种[11],如高灰熔融温度准东煤也出现严重的结渣与沾污现象[12]。配煤是当前利用准东煤经济、可行且实现规模化利用的唯一方式,如何预测混煤结渣特性进而提高准东煤配比是目前研究热点。因此,有必要在研究现有指标适用范围的基础上提出预测准东煤及其混煤结渣的合适指标,这将有利于掺烧准东煤的锅炉安全稳定和高效运行。

1 试 验

1.1 试验样品

样品采自神华五彩湾电厂原料煤。采用高碱煤与低钠煤混烧方式,原料煤为准东煤与乌东煤混煤,高负荷下准东煤配比60%,低负荷下准东煤配比70%。准东煤(ZD)和乌东煤(WD)工业分析与元素分析见表1,煤灰熔融性和煤灰成分分析见表2。

表1 样品工业分析与元素分析

Table 1 Proximate and ultimate analysis of raw coals

样品工业分析/%MadAdVdafFCad元素分析/%CdafHdafNdafOdafSt,dQgr,d/(MJ·kg-1)ZD8.595.1632.0164.4879.533.860.5415.580.4528.55WD2.0224.1837.8447.1381.445.381.0211.030.8725.37

表2 原料煤灰成分和熔融温度

Table 2 Ash composition and melting temperature of raw coals

样品煤灰成分/%SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OMnO2SO3P2O5煤灰熔融温度/℃DTSTHTFTZD19.0311.395.710.7925.624.10.514.890.0723.450.051 3301 3301 3401 340WD58.0919.236.381.025.932.171.881.560.13.550.191 1901 2701 2801 310

由表1、2可知:与乌东煤及内地典型烟煤和褐煤相比,准东煤属于低灰、低硫和高发热量优质煤,但煤灰CaO、NaO等碱性氧化物以及SO3含量明显偏高;SiO2和Al2O3等酸性氧化物含量偏低。为研究准东煤与乌东煤混煤燃烧与结渣特性,混煤样品中准东煤质量配比为:0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。

1.2 热重分析

采用德国耐驰生产的同步热分析仪(NETZSCH,STA 449F3)进行不同样品的热重分析试验。试验条件:30 mg样品平铺于平盘坩埚中,在100 mL/min空气气氛下,先从室温升至30 ℃停留5 min待仪器稳定后,以20 ℃/min的升温速率程序升温至1 000 ℃,试验结束后获得煤样燃烧TG-DTG曲线。

2 结果与讨论

2.1 混煤燃烧特性

采用热重分析仪获得不同准东煤配比混煤燃烧TG和DTG曲线,部分配比(0、30%、50%、80%和100%)下TG和DTG曲线如图1所示。煤在热重条件下燃烧经历阶段[13]:水分蒸发,挥发分析出与燃烧,固定碳燃烧。其中挥发分和固定碳燃烧段的DTG曲线会出现明显的特征峰。由图1可知:准东煤和乌东煤挥发分和固定碳燃烧段DTG曲线上有一个单峰,而准东煤配比为30%和80%时混煤燃烧段DTG曲线有2个峰,这是混煤燃烧特征[14],但准东煤配比为50%时多峰特征并不明显。另外,随准东煤配比增加,混煤燃烧TG和DTG曲线向低温区移动,DTG曲线特征峰更明显。

图1 不同准东煤配比的混煤燃烧TG和DTG曲线
Fig.1 TG and DTG curves of blended coal combustion with different ratio of Zhundong coal

图2 不同准东煤配比的混煤燃烧特征温度和最大燃烧速率变化
Fig.2 Change of characteristic temperature and maximum combustionrate of blended coal combustion with different proportion of Zhundong coal

依据GB/T 33304—2016《煤炭燃烧特性试验方法热重分析法》可从燃烧TG-DTG曲线上获得燃烧特征参数[15]着火温度(Ti)、燃尽温度(Tf)、最大燃烧速率(Vp)、最大燃烧速率温度(Tp)和平均燃烧速率(V)。不同准东煤配比混煤燃烧特征温度和最大燃烧速率变化如图2所示。明显双峰特征的混煤燃烧有2个最大燃烧速率温度和最大燃烧速率值,即图2所示的peak 1和peak 2。

由图2可知,准东煤的着火温度、燃尽温度和最大燃烧速率温度分别为408、490和554 ℃,最大燃烧速率为10.72%/min。相比乌东煤,准东煤具有更低的特征温度(着火温度、最大燃烧速率温度和燃尽温度)和更高的最大燃烧速率。随着准东煤配比增加,混煤燃烧特征温度呈现降低趋势,与图1中TG和DTG曲线位置变化趋势一致;而最大燃烧速率则呈现先降低后升高的趋势,最大燃烧速率降低的混煤DTG曲线具有明显的双峰特征。除上述燃烧特征参数外,学者还采用燃烧可燃性指数(Cb)、稳燃性指数(G)和综合燃烧特性指数(S)等指标评价煤炭燃烧特性[16],这些指标通过上述特征参数计算,且变化趋势一致,因此本文仅选用综合燃烧特性指数S评价不同准东煤配比下混煤燃烧特性,计算公式见式(1)。S可全面反映混煤综合燃烧情况,S值越大说明着火性能和燃尽性能越好[17]

(1)

式中,S为燃烧特性指数;(dw/dt)max为最大燃烧速率;(dw/dt)mean为平均速率;Ti为着火温度;Tf为燃尽温度。

不同准东煤配比的混煤综合燃烧特性指数变化如图3所示。由图3可知,随准东煤配比增加,综合燃烧特性指数呈现先降低后增加的趋势,与最大燃烧速率变化趋势一致。

2.2 混煤煤灰特性变化规律

2.2.1 煤灰成分

不同准东煤配比下煤灰变化见表3。可知随准东煤配比增加,灰分逐渐降低,CaO、Na2O和SO3等碱性氧化物增加,结渣与沾污倾向性增加。当混煤电厂处于高负荷工况(准东煤配比为60%)时,灰分为12.77%,CaO、Na2O和SO3含量分别为10.70%、2.37%和8.38%;低负荷(准东煤配比为70%)时,灰分为10.87%,CaO、Na2O和SO3含量分别为12.48%、2.67%和10.17%。

图3 不同准东煤配比的混煤综合燃烧特性指数变化
Fig.3 Change of comprehensive combustion characteristics of coal with blending ratios

表3 不同准东煤配比下煤灰成分

Table 3 Ash composition with different proportion of Zhundong coal

准东煤配比/%Ad/%煤灰成分/%SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OMnO2SO3P2O5024.1858.0919.236.381.025.932.171.881.560.103.550.191022.2857.1919.056.361.016.392.211.851.640.104.010.192020.3856.1118.836.351.016.932.271.811.730.104.560.183018.4754.8218.576.321.007.582.331.771.840.105.220.184016.5753.2318.256.300.998.382.411.711.970.106.030.175014.6751.2217.856.260.989.392.511.642.150.097.050.176012.7748.6217.336.220.9610.702.641.552.370.098.380.167010.8745.1116.626.160.9412.482.811.422.670.0910.170.14808.9640.1015.626.070.9115.003.061.253.090.0912.710.13907.0632.4014.075.940.8718.883.440.983.750.0816.640.101005.1619.0311.395.710.7925.624.100.514.890.0723.450.05

2.2.2 煤灰熔融特性

煤灰熔融温度是电站锅炉煤质沾污和结渣重要评判指标之一。不同准东煤配比下煤灰熔融温度变化如图4所示。由图4可知,实践表明准东煤具有严重的结渣与沾污倾向性,但准东煤煤灰熔融温度比乌东煤高。这与孟建强[18]研究结论吻合,部分准东煤灰熔融性温度较高,但仍在锅炉燃烧过程中表现出了严重结渣性,这是由于准东煤灰成分中CaO(单体灰熔融温度高达2 590 ℃)等高熔点碱性氧化物含量较高,导致所测灰熔融温度较高。实际燃烧过程中CaO和Na2O会与SO3、SiO2等反应生成低温共熔化合物,具有严重结渣特性。另外,随着更高煤灰熔融温度的准东煤配比增加,混煤灰熔融温度并未升高,而是呈明显降低的变化趋势。

图4 不同准东煤配比下煤灰熔融温度变化
Fig.4 Change of ash fusion temperature of coal with
different blended ratios

2.3 混煤结渣与沾污特性

2.3.1 结渣特性评价指标

准确判别煤种燃烧过程中结渣与沾污倾向性对确定锅炉尺寸、受热面布置及吹灰系统的选择和布置具有重要意义。目前常用的评价指标主要基于煤灰熔融温度和煤灰成分确定。依据煤灰熔融温度确定的评价指标有特征温度指标(ST或DT)、特征温度差值(DT-ST)和沉积指数指标[19-20];依据煤灰成分确定的评价指标有碱酸比、硅铝比、硅比、铁钙比、煤中钠当量、氧化钠含量、硫分结渣指数、灰成分综合指数等;近年来引入的新指标还有黏度指数、针入度和灰分沉积百分比等指标。煤燃烧结渣与沾污倾向性评价指标见表4。

表4 煤燃烧结渣与沾污倾向性评价指标

Table 4 Evaluation index of slagging and fouling tendency of coal combustion

评价指标类型指标计算或测试方法判断依据结渣倾向煤灰熔融温度/℃变形温度(DT)国标法(GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》)软化温度(ST)国标法(GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》)沉积指数FsFs=(4DT+FT)/5特征温度差值(ASME标准)FT-DT>1 289不易1 108~1 288中等<1 107严重>1 390不易1 260~1 390中等<1 260严重<1 325严重1 325~1 505较严重1 505~1 615中等>1 615轻微<149易>149不易煤灰成分碱酸比(B/A)(Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O)/(SiO2+Al2O3+TiO2)硅铝比SiO2/Al2O3硅比GG=(SiO2×100)/(Fe2O3+CaO+MgO+SiO2)铁钙比Fe2O3/CaO<0.206低0.206~0.400中>0.400高<1.87轻微1.87~2.65中等>2.65严重>72轻微65~72中等<65严重<0.3不结渣0.3~3.0严重结渣>3.0不结渣

续表

评价指标类型指标计算或测试方法判断依据结渣倾向煤灰成分煤中钠当量Na2O=(Na2O+0.659Na2O) ×Ad/100氧化钠含量(Na2O)褐煤灰[SiO2<(Fe2O3+CaO)]硫分结渣指数RsRs=B/A×St,d灰成分综合指数RzRz=1.24B/A+0.28SiO2/Al2O3-0.002 3ST-0.019G+5.4<0.30低0.30~0.45中0.45~0.60高>0.60严重<2.0低2.0~6.0中6.0~8.0高>8.0严重<0.6轻微0.6~2.0中等2.0~2.6较强>2.6严重<1.5低1.5~2.5中>2.5高

2.3.2 基于煤灰成分的混煤结渣与沾污特性

灰成分结果表明准东煤灰CaO、Na2O和SO3等碱性氧化物含量较高,而Al2O3和SiO2等酸性氧化含量远低于其他煤种,因此基于煤灰成分评价指标中若仅考虑Al2O3和SiO2,或忽略CaO、Na2O和SO3含量对准东煤结渣与沾污倾向性的适用性均较差,如硅铝比、硅比、铁钙比、煤中钠当量和氧化钠含量等指标未能准确预测准东煤结渣特性。另外,对其他煤种适应性较好的硅铝比指标用于评价准东煤及其混煤结渣与沾污倾向性并不合理。准东煤硅铝比为1.67,依据表1判断属于轻微结渣煤种;而乌东煤硅铝比为3.02,依据表1属于严重结渣煤种,显然与实际情况不符。而碱酸比、硫分结渣指数和灰成分综合指数等指标则考虑了CaO、Na2O、Al2O3和SiO2等准东煤中含量较高的煤灰成分,用于判断准东煤与乌东煤混煤结渣与沾污倾向性较为准确。

不同准东煤配比下结渣与沾污指数如图5所示。可知碱酸比、硫分结渣指数和灰成分综合指数随准东煤配比增加均呈逐渐增大,即结渣与沾污倾向性增强;而硅铝比随准东煤配比增加呈现降低趋势,表明结渣性减弱,与实际不吻合。依据碱酸比指标,准东煤配比小于70%时属于中等结渣与沾污水平,配比大于70%时呈强结渣倾向性,与目前锅炉准东煤燃烧实际情况相吻合。硫分结渣指数突出了全硫(St,d)权重,而准东煤中全硫仅为0.45%,依据硫分结渣指数,不同配比下的混煤均只有轻微结渣,这与事实不符。灰成分综合指数突出了硅铝比的权重,依据该指标所有配比下的混煤均呈严重结渣倾向性,也与事实不吻合。综上所述,基于煤灰成分的碱酸比是判别准东煤及其混煤结渣与沾污倾向性的理想指标。

图5 不同准东煤配比下结渣与沾污指数
Fig 5 Slagging and fouling tendency under different proportion of Zhundong coal

2.3.3 基于煤灰熔融温度的混煤结渣与沾污特性

准东煤特殊的煤灰成分决定了灰熔融温度较高,但具有严重的结渣倾向性,特征温度(ST或DT)和沉积指数等指标用于判别准东煤结渣与沾污特性适用性较差。由图4可知,较高灰熔融温度的准东煤4个特征温度(DT、ST、HT、FT)接近,即特征温度差值(FT-DT)较低,属极易结渣类型。随准东煤配比增加,混煤灰熔融特征温度呈下降趋势,且FT与DT差值逐渐减小,结渣与沾污倾向性增强。因此基于煤灰熔融温度的特征温度差值(FT-DT)也是判别准东煤及其混煤结渣与沾污倾向性的合适指标。

3 结 论

1)随准东煤配比增加,混煤燃烧TG和DTG曲线向低温区移动,DTG曲线特征峰更明显,混煤燃烧特征温度(着火温度、最大燃烧速率温度和燃尽温度)逐渐降低,最大燃烧速率与综合燃烧特性指数则先降低后升高。

2)随准东煤配比增加,混煤灰分逐渐降低,CaO、Na2O和SO3等增加,结渣与沾污倾向性增加。准东煤灰熔融温度高于乌东煤,但随准东煤配比增加,混煤灰熔融温度呈明显降低趋势。准东煤硅铝比为1.67,而乌东煤硅铝比为3.02,判断结渣倾向性与事实不吻合。

3)燃烧结渣与沾污倾向指标主要有基于煤灰成分和基于煤灰熔融温度的指标,以及黏度指数、针入度和灰分沉积百分比等指标。其中基于煤灰成分的碱酸比以及基于煤灰熔融温度的特征温度差值(FT-DT)是判别准东煤及其混煤结渣与沾污倾向性的理想指标。

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