混煤燃烧结渣性研究
时间：2021-12-11 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★洁净利用与深加工★
混煤燃烧结渣性研究
受到燃烧煤种的限制，燃用混煤的电站锅炉越来越多，由此造成的结渣问题日益突出，严重影响到电站锅炉系统的安全正常运行［1］。因此，对燃烧混煤的工业锅炉炉膛结渣情况进行分析预报迫在眉睫。煤的结渣性无论是对用煤单位还是对设计部门都是重要的参考指标，对煤的加工利用效率有着很重要的实际意义［2］。煤的结渣性是反映煤灰在气化或者燃烧过程中成渣的特性，用结渣率来判断煤在气化或燃烧过程中结渣的难易程度［3］。试验表明混煤是减小易结渣煤结渣率的有效手段之一。
陕北神木煤煤质优良，深受市场追捧，但神木煤大都灰熔点较低，用于锅炉燃烧时易结渣，直接影响其适用范围［4］。单煤的结渣性前人已有研究［5］，因此本次试验采用了神木聚龙煤（1#）、神木榆家梁煤（2#）和子长禾草沟煤（3#）这3种结渣率不同的陕北煤，按照不同比例进行混合，通过模拟工业发生炉的反应条件来评价混煤结渣性的强弱，并利用XRD对混煤降低结渣率的机理进行初步分析。
1 试验部分
1.1 试验方法
将煤样破碎后放于JF-100-1A制样粉碎机中粉碎，在振筛机上筛出3～6 mm粒度的煤样备用。取100 g制好的不同混合比的煤样放入JZX-2型煤结渣性测定仪中，每个试样均在空气流量分别为2 m3/h、4 m3/h和6 m3/h这3种鼓风强度下进行2次重复测定。
原煤灰和混煤灰的矿物组成采用XRD-7000型X-射线粉末衍射仪测定，测试条件为：Cu-Kɑ源，管电压为36 kV，管电流为100 mA。
煤灰的组成采用电感耦合等离子体原子发射光谱法分析，利用JRHF-3型微机灰熔点测定仪测定煤灰软化温度S T，结果见表1所示。
表1 试验用煤煤灰的化学组成及软化温度S T
样品Si O2/%Al2O3/%Fe2O3/%CaO/%Mg O/%K2O/%Na2O/%SO3/%S T/℃1#35.91 36.40 3.12 10.68 3.12 1.23 0.82 3.88 1382 2#38.73 20.72 9.97 14.77 2.28 2.17 1.65 5.8 1139 3#33.71 37.83 2.28 9.30 2.92 2.30 1.80 2.95 1433
由表1可以看出，3种煤灰的化学组成各不相同，高温燃烧时煤的矿物组成也发生了变化，导致各种煤的熔融温度不同，其结渣性也不同［6］。
1.2 煤的结渣性判别指标及结渣强度
判断煤灰结渣性的常用指标有S T（煤灰的软化温度）、J（碱酸比）、H（铁钙比）以及E（硅铝比）［7］等。煤结渣性判别标准见表2。
表2 煤结渣性判别标准
结渣程度S T/℃J H E严重 ＜1260＞0.4＜0.3＞2.8中等1260～1390 0.206～0.4 0.3～3 1.7～2.8轻微 ＞1390＜0.206＞3＜1.7
结渣率的定义为在一定的鼓风强度下使待测煤样气化，煤中灰分熔融结渣后大于6 mm粒度的渣块质量m1占总灰渣质量m的百分数［5］。工业上常常利用结渣率判断动力用煤结渣的难易程度。根据煤的结渣程度，将煤的结渣强度分为强结渣区、中等结渣区、弱结渣区［7］。结渣性强度区域如图1所示。
2 结果与讨论
2.1 单煤的结渣性
根据表1计算得到的3种单煤的结渣性判别指标见表3。
由表3可以看出，1#煤的煤灰软化温度S T为1382℃，其值在1260℃～1390℃范围内，可看出1#煤种属中等结渣煤；其碱酸比J为0.26，介于0.206～0.4之间，结渣程度中等，想要降低煤的结渣性，可以加入Si和Al含量较大的煤，使其碱酸比下降，从而降低结渣强度；铁钙比H为0.29，小于0.3，结渣性强，一般铁钙比H越小，煤灰熔融特征温度越低，煤就越容易结渣；硅铝比E为0.99，低于1.7，属于轻微结焦性。
图1 结渣性强度区域
表3 3种单煤的结渣性指标
煤种S T/℃J H E 1#1382 0.26 0.29 0.99 2#1139 0.52 0.68 1.87 3#1433 0.22 0.89 0.25
2#煤的煤灰软化温度S T低于1260℃，从煤灰的灰熔点来看，煤灰熔融温度越低，导致煤种越容易结渣；碱酸比J为0.52，大于0.4，说明该煤种结渣情况严重，添加SiO2及Al2 O3含量高的煤种，就会导致原煤的碱酸比降低，这样原煤的结渣程度就会下降；铁钙比H为0.68，位于0.3～3中间，结渣中等；硅铝比E为1.87，处于1.7～2.8中间，结渣程度为中等。
3#煤的煤灰软化温度S T为1433℃，低于1390℃，从S T判断可知3#煤的结渣性小；碱酸比J为0.22，位于0.206～0.4之间，结渣程度中等；铁钙比H为0.25＜0.3，可得3#煤结渣性小；硅铝比E为0.89，在小于1.7的范围内，结渣性小。
用煤结渣判别指标得出的3种单煤结渣倾向见表4。
表4 3种单煤结渣倾向
煤种S T J H E 1#中等 中等 轻微 轻微2#严重 严重 中等 中等3#轻微 中等 轻微 轻微
根据前述的试验方法，模拟工业发生炉的反应条件得出单煤的结渣性，3种单煤的结渣率见表5。
表5 3种单煤的结渣率
1#2#3#S/（m·s-1）结渣率/%平均结渣率/%S/（m·s-1）结渣率/%平均结渣率/%S/（m·s-1）结渣率/%平均结渣率/%00..11 99..12 0 0 9.15 0 0..11 55 79..00 0 0 58.00 0 0..11 23..90 6 4 3.00 00..2 2 1 90..97 0 0 10.3 0 0..22 55 88..00 0 4 58.02 0 0..22 33..22 4 8 3.26 00..3 3 1 90..80 0 0 9.9 0 0..33 78 80..00 0 0 79.00 0 0..33 33..79 0 0 3.80
由表5可以看出，随着鼓风强度的增加，3种单煤的结渣率增大，1#煤和3#煤处于弱结渣区，2#煤位于结渣严重区。对比表4可以看出由S T、J、H、E可以判别煤的结渣强弱，结渣性的强弱除了煤自身的因素以外，外在因素鼓风的强度、气压的大小、燃烧时间的长短等对煤的结渣性也有一定的影响。混煤可以降低高结渣性煤的结渣性，扩大煤的使用范围。
2.2 混煤的结渣性
2.2.1 1#煤和2#煤混合结渣性分析
为了降低2#煤的结渣率，将1#煤和2#煤分别按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例进行混合，试验结果见表6～表9。
表6 1#煤和2#煤按照2∶8的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 76 22 33..11 36 55 81 66..32 90 66 60 45 91..00 0 0 50.00 00..22 55 82 33..16 23 42 08 65..19 12 36 63 56 11..13 0 0 51.20 1149 00..33 44 45 33..57 71 37 49 55..32 39 36 51 67 70..02 0 0 68.60
表7 1#煤和2#煤按照4∶6的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 67 92 22..77 30 13 22 66..87 25 81 13 44 00..00 0 4 40.02 00..22 55 85 22..01 63 40 74 55..10 50 56 49 44 02..05 5 5 41.30 1225 00..33 44 55 33..10 28 53 59 55..64 80 22 88 55 57..00 0 8 56.04
表8 1#煤和2#煤按照6∶4的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 77 37 22..22 64 93 89 76..09 98 36 10 33 22..01 0 2 32.06 00..22 66 12 11..99 79 69 32 66..10 39 75 61 33 22..2 80 0 32.60 1303 00..33 55 31 22..25 91 71 73 55..63 32 10 66 44 07..82 0 0 44.00
表9 1#煤和2#煤按照8∶2的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 66 60 11..11 88 67 65 77..30 26 4 82 5 11 66..28 0 0 16.60 00..22 55 10 11..21 08 51 87 66..75 32 68 29 11 78..91 0 0 18.00 1351 00..33 44 12 11..66 11 83 39 66..20 22 41 39 22 66..08 0 0 26.40
由表6～表9可以看出，混煤的结渣率随着鼓风强度的增大而增大，混煤中随着1#煤煤量的增加和2#煤煤量的减小，S T逐渐升高，混煤的结渣率下降，结渣率处在1#煤和2#煤之间。当1#煤与2#煤比例为4∶6时，混煤的结渣率显著降低，这是由于2#煤含Fe较多，添加含Fe少的煤种可以使2#煤
的结渣强度减小。
2.2.2 2#煤和3#煤混合结渣性分析
将结渣严重的2#煤与不易结渣的3#煤分别按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例进行混合，试验结果见表10～表13。
表10 2#和3#按照2：8的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 77 70 00..11 99 05 6 1 2 3..09 75 56 29 66..26 0 0 6.40 00..22 66 35 00..22 76 18 12 33..53 29 1 52 6 77..79 0 0 7.80 1392 00..33 54 49 00..44 89 24 71 33..98 29 4 06 5 11 22..37 0 0 12.50
表11 2#和3#按照4：6的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 66 39 00..55 86 83 70 33..96 25 46 52 11 55..04 0 0 15.20 00..22 45 94 00..55 66 52 93 33..54 82 28 19 11 56..84 0 0 16.00 1345 00..33 44 93 00..99 62 12 01 33..32 80 31 99 22 88..48 0 0 28.60
由表10～表13可以看出，鼓风强度越大混煤的结渣率越大，随着2#煤量的增多和3#煤量的减少，S T逐渐降低，混煤的结渣性增强，结渣性在2#煤和3#煤中间，与相同比例的1#煤和2#煤的混煤比较，结渣性要小。这是由于3#煤的结渣率小于1#煤的结渣率。
表12 2#煤和3#煤按照6∶4的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 66 75 11..22 45 12 46 44..33 67 42 82 22 88..46 4 4 28.54 00..22 55 67 11..11 56 45 19 44..00 10 13 89 22 89..71 6 1 28.93 1299 00..33 44 63 11..55 64 51 46 33..77 60 70 93 44 11..56 4 6 41.60
表13 2#煤和3#煤按照8∶2的比例进行混合后的结渣数据
S/（m·s-1）t/min m 1/g m/g结渣率/%平均结渣率/%S T/℃00..11 66 16 11..77 65 94 11 44..33 51 50 85 44 00..66 1 9 40.65 00..22 55 45 11..89 94 89 53 44..65 00 40 02 44 13..2 31 3 42.65 1190 00..33 44 73 22..77 84 56 45 44..98 34 76 21 55 66..46 1 7 56.54
2.2.3 原煤煤灰矿物形态特征
为了进一步讨论煤灰在高温下的矿物转化及煤灰熔点与燃煤结渣性的关系，分别测定了3种煤样在成灰温度在815℃下的XRD图像如图2所示。
由图2可以看出，煤灰的组成较为复杂，由多种矿物质组成。在815℃下，1#煤灰中主要有方解石（C）、赤铁矿（H）、钙长石（An）等矿物质；2#煤灰主要有石英石（Q）、硬石膏（A）等矿物质。3#煤灰中主要有石英石（Q）、赤铁矿（H）、硬石膏（A）、方解石（C）、莫来石（M）、黄铁矿（P）、霞石（N）、钠钙硅酸盐（R）等矿物质；3#煤灰中酸性矿物质石英石（Q）等的含量较多，碱性矿物质的含量少，故熔点高，与试验测得的熔融温度相符，3#煤灰熔融特征温度在试验所用煤中最高，结渣性最弱。
2.2.4 混煤煤灰矿物形态特征
在不同温度下煤灰的矿物质会发生转变，使煤灰的熔融温度发生变化进而改变煤的结渣性［8］，利用XRD讨论了成灰温度815℃的矿物组成后，为了解温度对煤灰矿物组成的影响，测定了在DT温度时1#煤与2#煤的不同配比条件下的XRD如图3所示。
由图3可以看出，1#煤与2#煤比例为2∶8和4∶6时，煤灰中主要含有钙长石及石英石等物质；1#煤与2#煤比例为6∶4时，煤灰中主要含有钙长石等物质；1#煤与2#煤比例为8∶2时，煤灰中主要组成有石英石、钙长石和钙铝黄长石等矿物质。
图2 3种煤样在815℃下的XRD图像
图3 DT温度时1#煤与2#煤在不同配比条件下的XRD
由图3不同配比的XRD可以看出，混煤中当2#煤量减少1#煤量增多时，混煤煤灰里钙长石及石英石的衍射峰减弱。对比1#和2#煤灰的XRD图，2#煤灰组成中钙长石的衍射峰比1#煤灰中的强，所以当混煤里1#煤量增加时，钙长石的衍射峰会变弱。在熔融温度下，煤灰中的各种矿物质会发生化学反应生成新的低熔点矿物质。所以，混煤中2#煤含量降低时，混煤煤灰的熔融温度升高，结渣率下降。
3 结论
（1）混煤能有效降低高结渣煤的结渣率，当1#煤与2#煤为4∶6时混煤的结渣率显著降低，同比例的3#煤与2#煤混合效果更佳。
（2）当系统压力一定时，混煤的结渣率随鼓风强度的增加而增加。
（3）混煤降低结渣率的主要原因是混煤在燃烧过程中矿物形态发生了变化，生成了熔点较高的矿物质。
（4）混煤可以扩大锅炉用煤的适用范围，保证电站锅炉系统的安全正常运行。
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Study on the slagging property of mixed coal combustion
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