高钠煤质特性与沾污机理试验研究

薛长海

(神华国能集团有限公司，北京100033)

0 引言

中国传统煤炭基地，如山西、河南等，经过数十年的开发，煤炭储量日渐降低，但煤炭仍将长期在中国能源结构中占主导地位［1］，因此不得不寻求新的煤炭产地.新疆蕴藏着大量煤炭能源。预测总量达219 万亿t，占中国预测煤炭总量的40%，居各省首位［2］，特别是准东地区预测储量达3900 亿t［3］，对缓解全国紧张的煤炭供应具有重要意义。

准东地区煤种大部分为钠含量(含灰分)高于2%的高钠煤，属高水分、中高热值、煤质堆积密度小、易着火、易燃尽、强结焦、高碱金属含量、强沾污性、容易自燃煤质，在实际应用过程中暴露出许多问题，特别是严重结焦(渣)特性，成为困扰电厂安全运行的主要问题，严重制约了煤电一体化运营方针和整体布局。

目前对高钠煤的研究处于起步阶段，主要集中于高钠煤的沾污机理试验。文献［4］研究了不同条件下水洗和水热处理两种方式对碱金属的脱除效果，并考察了水热处理对煤燃烧特性的影响。文献［5］分析了烟气温度和积灰试验管段外壁温度对高钠煤燃烧时受热面积灰特性的影响。文献［6］针对高钠煤的钠脱除问题，研究了洗涤溶液的脱钠效果，同时对脱钠过程中钠的存在形式进行了评估实验;文献［7］分析了准东高钠煤在不同热解温度下碱金属钠的析出特性、赋存形态以及热解半焦的微观形貌。以上研究主要采用试验手段探讨高钠煤的沾污特性，在高钠煤的电厂应用方面尚存在较大研究空间。

本文根据试验台及案例电厂的沾污测试结果，分析高钠煤沾污、结渣的主要影响因素;结合国际通用沾污等级划分方法，考虑电厂实际情况，首次提出适合中国高钠煤的沾污等级判断标准;在此基础上，进行一系列高钠煤添加剂试验，探索高钠煤实际应用的有效方式。

1 典型高钠煤特性分析

表1 展示了典型高钠煤与国内典型烟煤、褐煤的组成成分，可以看出高钠煤具有以下煤质特点:

(1)全水分较高，和国内典型褐煤接近;收到基灰分明显低于国内典型烟煤和褐煤;干燥无灰基挥发分低于国内典型烟煤和褐煤;收到基低位发热量介于国内典型烟煤和褐煤之间。高钠煤成分基本介于国内典型烟煤和褐煤之间，具有一定可用性。

(2)高钠煤的灰成分较特殊，煤灰中碱金属含量高达53.09%，远过于国内典型烟煤和褐煤，导致其具有严重沾污倾向。两种灰成分沾污指标显示五彩湾煤的沾污特性远远高于国内典型烟煤和褐煤，而井工煤如乌东煤的沾污性能和国内典型烟煤和褐煤接近;

(3)哈氏可磨指数显示五彩湾煤的可磨性较好，可磨指数远远高于国内典型烟煤和褐煤，而乌东煤的可磨指数和神华侏罗纪煤以及国内典型褐煤接近。

表1 典型高钠煤与国内其它煤种比较Tab.1 Comparison between typical high alkali coal in Xinjiang and other coal species at home

综上所述，高钠煤具有实际应用的潜力与价值，但由于其较高的结渣沾污特性，需要充分考虑高钠煤的沾污机理，采用适当措施实现高钠煤的电厂利用。本文选取五彩湾煤作为沾污试验与分析研究煤种。

2 沾污机理分析与验证

煤中以NaCl 形式存在的氯在煤燃烧的过程中被释放出来［8］，一部分直接以气相形式与管壁氧化膜反应;另一部分直接与H2O、SO2、SO3发生反应，生成硫酸钠和HCl 气体，HCl 气体露点很低，不易凝结在管壁上;剩余部分在管壁上凝结，继续硫酸盐化的同时生成HCl

因此沉积层中的HCl 与管壁表面氧化膜反应，生成易挥发的FeCl2;当存在CO 或H2气氛时，生成多孔、松脆易脱落的FeO 氧化膜，所以对受热面氧化膜的破坏更为严重:凝结在管壁上积灰与金属间的NaCl 受高温作用形成的熔融态NaCl 会加速高温腐蚀［9］

产物金属氯化物与SO2和O2进一步反应，形成疏松的Fe2(SO4)3表层，进一步加剧受热面腐蚀。由沾污机理可知，发生沾污的关键是在换热面管壁上形成一层硫酸盐。高钠煤中钠含量高，在燃烧过程中容易形成硫酸盐并沉积在换热面管壁上，完成高温黏结性积灰和高温腐蚀过程，造成严重的沾污问题。

为探讨高钠煤的沾污机理，首先在试验台上测试五彩湾煤的沾污层灰分成分，验证沾污主要影响成分;结合新疆某案例电厂的受热面结渣统计情况，分析并验证高钠煤的沾污过程。

2.1 沾污试验分析

200 kW 试验台上全烧准东五彩湾煤时，一、二、三级过热器处所对应的烟温分别控制在850 ℃、750 ℃、600 ℃左右，壁温控制在550 ℃左右。对所取沾污层的内层(和管壁接触的地方)和外层(与烟气接触的地方)进行了分别测试，结果见图1。图1 展示了一、二、三级过热器处的沾污灰成分含量(Na2O 、K2O 、CaO、SO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3的浓度)。

由图1(a)～(d)所可见，积灰内层中Na2O 、K2O 、CaO、SO3出现了明显的富集，图1(e)～(g)中结果显示积灰内层中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量少于积灰外层，试验结果证明准东煤的沾污主要是由碱金属富集引起的。

图1 不同材质上粘结灰与疏松灰各成分含量Fig.1 The content of adhesive ash and loose ash in different materials

2.2 案例机组各受热面灰分分析

案例机组150 t/h 锅炉长期100%燃用准东煤，主要采用掺烧的方式燃用准东煤，其中#1 炉全年掺烧比例在90%左右。2013年10 月停炉期间采集了各受热面的渣样、灰样进行分析，结果如图2所示。根据检测结果进行初步分析可见:

(1)炉底渣的Na 含量远远低于炉内其他部位渣块。炉底渣大部分为自然脱落的表面渣块。可见，燃烧过程中煤中Na 首先挥发、附着于高温金属表面，并不断富集形成牢固、坚硬的底渣及结渣源。

图2 钠在炉内的富集情况Fig.2 Enrichment of sodium in the furnace

(2)尾部烟道同一位置烧结灰中Na 含量显著高于浮灰。可见，煤灰在金属表面的烧结过程也是一个Na 不断富集的过程。

现场试验及试验室试验结果均证实碱金属(主要是Na)在准东煤结渣与积灰中起主导作用。其主要沾污机理为煤种碱金属气化温度低，在炉膛内高温区产生气化，此后遇到低温受热面或烟温降低时发生凝结，沉积在受热面上，与S、Si等矿物质形成低温共熔体，进一步吸附烟气中飞灰，产生沾污。经吹灰后，表层浮灰可吹掉，但高钠底层由于粘结性强，无法靠吹灰清除，随着锅炉运行时间增长，粘结底层逐渐变厚并烧结，最后产生严重沾污。

3 高钠煤沾污等级判断标准

国外对煤的沾污研究较多，主要基于钾钠的影响原理。美国通常根据煤灰成分分析数据，把煤灰分成烟煤型灰和褐煤型灰。以D(k)表示煤灰中k 成分的浓度，上述划分标准如下所示:

烟煤型灰:D(Fe2O3)＞D(CaO)+(MgO)

褐煤型灰:D(Fe2O3)＜D(CaO)+D(MgO)

碱金属氧化物中氧化钠含量对锅炉沾污影响最为显著［10］，以氧化钠含量判别煤灰沾污的标准见表2。

表2 烟煤型灰和褐煤型灰按Na2O 含量确定的沾污倾向Tab.2 Bituminous coal ash and lignite ash fouling tendency determined by Na2O

高钠煤灰属于褐煤型灰，碱金属主要与有机质相结合(钠和钾的腐殖酸盐)，当烧结时，它们转变成易挥发的化合物(碳酸盐和硫酸盐)，当升华时，它们被细粒飞灰所富集，提高了飞灰的烧结强度，使之变得难以清除。

表3 中列出了乌鲁木齐周边地区典型电站锅炉安全掺烧准东煤时钠含量值，该值是掺烧优化试验后得出的结果。从中可以看出，对于目前200 MW、300 MW 容量等级的锅炉，由于采用了燃烧器分段布置、炉膛和水平烟道过热器布置了大量吹灰器等措施，对煤中钠的适应性明显优于100 MW 等级容量锅炉，在煤灰中钠含量在3.0%左右时可实现锅炉的安全运行，而100 MW等级容量锅炉煤灰中钠含量的指标值应在2.5%左右。另外从沾污指数f 值在1.39～3.30 来看，即“需要采取专门措施来防止炉膛结渣和受热面沾污”。

表3 乌鲁木齐周边地区典型锅炉安全掺烧时的准东煤灰钠含量Tab.3 The sodium content of the typical safet y burning boiler surrounding area of Urumqi

表4 新疆煤沾污指数及界限值划分Tab.4 Xinjiang coal contamination index and threshold value division

根据上述说明，结合试验室研究成果，提出中国高钠煤沾污性能等级划分方法，即以煤中Na2O含量作为分级的主要依据，具体界限见表4。该分级方法对中国高钠煤尤其是新疆地区煤沾污性能判别是适用的。

4 高钠煤添加剂性能试验

添加剂试验的主要目的是通过添加剂改变准东煤的煤灰成分，从而改变准东煤的结渣、沾污机理，达到改善准东煤结渣和沾污的目的。

在一维火焰炉试验台上对加入添加剂的煤粉进行结渣特性的试烧，共进行了200 余组试验，包括不同添加剂种类以及同类添加剂的不同比例，来试验不同添加剂对准东五彩湾煤结渣以及碱金属腐蚀的抑制特性。主要用到的添加剂有:铝矿土、蛭石、铝粉、二氧化硅、高岭土、高岭土与硝酸镁混合物、蛭石与硝酸镁混合物、矿土、膨润土、准东煤的回收灰等。部分典型添加剂试验结果见表5。

由表5 试验结果可见，在试验掺烧比例下，铝土矿、铝粉添加比例在3%时或高岭土与硝酸镁的混合物在添加比例为1%时即可显著改变结渣形态。高岭土与蛭石的混合物要在比较高的添加比例(5%)时也可缓解结渣。试验中的其它添加剂对缓解结渣效果不明显。综合分析以上试验结果，可见铝基添加剂对缓解准东煤结渣效果较明显。

一维炉试验结果体现的是添加剂对准东煤结渣的影响，为分析添加剂对尾部沾污的影响，在试验室对五彩湾煤和天池能源煤掺入添加剂后煤灰在不同温度下的烧结比例进行了测试，以定性考察添加剂对尾部沾污的影响。

由图3 可见，五彩湾煤在900 ℃以上时开始迅速烧结，在1 050 ℃时接近80%的灰已经烧结。所用的各种添加剂中，膨润土、ZM－G 型添加剂、两种高岭土均可明显降低五彩湾煤的烧结比例，理论上分析应对沾污有一定的缓解效果。

对五彩湾煤和天池能源煤的添加剂试验结果可见，煤本身特性对添加剂使用效果也有重要影响，添加剂开发、使用时必须与目标煤相适应。

从数十种添加剂的试验室对比试验结果来看，铝土矿、高岭土类的铝基添加剂对缓解准东煤结渣、沾污有较明显效果。但还需针对具体煤质，综合考虑有效性和经济性，通过工业化试验确定合理的添加剂。

表5 添加剂的一维火焰炉试验结果Tab.5 One-dimensional flame furnace test results for additives

图3 使用不同添加剂后煤灰烧结比例Fig.3 The proportion of fly ash sintered after different additives used

5 结论

(1)准东煤的沾污主要是由碱金属富集引起的，碱金属(主要是Na)在准东煤结渣与积灰中起主导作用。

(2)中国高钠煤沾污性能等级以煤中Na2O 含量作为分级的主要依据，低于3.3%时沾污程度较轻，反之则容易沾污，可针对具体情况选择适用锅炉。

(3)铝土矿、高岭土类的铝基添加剂对缓解准东煤结渣、沾污效果较明显。但还需针对具体煤质，综合考虑有效性和经济性，通过工业化试验确定合理的添加剂。

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