郭延紅 胡志凱 趙怡興 劉艷妮

（1.延安大學(xué)化工學(xué)院，陜西省延安市，716000；2.陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省延安市，716000）

受到燃燒煤種的限制，燃用混煤的電站鍋爐越來(lái)越多，由此造成的結(jié)渣問題日益突出，嚴(yán)重影響到電站鍋爐系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行［1］。因此，對(duì)燃燒混煤的工業(yè)鍋爐爐膛結(jié)渣情況進(jìn)行分析預(yù)報(bào)迫在眉睫。煤的結(jié)渣性無(wú)論是對(duì)用煤?jiǎn)挝贿€是對(duì)設(shè)計(jì)部門都是重要的參考指標(biāo)，對(duì)煤的加工利用效率有著很重要的實(shí)際意義［2］。煤的結(jié)渣性是反映煤灰在氣化或者燃燒過程中成渣的特性，用結(jié)渣率來(lái)判斷煤在氣化或燃燒過程中結(jié)渣的難易程度［3］。試驗(yàn)表明混煤是減小易結(jié)渣煤結(jié)渣率的有效手段之一。

陜北神木煤煤質(zhì)優(yōu)良，深受市場(chǎng)追捧，但神木煤大都灰熔點(diǎn)較低，用于鍋爐燃燒時(shí)易結(jié)渣，直接影響其適用范圍［4］。單煤的結(jié)渣性前人已有研究［5］，因此本次試驗(yàn)采用了神木聚龍煤（1#）、神木榆家梁煤（2#）和子長(zhǎng)禾草溝煤（3#）這3種結(jié)渣率不同的陜北煤，按照不同比例進(jìn)行混合，通過模擬工業(yè)發(fā)生爐的反應(yīng)條件來(lái)評(píng)價(jià)混煤結(jié)渣性的強(qiáng)弱，并利用XRD對(duì)混煤降低結(jié)渣率的機(jī)理進(jìn)行初步分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法

將煤樣破碎后放于JF-100-1A制樣粉碎機(jī)中粉碎，在振篩機(jī)上篩出3～6 mm粒度的煤樣備用。取100 g制好的不同混合比的煤樣放入JZX-2型煤結(jié)渣性測(cè)定儀中，每個(gè)試樣均在空氣流量分別為2 m3/h、4 m3/h和6 m3/h這3種鼓風(fēng)強(qiáng)度下進(jìn)行2次重復(fù)測(cè)定。

原煤灰和混煤灰的礦物組成采用XRD-7000型X-射線粉末衍射儀測(cè)定，測(cè)試條件為：Cu-Kɑ源，管電壓為36 kV，管電流為100 mA。

煤灰的組成采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法分析，利用JRHF-3型微機(jī)灰熔點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定煤灰軟化溫度S T，結(jié)果見表1所示。

表1 試驗(yàn)用煤煤灰的化學(xué)組成及軟化溫度S T

由表1可以看出，3種煤灰的化學(xué)組成各不相同，高溫燃燒時(shí)煤的礦物組成也發(fā)生了變化，導(dǎo)致各種煤的熔融溫度不同，其結(jié)渣性也不同［6］。

1.2 煤的結(jié)渣性判別指標(biāo)及結(jié)渣強(qiáng)度

判斷煤灰結(jié)渣性的常用指標(biāo)有S T（煤灰的軟化溫度）、J（堿酸比）、H（鐵鈣比）以及E（硅鋁比）［7］等。煤結(jié)渣性判別標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 煤結(jié)渣性判別標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)渣率的定義為在一定的鼓風(fēng)強(qiáng)度下使待測(cè)煤樣氣化，煤中灰分熔融結(jié)渣后大于6 mm粒度的渣塊質(zhì)量m1占總灰渣質(zhì)量m的百分?jǐn)?shù)［5］。工業(yè)上常常利用結(jié)渣率判斷動(dòng)力用煤結(jié)渣的難易程度。根據(jù)煤的結(jié)渣程度，將煤的結(jié)渣強(qiáng)度分為強(qiáng)結(jié)渣區(qū)、中等結(jié)渣區(qū)、弱結(jié)渣區(qū)［7］。結(jié)渣性強(qiáng)度區(qū)域如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 單煤的結(jié)渣性

根據(jù)表1計(jì)算得到的3種單煤的結(jié)渣性判別指標(biāo)見表3。

由表3可以看出，1#煤的煤灰軟化溫度S T為1382℃，其值在1260℃～1390℃范圍內(nèi)，可看出1#煤種屬中等結(jié)渣煤；其堿酸比J為0.26，介于0.206～0.4之間，結(jié)渣程度中等，想要降低煤的結(jié)渣性，可以加入Si和Al含量較大的煤，使其堿酸比下降，從而降低結(jié)渣強(qiáng)度；鐵鈣比H為0.29，小于0.3，結(jié)渣性強(qiáng)，一般鐵鈣比H越小，煤灰熔融特征溫度越低，煤就越容易結(jié)渣；硅鋁比E為0.99，低于1.7，屬于輕微結(jié)焦性。

圖1 結(jié)渣性強(qiáng)度區(qū)域

表3 3種單煤的結(jié)渣性指標(biāo)

2#煤的煤灰軟化溫度S T低于1260℃，從煤灰的灰熔點(diǎn)來(lái)看，煤灰熔融溫度越低，導(dǎo)致煤種越容易結(jié)渣；堿酸比J為0.52，大于0.4，說(shuō)明該煤種結(jié)渣情況嚴(yán)重，添加SiO2及Al2O3含量高的煤種，就會(huì)導(dǎo)致原煤的堿酸比降低，這樣原煤的結(jié)渣程度就會(huì)下降；鐵鈣比H為0.68，位于0.3～3中間，結(jié)渣中等；硅鋁比E為1.87，處于1.7～2.8中間，結(jié)渣程度為中等。

3#煤的煤灰軟化溫度S T為1433℃，低于1390℃，從S T判斷可知3#煤的結(jié)渣性小；堿酸比J為0.22，位于0.206～0.4之間，結(jié)渣程度中等；鐵鈣比H為0.25＜0.3，可得3#煤結(jié)渣性?。还桎X比E為0.89，在小于1.7的范圍內(nèi)，結(jié)渣性小。

用煤結(jié)渣判別指標(biāo)得出的3種單煤結(jié)渣傾向見表4。

表4 3種單煤結(jié)渣傾向

根據(jù)前述的試驗(yàn)方法，模擬工業(yè)發(fā)生爐的反應(yīng)條件得出單煤的結(jié)渣性，3種單煤的結(jié)渣率見表5。

表5 3種單煤的結(jié)渣率

由表5可以看出，隨著鼓風(fēng)強(qiáng)度的增加，3種單煤的結(jié)渣率增大，1#煤和3#煤處于弱結(jié)渣區(qū)，2#煤位于結(jié)渣嚴(yán)重區(qū)。對(duì)比表4可以看出由S T、J、H、E可以判別煤的結(jié)渣強(qiáng)弱，結(jié)渣性的強(qiáng)弱除了煤自身的因素以外，外在因素鼓風(fēng)的強(qiáng)度、氣壓的大小、燃燒時(shí)間的長(zhǎng)短等對(duì)煤的結(jié)渣性也有一定的影響。混煤可以降低高結(jié)渣性煤的結(jié)渣性，擴(kuò)大煤的使用范圍。

2.2 混煤的結(jié)渣性

2.2.1 1#煤和2#煤混合結(jié)渣性分析

為了降低2#煤的結(jié)渣率，將1#煤和2#煤分別按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例進(jìn)行混合，試驗(yàn)結(jié)果見表6～表9。

表6 1#煤和2#煤按照2∶8的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

表7 1#煤和2#煤按照4∶6的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

表8 1#煤和2#煤按照6∶4的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

表9 1#煤和2#煤按照8∶2的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

由表6～表9可以看出，混煤的結(jié)渣率隨著鼓風(fēng)強(qiáng)度的增大而增大，混煤中隨著1#煤煤量的增加和2#煤煤量的減小，S T逐漸升高，混煤的結(jié)渣率下降，結(jié)渣率處在1#煤和2#煤之間。當(dāng)1#煤與2#煤比例為4∶6時(shí)，混煤的結(jié)渣率顯著降低，這是由于2#煤含F(xiàn)e較多，添加含F(xiàn)e少的煤種可以使2#煤

的結(jié)渣強(qiáng)度減小。

2.2.2 2#煤和3#煤混合結(jié)渣性分析

將結(jié)渣嚴(yán)重的2#煤與不易結(jié)渣的3#煤分別按照2∶8、4∶6、6∶4和8∶2的比例進(jìn)行混合，試驗(yàn)結(jié)果見表10～表13。

表10 2#和3#按照2：8的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

表11 2#和3#按照4：6的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

由表10～表13可以看出，鼓風(fēng)強(qiáng)度越大混煤的結(jié)渣率越大，隨著2#煤量的增多和3#煤量的減少，S T逐漸降低，混煤的結(jié)渣性增強(qiáng)，結(jié)渣性在2#煤和3#煤中間，與相同比例的1#煤和2#煤的混煤比較，結(jié)渣性要小。這是由于3#煤的結(jié)渣率小于1#煤的結(jié)渣率。

表12 2#煤和3#煤按照6∶4的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

表13 2#煤和3#煤按照8∶2的比例進(jìn)行混合后的結(jié)渣數(shù)據(jù)

2.2.3 原煤煤灰礦物形態(tài)特征

為了進(jìn)一步討論煤灰在高溫下的礦物轉(zhuǎn)化及煤灰熔點(diǎn)與燃煤結(jié)渣性的關(guān)系，分別測(cè)定了3種煤樣在成灰溫度在815℃下的XRD圖像如圖2所示。

由圖2可以看出，煤灰的組成較為復(fù)雜，由多種礦物質(zhì)組成。在815℃下，1#煤灰中主要有方解石（C）、赤鐵礦（H）、鈣長(zhǎng)石（An）等礦物質(zhì)；2#煤灰主要有石英石（Q）、硬石膏（A）等礦物質(zhì)。3#煤灰中主要有石英石（Q）、赤鐵礦（H）、硬石膏（A）、方解石（C）、莫來(lái)石（M）、黃鐵礦（P）、霞石（N）、鈉鈣硅酸鹽（R）等礦物質(zhì)；3#煤灰中酸性礦物質(zhì)石英石（Q）等的含量較多，堿性礦物質(zhì)的含量少，故熔點(diǎn)高，與試驗(yàn)測(cè)得的熔融溫度相符，3#煤灰熔融特征溫度在試驗(yàn)所用煤中最高，結(jié)渣性最弱。

2.2.4 混煤煤灰礦物形態(tài)特征

在不同溫度下煤灰的礦物質(zhì)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，使煤灰的熔融溫度發(fā)生變化進(jìn)而改變煤的結(jié)渣性［8］，利用XRD討論了成灰溫度815℃的礦物組成后，為了解溫度對(duì)煤灰礦物組成的影響，測(cè)定了在DT溫度時(shí)1#煤與2#煤的不同配比條件下的XRD如圖3所示。

由圖3可以看出，1#煤與2#煤比例為2∶8和4∶6時(shí)，煤灰中主要含有鈣長(zhǎng)石及石英石等物質(zhì)；1#煤與2#煤比例為6∶4時(shí)，煤灰中主要含有鈣長(zhǎng)石等物質(zhì)；1#煤與2#煤比例為8∶2時(shí)，煤灰中主要組成有石英石、鈣長(zhǎng)石和鈣鋁黃長(zhǎng)石等礦物質(zhì)。

圖2 3種煤樣在815℃下的XRD圖像

圖3 DT溫度時(shí)1#煤與2#煤在不同配比條件下的XRD

由圖3不同配比的XRD可以看出，混煤中當(dāng)2#煤量減少1#煤量增多時(shí)，混煤煤灰里鈣長(zhǎng)石及石英石的衍射峰減弱。對(duì)比1#和2#煤灰的XRD圖，2#煤灰組成中鈣長(zhǎng)石的衍射峰比1#煤灰中的強(qiáng)，所以當(dāng)混煤里1#煤量增加時(shí)，鈣長(zhǎng)石的衍射峰會(huì)變?nèi)?。在熔融溫度下，煤灰中的各種礦物質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的低熔點(diǎn)礦物質(zhì)。所以，混煤中2#煤含量降低時(shí)，混煤煤灰的熔融溫度升高，結(jié)渣率下降。

3 結(jié)論

（1）混煤能有效降低高結(jié)渣煤的結(jié)渣率，當(dāng)1#煤與2#煤為4∶6時(shí)混煤的結(jié)渣率顯著降低，同比例的3#煤與2#煤混合效果更佳。

（2）當(dāng)系統(tǒng)壓力一定時(shí)，混煤的結(jié)渣率隨鼓風(fēng)強(qiáng)度的增加而增加。

（3）混煤降低結(jié)渣率的主要原因是混煤在燃燒過程中礦物形態(tài)發(fā)生了變化，生成了熔點(diǎn)較高的礦物質(zhì)。

（4）混煤可以擴(kuò)大鍋爐用煤的適用范圍，保證電站鍋爐系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行。