何 翔， 施鴻飛， 周文臺， 馬達(dá)夫， 金 晶

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093； 2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

近年來，針對新疆五彩灣地區(qū)現(xiàn)役機(jī)組鍋爐燃用準(zhǔn)東煤時沾污結(jié)渣嚴(yán)重的現(xiàn)狀，學(xué)術(shù)界開展了大量研究，旨在揭示沾污和結(jié)渣的原因，尋求解決的方法。目前的報道多集中在準(zhǔn)東煤灰熔融特性、結(jié)渣特性的試驗(yàn)研究。范建勇等[1]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)東煤標(biāo)準(zhǔn)灰的熔融溫度要比真實(shí)爐內(nèi)燃燒時的熔融溫度高，與灰熔融溫度相比，煤灰成分指標(biāo)更能表征準(zhǔn)東煤的結(jié)渣特性；趙慶慶等[2]研究了4種準(zhǔn)東煤標(biāo)準(zhǔn)灰的灰熔融特性，并結(jié)合三元相圖研究了煤灰成分與灰熔融特性的關(guān)系；王禮鵬等[3]利用X射線熒光(XRF)光譜和掃描電子顯微鏡對某鍋爐各部位受熱面的灰渣樣進(jìn)行了沾污和結(jié)渣特性的研究，但其灰渣樣的采集是在鍋爐冷爐后進(jìn)行的，因此與實(shí)爐燃燒采集到的灰渣樣有一定的區(qū)別。

目前，有關(guān)添加劑對準(zhǔn)東煤燃燒后結(jié)渣和沾污特性影響的研究已有報道，但是在中試規(guī)模試驗(yàn)臺上的研究報道尚不多見。烏曉江等[4]在上海鍋爐廠有限公司的3 MW燃燒試驗(yàn)臺上對添加高嶺土后準(zhǔn)東煤的結(jié)渣和沾污特性進(jìn)行了研究；譚厚章等[5]在某350 MW鍋爐上研究了準(zhǔn)東煤添加高嶺土后屏式過熱器的結(jié)渣機(jī)理，但其對水平煙道沾污特性的研究尚未涉及。

筆者采用3種不同的添加劑與準(zhǔn)東煤進(jìn)行摻燒，在新疆0.4 MW準(zhǔn)東煤燃燒與沾污試驗(yàn)臺上對比研究了不同類型添加劑對準(zhǔn)東煤燃燒時結(jié)渣和沾污特性的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺模擬大型電站鍋爐搭建，主要包含6個系統(tǒng)：燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)，一、二次風(fēng)系統(tǒng)，給煤制粉及燃燒系統(tǒng)，爐膛與煙道系統(tǒng)，蛇形管段及其冷卻系統(tǒng)和循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。爐膛由耐火材料堆砌，外部是水冷套，蛇形管屏管子中冷卻介質(zhì)是高壓空氣。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)煤種為某五彩灣煤，試驗(yàn)用添加劑分別為該五彩灣煤自身燃燒后的煤灰渣、某將軍廟煤和高嶺土。試驗(yàn)用煤的煤質(zhì)分析見表1，煤灰成分分析見表2。試驗(yàn)中工況1為純燒某五彩灣煤,工況2為該五彩灣煤加自身底渣5%,工況3為該五彩灣煤90%加某將軍廟煤10%，工況4為該五彩灣煤加5%高嶺土，上述數(shù)據(jù)均是質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 試驗(yàn)重要參數(shù)

按照實(shí)際電站鍋爐燃燒運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，如表3所示。在蛇形管后屏后面的煙道中水平布置一根T91合金鋼管(以下簡稱T91管)，管中通自來水進(jìn)行冷卻，用來研究在800 ℃左右煙溫段管子表面的灰沉積情況。

1-高壓風(fēng)機(jī)；2-蛇形管段空氣入口集箱；3-蛇形管前屏；4-蛇形管后屏；5-蛇形管段空氣出口集箱；6-電加熱裝置(初期制粉使用)；7-制粉系統(tǒng)燃料入口；8-煤倉；9-給煤機(jī)；10-磨煤機(jī)；11-粗粉分離器；12-液化氣系統(tǒng)；13-煤粉燃燒器；14-送風(fēng)機(jī)；15-空氣預(yù)熱器；16、18-環(huán)形二次風(fēng)；17-燃燒器二次風(fēng)；19-爐膛溫度測點(diǎn)之一；20-爐膛(結(jié)焦段)；21-初期烘爐用層燃爐；22-煙道；23-布袋除塵器；24-引風(fēng)機(jī)；25-儲水箱；26-循環(huán)水泵；27-省煤器；28-冷卻塔

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

添加劑的加入使得各工況下的入爐煤煤灰成分發(fā)生了變化，經(jīng)簡單計算結(jié)果見表4。由于工況2中灰渣主要成分變化不明顯，故重點(diǎn)對另外2個工況進(jìn)行分析。

由表4可以看出，從工況1到工況4和工況3，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別升高至12.72%和15.35%，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別升高了84.6%和41.07%，SiO2與Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比也發(fā)生了變化。

表2 煤灰主要成分分析

表3 主要試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 結(jié)渣特性

圖2是試驗(yàn)結(jié)束后蛇形管前屏起吊的圖片。圖2中，起吊管屏?xí)r灰渣沉積物掉入煙道，管子上無沉積物附著。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在爐膛出口煙溫1 100 ℃以上時4個工況均發(fā)生灰熔融并造成結(jié)渣，說明此3種添加劑對灰熔點(diǎn)的影響并不明顯，這與文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)用煤的灰熔融特性結(jié)論一致；馬巖等[6]在不同灰化溫度下研究發(fā)現(xiàn)w(SiO2)/w(Al2O3)大于1∶1后，煤灰中的含硅氧化物群、硅酸鹽礦物群以及其他組分之間會發(fā)生相互作用產(chǎn)生低熔點(diǎn)共熔體，導(dǎo)致灰熔點(diǎn)降低。

表4添加劑加入后煤灰主要成分分析

Tab.4Massfractionofvariouscoalashcomponentswithadditivesmixed%

參數(shù)工況1工況3工況4w(SiO2)23.5833.2643.53w(Al2O3)9.7715.3512.72w(CaO)31.5519.9415.90w(Na2O)6.964.743.47w(Fe2O3)8.686.514.76w(K2O)0.360.610.61w(MgO)6.033.993.14w(SO3)11.077.015.77w(TiO2)0.851.010.86w(MnO2)0.1910.1200.090w(P2O5)0.010.120w(其他)0.9497.3509.140w(SiO2)/w(Al2O3)2.412.173.42

圖2 蛇形管前屏圖片

表4中工況1煤灰中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.55%，工況4和工況3的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)則分別為15.90%和19.94%，李風(fēng)海等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤灰中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對灰熔點(diǎn)有較大的影響，當(dāng)CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%～35%時，灰熔點(diǎn)達(dá)到最低值，而CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%～20%時，灰熔點(diǎn)僅比最低值高30 K左右。煤灰中的CaO易與Al2O3、SiO2發(fā)生反應(yīng)生成鈣長石(CaO·Al2O3·2SiO2，其熔融溫度為1 553 ℃)、鈣黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2，其熔融溫度為1 593 ℃)、硅鈣石(3CaO·SiO2，其熔融溫度為1 464 ℃)及鋁酸鈣(CaO·Al2O3，其熔融溫度為1 605 ℃)等礦物質(zhì)，盡管CaO的增加有利于提高灰熔點(diǎn)，但是也僅能提高40 K以內(nèi)[8]，富余CaO存在更大的影響在于，鈣黃長石等易與含鈣化合物形成1 170 ℃的低溫共熔體，使得灰熔點(diǎn)降低[6]。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在爐膛內(nèi)(耐火材料內(nèi)壁)和蛇形管前屏的沉積層內(nèi)層呈現(xiàn)金屬色，未見管壁有內(nèi)白層物質(zhì)的沾污現(xiàn)象。研究也表明：燃燒溫度升高會促進(jìn)煤灰中CaO、Al2O3和SiO2與不定性的Mg和Fe氧化物反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)共熔物，極大增強(qiáng)了準(zhǔn)東煤煤粉燃燒結(jié)渣傾向[9]；Fe2O3對硅鈣鈉體系具有助熔作用，可使體系共融溫度下降[5]。上海鍋爐廠有限公司的3 MW燃燒試驗(yàn)臺試驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒器區(qū)域(<1 500 ℃)磁鐵礦(Fe3O4) 和鈣硅石(CaSiO3)為結(jié)渣層主要礦物[10]。

2.2 Na和Ca的遷移特性

工況1～工況3的蛇形管前屏上沉積的灰渣較為致密且外觀相近，考慮到篇幅只給出了工況1和工況4的結(jié)渣物圖片(見圖3)，其中工況4的結(jié)渣物尤其突出。

(a)工況1

(b)工況4

Fig.3 Slag collected from front screen of serpentine tube in case 1 and case 4

工況4的結(jié)渣物更厚量更大，但與其他工況相比，其結(jié)渣物更為疏松且便于清理。為了進(jìn)一步揭示不同添加劑對燃煤沉積層形成的影響機(jī)理，對其結(jié)渣物進(jìn)行XRF檢測，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 XRF檢測的結(jié)渣物主要成分

由圖4可知，工況1形成的結(jié)渣物中堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；工況2對結(jié)渣成分的改變并不明顯；工況4的結(jié)渣物中堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降最為明顯。

準(zhǔn)東煤灰中Na、Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，易形成鈣長石、赤鐵礦和硬石膏等低熔融礦物。工況3和工況4結(jié)渣物中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，鈣長石和硬石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降[5,11]。圖4中，工況1和工況2結(jié)渣物中Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，工況3和工況4結(jié)渣物中Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降明顯。準(zhǔn)東煤灰中的鈉大部分是以水溶性形態(tài)存在的[4,12]，而SiO2在高溫下可以與原煤中水溶性的鈉反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硅酸鹽形態(tài)的不溶性鈉[8]，從而固定了部分鈉；王學(xué)斌等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)東煤中Na的釋放量隨著SiO2摻入比例的提高而顯著降低，這是因?yàn)镾iO2使得非水溶性鈉比例提高。另一方面，煙溫越高，Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，因?yàn)槊夯抑械腘a2SO4升華析出或與水汽作用生成氣態(tài)氫氧化物，以氣態(tài)為主[14]，蛇形管前屏的煙溫在1 050 ℃以上，而且蛇形管前屏內(nèi)的工質(zhì)是空氣，管壁溫度較高，Na2SO4較難冷凝，故灰渣中的Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高。

結(jié)渣后外層結(jié)渣物的生成溫度要比內(nèi)層高，結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)，渣體最外層顏色呈現(xiàn)出土黃色，這是由于飛灰中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高[5]。工況3和工況4的結(jié)渣物中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較為明顯，一方面是由于工況3和工況4的入爐煤煤灰CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)比工況1低，另一方面是因?yàn)樵?00～1 000 ℃，Ca是以CaSO4的形式穩(wěn)定存在于煤灰中，當(dāng)溫度上升至1 000 ℃以后，CaSO4分解為CaO，富余的CaO與含F(xiàn)e、Si等的礦物反應(yīng)形成低溫共熔體，達(dá)到熔融狀態(tài)后析出，且煙溫越高，Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低[14]。

因此認(rèn)為高Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是造成結(jié)渣的主要原因，在溫度高的區(qū)段準(zhǔn)東煤燃燒以結(jié)渣特性為主。結(jié)渣物應(yīng)是以Ca為主的硫酸鹽復(fù)合物質(zhì)、Fe為主的復(fù)合硫酸鹽和以Si為主的硅酸鹽。

2.3 沾污特性

對水平布置在煙道中的T91管進(jìn)行準(zhǔn)東煤燃燒和沾污特性的研究，圖5是工況1 T91管沾污特性試驗(yàn)結(jié)果的圖片。工況4 T91管上的沉積物顏色偏黃；其他幾個工況T91管上的沉積物均呈灰白色。

圖5 煙道中T91管沉積物圖片

研究表明，Na在700 ℃以上的煙氣環(huán)境中會快速升華，并與煙氣中SO3、水蒸氣形成的硫酸根反應(yīng)生成Na2SO4，當(dāng)遇到受熱面管壁冷凝后，會快速形成一層致密的沾污內(nèi)白層，這層物質(zhì)使得煤灰具有很強(qiáng)的黏性[3,5,8]，是初始沾污物質(zhì)的基礎(chǔ)。此外，復(fù)合硫酸鈉(Na3Fe(SO4)3)和焦硫酸鈉(Na2S2O7)等也會形成密實(shí)黏結(jié)沉淀層，導(dǎo)致沾污[9]。

為進(jìn)一步了解沾污層成分，對T91管上沾污物進(jìn)行了XRF檢測，結(jié)果如圖6所示。

由表4可知，與工況1相比，工況4和工況3的入爐煤煤灰中Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從6.96%分別下降至3.47%和4.74%；CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從31.55%分別下降至15.90%和19.94%。圖6中，工況1和工況2的沾污物成分變化不大，其Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%以上,工況4沾污物中的Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于15%，均超過圖4對應(yīng)工況結(jié)渣物中的Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明在煙溫低于800 ℃時，各工況下T91管上沾污物中的Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)比爐膛內(nèi)和爐膛出口高溫段處高，這與王禮鵬等[3]的研究結(jié)論接近。隨著煙溫降低，Na的硫酸鹽蒸氣冷凝析出[15]，試驗(yàn)過程中通水的T91管管壁溫度低，煙氣中的Na2SO4被冷凝的效果增強(qiáng)，形成白色底層，說明沾污主要是由Na引起的。上游結(jié)渣物中硅鋁酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，則沾污物中的Na2SO4就越少；代百乾等[16]對某300 MW亞臨界鍋爐在不同高溫下對流受熱面上的積灰進(jìn)行研究，在煙溫800 ℃附近的灰樣表面發(fā)現(xiàn)了大量的CaSO4微米級顆粒。工況3入爐煤煤灰中的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)比工況4高21%，且工況3的w(SiO2)/w(Al2O3)比值為2.17，工況4的w(SiO2)/w(Al2O3)比值為3.42，理論上工況3生成的硅鋁酸鈉、鈣的各類低溫共融復(fù)合鹽更多，故工況3中沾污物的Ca和Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低[6]。

圖6 XRF檢測的T91管上沾污物主要成分

2.4 堿酸比指標(biāo)分析

利用煤灰成分的結(jié)渣指標(biāo)堿酸比(B/A)[17]進(jìn)行分析，其定義為：

(1)

B/A是用來對燃料進(jìn)行結(jié)渣傾向性判別的指標(biāo)。對比不同工況下沉積物的堿酸比(見表5)，B/A越大，煤灰的結(jié)渣和沾污傾向越強(qiáng)。由表5可以看出，工況4結(jié)渣物堿酸比最小；而工況3的沾污物堿酸比最小。故認(rèn)為添加5%高嶺土對防止高溫結(jié)渣最有效，摻燒10%將軍廟煤對緩解沾污最有效。

表5 結(jié)渣物和沾污物的堿酸比

3 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)中在爐膛內(nèi)和蛇形管前屏只有結(jié)渣現(xiàn)象，并未發(fā)現(xiàn)沾污現(xiàn)象，結(jié)渣物是由煤灰中含F(xiàn)e、Ca形成的硫酸鹽和硅鋁酸鹽礦物為主，煤灰中高Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是引起結(jié)渣的主要原因。

(2)在800 ℃以下煙溫時，煤灰沉積以沾污特性為主，Na和Ca是導(dǎo)致沾污的主要原因。

(3)3種添加劑對提高灰熔點(diǎn)的作用并不明顯。

(4)準(zhǔn)東煤自身燃燒產(chǎn)生的底渣作為添加劑時緩解結(jié)渣、沾污的效果不明顯；高嶺土在緩解結(jié)渣時，產(chǎn)生的結(jié)渣物雖較厚但較為疏松，易于清除，說明高嶺土對結(jié)渣強(qiáng)度的抑制作用明顯；將軍廟煤在沾污強(qiáng)度方面的抑制作用效果最好。