過量空氣系數(shù)對準(zhǔn)東煤結(jié)渣特性的影響

吳江全，孟建強(qiáng)，嚴(yán)泰森，吳士強(qiáng)，孫紹增，秦 明，趙義軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室，150001哈爾濱;2.中國船舶重工集團(tuán)公司，201108上海;3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院順德檢測院，528300廣東順德)

為安全利用準(zhǔn)東煤［1-2］，許多學(xué)者對準(zhǔn)東煤的特性進(jìn)行了相關(guān)研究.Zhu等［3］研究了準(zhǔn)東煤熱解焦的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征.王學(xué)斌等［4］研究了燃用準(zhǔn)東煤鍋爐中灰的沉積機(jī)理.郭烈錦等［5］研究了準(zhǔn)東煤超臨界水氣化動力學(xué)特征.Wang等［6］，Zhang等［7］研究了準(zhǔn)東煤燃燒過程中鈉的釋放和形態(tài)轉(zhuǎn)化.周浩等［8］研究了富氧燃燒條件下溫度對準(zhǔn)東煤灰燒結(jié)特性的影響.楊忠燦等［9］結(jié)合燃燒試驗(yàn)臺中準(zhǔn)東煤的著火、燃盡、結(jié)渣等特性，提出準(zhǔn)東煤摻混燃燒及鍋爐選型的條件.趙慶慶等［10］對 4種典型的準(zhǔn)東煤樣添加 CaO、Al2O3、SiO2，利用SiO2-CaO-Al2O3三元系統(tǒng)相圖分析了準(zhǔn)東煤結(jié)渣傾向.周永剛等［11］采用沉降爐研究了不同溫度下準(zhǔn)東煤的結(jié)渣特性.

目前大容量電站煤粉鍋爐多采用空氣分級燃燒［12］，而空氣分級燃燒過程中爐內(nèi)的主燃區(qū)處于低過量空氣系數(shù)，為還原氣氛，易出現(xiàn)煤粉結(jié)渣.關(guān)于空氣分級對準(zhǔn)東煤結(jié)渣特性的影響規(guī)律鮮有報道.

本文采用多反應(yīng)控制段攜帶流反應(yīng)器EFRM(Entrained Flow Reactor with Multiple Reaction Segment)實(shí)驗(yàn)臺，布置多個空氣對沖噴口，模擬真實(shí)鍋爐中的空氣分級燃燒情況，研究在不同過量空氣系數(shù)條件下，準(zhǔn)東煤的高溫熔融特性，并采用XRD(X-ray diffraction)與SEM-EDX(Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析灰渣在高溫條件下的熔融特性與微觀形貌.為改善燃用準(zhǔn)東煤的鍋爐空氣分級條件下結(jié)渣情況提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣及特性

本實(shí)驗(yàn)研究煤種為新疆準(zhǔn)東煤，平均粒徑為75μm.表1為準(zhǔn)東煤的煤種特性，由表1可知，準(zhǔn)東煤灰中二氧化硅和氧化鋁含量較一般煤種低，鈉含量明顯高于一般煤種，且氧化鐵和氧化鈣含量較高.在還原性氣氛下，實(shí)測煤灰熔點(diǎn)為1 200℃，軟化溫度為1 215℃，半球溫度為1 220℃，流動溫度為1 226℃.

表1 準(zhǔn)東煤煤種特性%

1.2EFRM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺采用多反應(yīng)控制段攜帶流反應(yīng)器EFRM，其結(jié)構(gòu)如圖1.EFRM由爐體、控溫系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)，采樣分析系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)等組成.爐膛內(nèi)徑為175 mm，總長3 100 mm，爐膛加熱區(qū)長2 700 mm，采用硅鉬棒分7段加熱，最高加熱溫度為1 650℃，最大功率為69 kW.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)詳細(xì)介紹見文獻(xiàn)［13］.本文選定爐膛溫度不變，考察主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對準(zhǔn)東煤結(jié)渣特性的影響.根據(jù)準(zhǔn)東煤灰熔點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中爐膛溫度選取1 250 ℃.主燃區(qū)過量空氣系數(shù)控制在 0.7、0.8、0.9、1.0，燃盡區(qū)過量空氣系數(shù)選取 1.2 保持不變，主燃區(qū)停留時間 1.0 s，燃盡區(qū)停留時間 1.5 s.為對比研究空氣分級燃燒的效果，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置原始工況(空氣不分級)過量空氣系數(shù)為1.2，總停留時間2.5 s.取渣位置在空氣分級燃燒條件下選取主燃區(qū)停留時間0.9 s處，原始工況選取停留時間2.5 s處.

圖1 EFRM整體示意

實(shí)驗(yàn)時，當(dāng)爐內(nèi)溫度、氣氛環(huán)境(保證尾部含氧量在體積分?jǐn)?shù)為3.55%左右)達(dá)到設(shè)定工況參數(shù)并且能夠穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，將結(jié)渣棒(硅碳棒)從爐底沿軸向垂直插入攜帶流反應(yīng)器爐膛中，這樣能夠使結(jié)渣棒的取樣面與煙氣方向垂直，避免由于自然堆積作用對灰樣的取樣造成影響.采用SEM-EDX和XRD分別對灰渣表面微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)和灰渣中礦物質(zhì)在高溫條件下的熔融特性進(jìn)行分析.SEM-EDX采用德國蔡司公司Zeiss EVO08型掃描電鏡，X射線能譜儀與掃描電鏡聯(lián)用，型號Oxford INCA，分辨率129 eV，試樣噴鍍儀采用J型離子濺射儀.XRD分析采用日本理學(xué)(Rigaku)公司的D/max 2200全自動X射線衍射儀，采用階梯掃描方式，Cu Kα衍射，功率12 kW，操作電壓40 kV，操作電流30 mA，掃描速率4(°)/min，掃面角度 2θ為 10°～80°.

2 結(jié)果及分析

2.1 燃盡率分析

采用等速取樣的方法在EFRM實(shí)驗(yàn)臺上對各工況尾部點(diǎn)(煤粉停留時間為2.5 s處)位置進(jìn)行取灰，由于準(zhǔn)東煤灰分較低，為了滿足分析所需灰量，每個取灰工況穩(wěn)定運(yùn)行40 min后進(jìn)行取灰.對所取灰樣干燥后利用馬弗爐在815℃條件下燒灰、稱重，計算燃盡率:

式中:A0為原煤中干燥基灰分(質(zhì)量分?jǐn)?shù));A為所取灰樣中干燥基所含灰分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，結(jié)果如表2.

表2 燃盡率分析匯總

由表2可知，所有工況的燃盡率均能達(dá)到99%以上.空氣分級燃燒條件下，過量空氣系數(shù)α為0.9與1.0時燃盡率變化幅度很小，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)從0.7到1.0之間燃盡率總體趨勢降低，降幅為0.3%.

2.2 結(jié)渣特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先對所有工況中結(jié)渣棒上取得的渣樣進(jìn)行宏觀形貌特性分析，比較其隨主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律.取得的渣樣如圖2(a)～(e)所示.

圖2 各工況下渣樣宏觀形貌

原始工況α=1.2時，總停留時間2.5 s處結(jié)渣情況如圖2(a)所示，灰渣顏色變黑，質(zhì)地變硬，灰渣完全熔融粘聚在一起的量增多，上面分布的孔隙變大.過量空氣系數(shù)α=0.7時，如圖2(b)所示，灰渣完全融化成致密的釉質(zhì)，全部呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，結(jié)渣顏色呈黑色發(fā)亮，十分堅硬，表面光滑，有明顯灰渣流動后凝固的痕跡，為實(shí)心體，無孔隙分布.過量空氣系數(shù)α=0.8時，如圖2(c)所示，與α=0.7時相比完全熔融狀態(tài)的堅硬灰渣量減少，熔融狀態(tài)的灰渣仍然呈黑色，外部渣層較硬，渣層內(nèi)部為空心，結(jié)渣棒內(nèi)部出現(xiàn)未完全融化的灰渣，上面分布一些尺寸較小的孔隙.過量空氣系數(shù)α=0.9時，如圖2(d)所示，只能看到少量顏色發(fā)黑完全熔融狀態(tài)的灰渣，其余均為質(zhì)地較致密顏色較淺未完全融化的渣質(zhì)，灰渣粘聚在一起，結(jié)渣棒上灰渣較厚，在灰渣的內(nèi)部分布著不均勻的氣泡孔隙.過量空氣系數(shù)α=1.0時，如圖2(e)所示，只收集到一層非常薄而致密的渣層，其間分布著一些氣泡孔隙，孔隙變大變多，出現(xiàn)極少量完全融化狀態(tài)的灰渣，并且有少部分灰渣顏色變?yōu)楹谏?，大部分為白?可見，隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的增大，準(zhǔn)東煤在主燃區(qū)還原性氣氛中的結(jié)渣特性有所緩解，顏色逐漸變淺，灰渣量逐漸變少.

為了進(jìn)一步研究煤中礦物質(zhì)高溫條件下的熔融特性，利用SEM-EDX分析灰渣表面微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)［14］.各工況取得渣樣的SEM-EDX分析如圖3～7所示，選取掃描電鏡圖片的放大倍數(shù)為1 000倍.

原始工況條件下的SEM-EDX分析如圖3所示，灰渣已經(jīng)完全熔融燒結(jié)，微觀形貌為形狀不規(guī)則的致密表面，沒有完全形成平面，表面沒有縫隙，能夠觀察到灰渣熔融過程中形成的條紋狀晶體結(jié)構(gòu)，灰渣樣品表面分布一些大小為2～20μm的孔狀結(jié)構(gòu)及凹坑，并粘附有一些尺寸很小的細(xì)小顆粒，大部分＜2μm.

主燃區(qū)過量空氣系數(shù)α=0.7條件下的SEMEDX分析如圖4所示，灰渣熔融燒結(jié)程度非常嚴(yán)重，微觀形貌樣品表面完全熔融為致密的平面，非常光滑，玻璃化程度高，表面分布有一些尺寸較小凹坑以及＜1μm的孔狀結(jié)構(gòu)，表面粘附顆粒尺寸非常小，放大倍數(shù)為5 000倍時才可以看到，并且在該放大倍數(shù)條件下表面仍然為致密平面.

圖3 原始工況條件下的SEM-EDX分析

圖4 α=0.7條件下的SEM-EDX分析

主燃區(qū)過量空氣系數(shù)α=0.8條件下的SEMEDX分析如圖5所示，灰渣微觀形貌表面開始出現(xiàn)一些不規(guī)則形狀，不再完全都是平面，但是其中絕大部分仍然是燒結(jié)程度嚴(yán)重的致密平面，且表面分布的孔隙變大變多，粘附小顆粒尺寸變大，放大倍數(shù)為5 000倍時可以看出灰渣形成過程中析出的晶體結(jié)構(gòu).

圖5 α=0.8條件下的SEM-EDX分析

主燃區(qū)過量空氣系數(shù)α=0.9條件下的SEMEDX分析如圖6所示，灰渣微觀形貌表面變得更加不規(guī)則，但是仍然很致密，燒結(jié)程度嚴(yán)重，孔隙分布進(jìn)一步變大變多，粘附小顆粒增多，散落于渣樣表面上，放大倍數(shù)為5000倍時同樣可以觀察到灰渣形成過程中的不規(guī)則流動痕跡以及析出的晶體結(jié)構(gòu)，而不是形狀非常規(guī)則的平面.

圖6 α=0.9條件下的SEM-EDX分析

主燃區(qū)過量空氣系數(shù)α=1.0條件下的SEMEDX分析如圖7所示，灰渣微觀形貌表面絕大部分仍然是燒結(jié)程度嚴(yán)重的致密層，但是出現(xiàn)層狀堆積結(jié)構(gòu)，為大量小顆粒堆積在一起形成的大塊顆粒，放大倍數(shù)為5 000倍時能夠觀察到一些灰渣形成過程中表面所產(chǎn)生的絮狀結(jié)構(gòu).

圖7 α=1.0條件下的SEM-EDX分析

上述SEM分析表明，當(dāng)采用空氣分級燃燒時，在主燃區(qū)過量空氣數(shù)小于1區(qū)域處結(jié)渣程度較高，隨著過量空氣系數(shù)的增大燒結(jié)程度逐漸減輕，灰渣中未粘附在一起的小顆粒逐漸增多，孔隙逐漸增大增多，表現(xiàn)為結(jié)渣特性逐漸減輕.所有工況的灰粒絕大部分粘附形成大塊燒結(jié)體，均已形成結(jié)渣.

EDX分析均表明，灰渣中Si、Fe與Na富集明顯，Al含量較低.一般情況下，Al含量越高煤灰熔點(diǎn)越高，Al本身熔點(diǎn)較高，在灰渣中能夠起到“骨架”的作用，因此，Al含量較低使得結(jié)渣特性嚴(yán)重.Fe和Si在一些區(qū)域同時出現(xiàn)富集，說明準(zhǔn)東煤灰渣中的含鐵礦物質(zhì)主要是以硅酸鹽形式存在的.

煤粉燃燒時的結(jié)渣過程與煤中礦物質(zhì)的熔融變化過程息息相關(guān)，燃燒過程中的礦物質(zhì)變化極其復(fù)雜，對不同工況下取得的灰渣急冷干燥處理后進(jìn)行XRD分析，以研究準(zhǔn)東煤灰渣中礦物質(zhì)在高溫條件下的熔融特性.各過量空氣系數(shù)條件下XRD衍射圖譜如圖8(a)～(e)所示.

圖8 各過量空氣系數(shù)條件下準(zhǔn)東煤灰渣XRD衍射圖譜

在高溫、弱還原性氣氛條件下，煤灰中的Fe2O3會發(fā)生下列反應(yīng)［15］:

上述反應(yīng)式表明，在高溫、弱還原性氣氛條件下，煤灰中的 Fe2O3會反應(yīng)生成鐵橄欖石(2FeO·SiO2)、鐵鋁榴石(3FeO·Al2O3·3SiO2)、鐵尖晶石(FeO·Al2O3)以及斜鐵輝石(FeO·SiO2).這幾種晶相礦物質(zhì)中有的熔點(diǎn)本身很低，而且鐵的硅鋁酸鹽所組成的低溫共熔區(qū)內(nèi)有一個熔點(diǎn)很低的低溫共熔點(diǎn)，其熔點(diǎn)為1 083℃;同時它們還能與莫來石、鈣長石等熔點(diǎn)很高的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成低溫共熔體，從而加重結(jié)渣.從衍射圖譜中可以看出，隨著氣氛的不同，逐漸出現(xiàn)鐵的硅鋁酸鹽，促使結(jié)渣加重，表現(xiàn)為隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的減小，準(zhǔn)東煤結(jié)渣特性加重;與圖8(b)相比，圖8(c)和圖8(d)中6-鈣鐵榴石與13-鐵橄欖石的相對含量明顯增加，說明當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.7時，灰渣中組分種類已經(jīng)顯著減少，表明鐵的硅鋁酸鹽已經(jīng)部分形成低溫共熔體，表現(xiàn)為結(jié)渣嚴(yán)重.因此，氣氛不同時，準(zhǔn)東煤表現(xiàn)出來的結(jié)渣特性不同，主要是由于不同氣氛中Fe2O3的反應(yīng)不同所致.

3 結(jié)論

1)在多反應(yīng)控制段攜帶流反應(yīng)器中模擬真實(shí)鍋爐的空氣分級燃燒結(jié)果表明，準(zhǔn)東煤在1 250℃時具有很好的燃盡效果，過量空氣系數(shù)為0.7～1.0時燃盡率均達(dá)到99%以上，改變過量空氣系數(shù)對燃盡效果影響不明顯.

2)隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的增大，從宏觀形貌角度，準(zhǔn)東煤在主燃區(qū)還原性氣氛中的結(jié)渣有所緩解，灰渣量逐漸變少;從微觀形貌角度，灰渣中小顆粒逐漸增多，孔隙逐漸增大，表現(xiàn)為結(jié)渣逐漸減輕，所有工況中灰粒均粘附形成大塊燒結(jié)體.

3)XRD分析結(jié)果表明，氣氛不同時，準(zhǔn)東煤表現(xiàn)出來的結(jié)渣特性不同，主要是由于不同氣氛中Fe2O3的反應(yīng)不同所致.在實(shí)際應(yīng)用中，為避免嚴(yán)重結(jié)渣，應(yīng)該使主燃區(qū)過量空氣系數(shù)大于0.7.同時可以通過摻配含鐵量較低的煤來減輕準(zhǔn)東煤的結(jié)渣.

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