不同氣氛下煤灰中鐵含量對(duì)灰熔融特性影響研究

殷志源，項(xiàng)群揚(yáng),竺浩煒

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

0 前 言

在鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和相關(guān)政策的多重壓力下，由于煤種復(fù)雜多變，越來越多的燃煤電廠采用配煤摻燒技術(shù)，配煤的灰熔融特性是評(píng)判動(dòng)力用煤沾污、結(jié)渣以及選擇不同排渣方式的重要指標(biāo)，尤其是配煤的軟化溫度與其結(jié)渣特性息息相關(guān)[1，2]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)測(cè)單一煤灰的熔融溫度進(jìn)行的研究工作較多，并取得了較好的成果，其預(yù)測(cè)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(xué)組成含量或含量之間的某種比值建立數(shù)學(xué)關(guān)系，采用回歸分析、最小二乘法、偏最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法確定預(yù)測(cè)關(guān)系式中的常數(shù);② 通過相圖、完全液相溫度等具有化學(xué)意義的介質(zhì)，建立煤灰熔融性溫度與化學(xué)組成的關(guān)系，進(jìn)而確定預(yù)測(cè)灰熔性溫度的方法[3-6]。其它預(yù)測(cè)方法有從原煤中礦物相組成和含量出發(fā)，進(jìn)而建立灰熔融溫度與原煤中礦物相組成之間的函數(shù)關(guān)系[7]。相關(guān)的灰熔融溫度預(yù)測(cè)模型均可在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中查閱，更多基于煤灰熔融溫度和煤灰成分之間的關(guān)系研究，以及針對(duì)國(guó)標(biāo)方法氧化性氣氛和弱還原性氣氛對(duì)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(duì)氣氛對(duì)灰熔融溫度的影響，一般認(rèn)為與灰成分中的鐵以及鈣鎂含量有關(guān)，其中由于煤灰中鐵元素在不同氣氛下存在不同的形態(tài)(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(duì)灰熔融溫度的影響也不同。

以下在國(guó)標(biāo)封碳法、燃煤鍋爐氧化性氣氛和燃煤鍋爐強(qiáng)還原性氣氛3種氣氛下研究煤灰成分中鐵含量對(duì)煤灰熔融溫度的影響，并給出相應(yīng)的計(jì)算關(guān)系式，以此作為對(duì)傳統(tǒng)灰熔融溫度預(yù)測(cè)模型的有效補(bǔ)充。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

搭建1套氣氛可調(diào)節(jié)的煤灰熔融特性測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，主要包括氣瓶組、質(zhì)量流量控制器和5E-AF4000灰熔融性測(cè)定儀；氣瓶組由4個(gè)氣瓶組成，分別為N2、O2、CO2和CO氣瓶，通過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)不同的氣體的流量來實(shí)現(xiàn)不同的氣體配比。

圖1 氣氛可調(diào)節(jié)的煤灰熔融特性測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)開始前打開氣瓶，通過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)氣體流量，通氣總流量為500 mL/min；配氣通過灰熔性溫度測(cè)試裝置后可通入煙氣分析儀監(jiān)測(cè)實(shí)際煙氣成分。試驗(yàn)期間，配氣持續(xù)通入，保持測(cè)試裝置內(nèi)的氣氛恒定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 氣氛條件設(shè)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(jì)占20%左右。根據(jù)低氮燃燒改造后鍋爐主燃區(qū)煙氣中CO含量分布范圍[10，11]，設(shè)計(jì)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(cè)定方法》里規(guī)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(qū)的強(qiáng)還原性氣氛狀態(tài)；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(yàn)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(yàn)煤種的灰成分分析

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

表2 試驗(yàn)煤種的主要煤質(zhì)參數(shù)

項(xiàng)目工業(yè)分析/%MadAdVdaf高位發(fā)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(jié)果)見表3。煤灰中酸性成分多會(huì)使煤的灰熔融溫度增高，因此灰成分的結(jié)渣指標(biāo)可通過堿酸比B/A來判斷，由式(1)計(jì)算可得。該煤種的酸堿比為0.297，屬于輕微結(jié)渣煤種。

(1)

表3 試驗(yàn)煤種的灰成分分析結(jié)果

%

2.3 不同氣氛下煤灰熔融溫度測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(guān)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(guān)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(shí)際氧化性氣氛)、氣氛5(N2∶CO2∶CO=80∶5∶15，模擬鍋爐實(shí)際還原性氣氛)；3種氣氛中封碳法為常規(guī)測(cè)試方法，氣氛還原性最強(qiáng)，而后2種氣氛更接近于大型燃煤鍋爐主燃區(qū)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。其中氣氛2為弱氧化性氣氛，接近于大型燃煤鍋爐原有運(yùn)行狀態(tài)；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(qū)域運(yùn)行狀態(tài)。

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(guān)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(guān)系

由以上可看出，不同氣氛下ST和DT的變化趨勢(shì)基本一致。以ST的變化規(guī)律為例，當(dāng)氧化鐵含量低于10%時(shí)，3種氣氛之間的熔融溫度差異相對(duì)較?。划?dāng)氧化鐵含量升高時(shí)，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(yù)測(cè)模型

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)可計(jì)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(shù)關(guān)系為:y=-43+12.84x-0.110 9x2， 可根據(jù)該關(guān)系式評(píng)估鍋爐氣氛從氧化性氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原性氣氛后灰熔融溫度的下降情況，以此作為對(duì)灰熔融溫度常規(guī)預(yù)測(cè)模型的補(bǔ)充。

3 結(jié) 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(qiáng)相關(guān)性。當(dāng)氧化鐵含量大于10%時(shí)，隨著氧化鐵含量升高，在強(qiáng)還原性氣氛下熔融溫度下降明顯。

(2)通過實(shí)驗(yàn)研究并經(jīng)數(shù)據(jù)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(shù)關(guān)系為y=-0.110 9x2+12.84x-43，可將其作為對(duì)灰熔融溫度常規(guī)預(yù)測(cè)模型的補(bǔ)充。