两种高钠煤的掺烧结渣特性对比实验

程友良，施宏波，张 宁，赵 娜，史亚骏，薛占璞

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003)

两种高钠煤的掺烧结渣特性对比实验

程友良，施宏波，张 宁，赵 娜，史亚骏，薛占璞

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003)

新疆高钠煤储量大，且是良好的动力煤，然而其燃烧过程中结渣沾污严重，对锅炉的安全运行和经济性产生了影响。基于一维炉结渣实验台，对比分析新疆两种高钠煤的结渣特性，经过实验得出:在相同的容积热负荷下，准东高钠煤结渣比大南湖高钠煤要严重;大南湖高钠煤较准东高钠煤更难通过掺烧低钠煤来改善结渣;两种高钠煤均易通过掺烧煤矸石来改善结渣状况且最佳掺烧比例为10%。该实验结果对新疆地区燃用高钠煤提供一定的参考。

高钠煤;结渣特性;一维炉;掺烧

目前煤炭仍处于并将长期处于我国能源结构中的主导地位[1]，其中新疆高钠煤储量大，且是良好的动力煤，然而其燃烧过程中结渣沾污严重，由此引起了锅炉受热面结渣、沾污和高温腐蚀等问题。由于积灰严重，造成锅炉尾部烟道积灰坍塌，严重影响锅炉的安全和经济运行[2]。目前国内外对准东高钠煤燃烧特性的研究较多，刘大海[3]等通过对脱钠过程中钠存在形式进行评估实验，得出:新疆高钠煤中的钠主要以水溶钠为主，有机钠和不可溶钠含量较少。陈川等[4]采用逐级萃取的实验方法对高钠煤进行研究，其中每级萃取都采用不同的萃取液，分别把高钠煤中不同形式存在的钠萃取出来并分析其对燃烧特性的影响。张军等[5]研究发现煤中钠的释放在燃烧初期变化不大，但整体上有变小的趋势，并且在燃烧初期不同形式钠的变化规律不一样。刘敬等[6]研究发现，准东煤中碱金属的释放主要发生在燃烧后期。刘家利[7]分析准东煤严重结渣倾向与其较高的灰熔点不符合的原因，论证了准东煤煤灰中碱性氧化物含量高是引起其灰熔融性高的主要原因。

许多学者研究了两种煤的不同掺混比例对煤灰熔点的影响[8-10]，实验表明，灰熔点的变化和掺烧的比例不成线性关系。王学斌等[11]研究了温度和SiO2添加物对高钠煤中碱金属赋存形态及迁移特性的影响。马岩等[12]发现，在一定范围内升高准东煤灰的硅铝比(SiO2/Al2O3)可以降低灰熔点，而在这个范围外，灰熔点受硅铝比的影响减小。崔育奎等[13]研究了高钠煤掺混不同比例低钠煤对混煤灰熔融特性的影响。结果表明两种煤在不同比例的掺混下，混煤灰的熔融温度与相应三元相图上的液相线温度具有一定的相似性，而与两种煤的掺混比例不呈线性关系。李红等[14]以五彩湾煤与乌东煤及这两种煤的不同掺烧比例的混煤为研究对象，研究其物理化学特性、燃烧特性、结渣沾污特性，并对各种混煤的着火、燃尽和结渣性进行了评定，分析得出了高钠煤与低钠煤及其混煤的结渣倾向。王礼鹏等[15]采集了新疆某电厂燃用75%准东煤时锅炉各部位的灰渣样，并对灰渣样进行了系统分析。杨忠灿等[16]引进了德国美国高钠煤评价指标并通过对乌鲁木齐周边煤种的燃烧试验，论述了100,200和300 MW等级锅炉安全掺烧准东煤时的准东煤灰中的钠含量。随关于新疆地区煤种研究的深入，准东高钠煤已经可以作为发电用煤，但将哈密大南湖矿区的高钠煤作为大规模燃煤发电用煤仍处于起步阶段[17]，本文利用一维炉结渣实验台对这两种高钠煤的结渣特性进行了对比研究，对新疆地区燃用高钠煤的掺烧具有一定的指导意义。

1 实验系统及方法介绍

1.1 实验系统

一维火焰炉的结构为电加热积木式，炉体立置，烟道水平布置，整体呈“L”型，炉体由锥体炉顶和6级可分别控制壁温的电加热炉组成。实验炉包括送风、给粉、空气预热、测温及取样系统。该实验炉的系统简图如图1所示。

图1 煤粉燃烧一维火焰炉实验台Fig.1 One dimensional furnace slagging test bench of coal combustion

沿炉膛高度方向，每隔30 cm开有一个φ3 cm的径向测量孔，用于测量火焰温度以及插入结渣探针。结渣探针选取规格为1.5 cm×18 cm×1 cm的硅碳棒，硅碳棒上表面粗糙度一定，硅碳棒外沿由不锈钢管固定，结渣面近似垂直于烟气方向放置。

由硅碳棒取渣的特殊性,硅碳棒表面温度到达熔融温度时，灰渣表面开始融化，其捕捉飞灰的能力增强，当硅碳棒温度继续升高时，表面熔融灰渣达到临界黏度值后灰渣黏性减小，导致液态灰渣在重力作用下摊开，灰渣均匀分布且厚度减小，表面温度也随之降低，此时厚度达到动态平衡，灰渣停止生长，仅在某一范围内波动。结渣时间由煤的灰分来决定。

1.2 实验方法

选取典型的大南湖高钠煤及其与大南湖低钠煤配煤、准东高钠煤及其与准东低钠煤配煤、两种高钠煤添加不同比例的煤矸石在相同工况下进行一维炉结渣性实验，对比分析其结渣特性。煤种特性参数见表1。

实验选取一维火焰炉结渣工况，给粉量以入炉热量控制，保证一维炉容积热负荷290 kW/m3，炉内过量空气系数为1.25。具体实验条件见表2，3，在结渣源上沉积下的灰渣依照其黏结的紧密程度由强到弱进行分类赋值，见表4。

表1新疆的地区高钠煤及当地低钠煤的工业及元素分析
Table1ProximateandultimateanalysisofXinjianghighsodiumcoalandlowsodiumcoal

样品工业分析/%MarAarVdafQnet,ar/(MJ·kg-1)元素分析/%CarHarNarSt,arOar准高煤*25.87.7430.6718.3853.592.280.470.559.57大高煤*27.216.3142.5214.7542.172.290.610.4910.93准低煤*21.324.6831.814.6842.612.150.510.228.53大低煤*24.224.8646.9313.4237.092.430.630.4410.35

注：准高煤*表示新疆准东地区的高钠煤;大高煤*表示新疆哈密大南湖地区的高钠煤;准低煤*表示新疆准东地区的低钠煤;大低煤*表示新疆哈密大南湖地区的低钠煤。

表2入炉热量及风量
Table2In-furnaceheatvalueandairflow

工况入炉热量/(MJ·h-1)入炉总空气量/(Nm3·h-1)一次风风率/%风温/℃二次风风率/%风温/℃炉膛容积热负荷/(MJ·h-1)结渣工况46.0614.0545225520046.06

表3电加热控制最低壁温
Table3Minimumwalltemperatureofelectricalheating℃

工况第1级第2级第3级第4级第5级第6级结渣工况90010001100110011001000

表4渣型赋值
Table4Assignmentlistofslaggingtypes

渣型特征赋值N熔融硅碳棒表面由全熔融致密凝固渣层所覆盖,并有渣泡形成2.50黏熔沉积灰层由部分凝固渣层凝固黏聚而成,已无法切刮1.75强黏聚灰渣坚硬,切刮后硅碳棒上仍残留不规则黏结硬渣1.00黏聚灰层黏聚成硬渣、切刮困难,仍能切刮0.50弱黏聚灰有明显黏聚特征,切下灰渣具有一定硬度0.25

每组实验结束，记录渣棒样图以及相关实验数据，按下式计算结渣特性指数Sc并对结渣特性等级进行比较。

其中，Sc为煤粉燃烧的结渣特性指数;Nmax为结渣最严重的渣型对应的赋值;Tmax为结渣最为严重的渣型对应的火焰温度，℃，当结渣等级最为严重的渣棒有两级及以上时，Tmax选取温度较低值;T2为结渣等级次为严重的渣型对应的火焰温度;当与结渣等级最为严重的渣棒相邻的渣棒结渣均为次严重结渣等级时，T2选取温度较高值。当结渣等级最为严重与次为严重的渣型相差一个等级时，采用式(1)。当结渣等级最为严重与次为严重的渣型相差两个及以上等级时，采用式(2)。

2 实验结果及分析

2.1 准东高钠煤及大南湖高钠煤灰渣

图2为准东高钠煤及大南湖高钠煤在结渣实验中所得渣棒样貌，可见准东高钠煤属于严重结渣煤种，渣型等级为熔融，其熔融态灰渣主要出现在前2级渣棒即1 200 ℃以上的高温，其灰渣在高温下发生严重熔融烧结，与渣棒黏结严重，不易清除。大南湖高钠煤同样属于严重结渣煤种，渣型等级为熔融，其中处于1 300 ℃烟温区域的第1级渣棒覆盖了较厚的非玻璃体熔融状灰渣，其底层呈均匀熔融状而熔渣外表面则黏结了坚硬的沉积灰颗粒。对比准东高钠煤可知，在同样的容积热负荷下，准东高钠煤的结渣要明显比大南湖高钠煤要严重，其灰渣量也明显高于准东高钠煤。这两种灰渣渣型与燃用高钠煤实际锅炉中灰渣较为相近。实际锅炉中此类灰渣由于高温下熔融且与水冷壁黏结严重，普通参数吹灰蒸汽难以将其彻底清除。实验灰渣渣型及其对应烟温见表5。

图2 准东高钠煤及大南湖高钠煤渣棒样貌Fig.2 Slag rod condition of Zhundong and Dananhu high sodium coal

煤种 第1级第2级第3级第4级准高煤烟温/℃1345125511751088渣型熔融熔融强黏聚黏聚大高煤烟温/℃1295121511751056渣型熔融强黏聚强黏聚黏聚

2.2 两种高钠煤掺烧当地低钠煤灰渣

目前新疆高钠煤的应用以和当地的低钠煤掺烧使用为主，图3为准东高钠煤与当地的低钠煤掺烧所得灰渣样貌。由于该低钠煤灰分较大，碱金属含量相对较低，随高钠煤的混煤比例降低，混煤渣型样貌得到明显改善:90%高钠煤比例下，渣棒上灰渣在前两级呈熔融大颗粒状，较之准东高钠煤所结灰渣玻璃光泽消失;80%高钠煤比例下，非玻璃体状熔融灰渣均匀覆盖第1级渣棒，第2级则未出现熔融态灰渣;70%高钠煤比例下煤种结渣性明显改善，前3级渣棒均表现为黏熔渣型。60%及50%高钠煤比例下灰渣渣型为易清除黏聚渣型，该比例混煤结渣性接近烟煤的结渣性。实验灰渣渣型及其对应烟温见表6。

图3 准东高钠煤与当地的低钠煤掺烧渣棒样貌Fig.3 Slag rod condition of Zhundong high sodium coal blended with low sodium coal

图4为大南湖高钠煤与当地的低钠煤掺烧所得灰渣样貌。本实验中混煤比例从10%增至90%，共计9组混煤结渣实验。大南湖高钠煤混煤比例较低时，黏熔状灰渣不规则分布于渣棒表面，部分灰渣表面呈现暗红色，推测可能为含铁晶体的析出所致。随大南湖高钠煤的比例升高，可知灰渣沉积量有变大趋势，渣型由黏熔变为熔融，当大南湖高钠煤比例升至40%时，灰渣渣型转变为熔融灰渣。随混煤比例从50%升至100%时，灰渣渣型宏观上无明显差异。这说明大南湖高钠煤结渣倾向不易通过高比例混煤改善，主要原因在于大南湖高钠煤灰成分中的碱金属百分比含量较低且灰分的基数总量高，同时大南湖低钠煤的碱金属百分比含量与大南湖高钠煤相差不是很大，从而导致掺烧低钠煤时混煤的碱金属百分比含量变化较小。实验灰渣渣型及其对应烟温见表7。

图4 大南湖高钠煤与当地的低钠煤掺烧渣棒样貌Fig.4 Slag rod condition of Dananhu high sodium coal blended with low sodium coal

掺烧比例第1级第2级第3级90%大高煤烟温/℃127011881147渣型熔融强黏聚黏聚80%大高煤烟温/℃126511701145渣型熔融强黏聚黏聚70%大高煤烟温/℃125811951120渣型熔融强黏聚黏聚60%大高煤烟温/℃126011851112渣型熔融强黏聚黏聚50%大高煤烟温/℃127112011136渣型熔融强黏聚黏聚40%大高煤烟温/℃125311871110渣型黏熔黏熔黏聚30%大高煤烟温/℃126512071119渣型黏熔黏熔黏聚20%大高煤烟温/℃128312121121渣型黏熔黏熔黏聚10%大高煤烟温/℃125011871106渣型黏熔黏熔黏聚

2.3 两种高钠煤掺烧煤矸石灰渣

图5为大南湖高钠煤与不同比例煤矸石掺烧的渣棒样貌，由于大南湖高钠煤灰分较大所以从5%开始掺烧。当掺烧5%煤矸石时，第1级渣棒仍为熔融型，但相比大南湖高钠煤第1级渣棒熔融的渣泡消失并出现黑色的熔融物质，这表明结渣有明显减轻的趋势。当掺烧10%煤矸石时，第1级渣棒介于黏熔和强黏聚之间，更接近强黏聚渣型。此时结渣已经得到明显的改善，接近烟煤的结渣性。实验灰渣渣型及其对应烟温见表8。

图5 大南湖高钠煤与不同比例煤矸石掺烧的渣棒样貌Fig.5 Slag rod condition of Dananhu high sodium coal blended with different proportion of coal gangue

煤种第1级第2级第3级第4级5%煤矸石烟温/℃1284122111621082渣型黏熔强黏聚强黏聚黏聚10%煤矸石烟温/℃1265121411551068渣型黏熔黏聚黏聚黏聚

图6为准东高钠煤与不同比例煤矸石掺烧的渣棒样貌，由于准东高钠煤灰分较小所以从3%开始掺烧。当掺烧3%的煤矸石时，前两级渣棒表现为熔融，但相比与准东高钠煤，其中有光泽的玻璃体渣泡消失，结渣有明显减轻的趋势。当掺烧6%的煤矸石时，前两级渣棒表现为黏熔，结渣得到了改善。当掺烧10%的煤矸石时，第1级渣棒表现为黏熔，但更接近强黏聚渣型，结渣得到了明显的改善。

图6 准东高钠煤与不同比例煤矸石掺烧的渣棒样貌Fig.6 Slag rod condition of Zhundong high sodium coal blended with different proportion of coal gangue

综上可见，无论是准东高钠煤还是大南湖高钠煤，当煤矸石掺烧比例达到10%时结渣都得到了明显的改善，达到灰渣对锅炉的影响在可控范围内，利用锅炉吹灰蒸汽基本可以清除。所以在高钠煤的开采洗选过程中，可适当保留些煤矸石，以达到改善结渣的作用。实验灰渣渣型及其对应烟温见表9。

2.4 结渣指数Sc

根据式(1)，(2)计算得到结渣指数Sc，结果见表10～12。

表9准东高钠煤与不同比例煤矸石掺烧的结渣实验渣型及烟温
Table9SlaggingtypeandgastemperatureofZhundonghighsodiumcoalblendedwithdifferentproportionofcoalgangue

煤种第1级第2级第3级第4级3%煤矸石烟温/℃1330127411981085渣型熔融熔融强黏聚黏聚6%煤矸石烟温/℃1310126011851080渣型黏熔黏熔强黏聚黏聚10%煤矸石烟温/℃1300127011951090渣型黏熔强黏聚黏聚黏聚

表10准东高钠煤及当地低钠煤配煤掺烧结渣指数Sc
Table10SlaggingindexScofZhundonghighsodiumcoalblendedwithlowsodiumcoal

煤样准高煤准低煤90%准高80%准高70%准高60%准高50%准高Nmax2.501.752.502.502.501.751.75Sc1.060.740.890.910.770.740.68

由上述结果分析可见，在同样的容积热负荷下，准东高钠煤Sc值大于大南湖高钠煤Sc值，即准东高钠煤结渣较大南湖高钠煤要严重。在准东高钠煤与低钠煤配煤掺烧实验中，由结渣指数Sc可知，随准东高钠煤掺烧比例的减小，Sc值不断降低，结渣有明显减轻的趋势，而在大南湖高钠煤和低钠煤配煤掺烧实验中，随大南湖高钠煤掺烧比例的不断减小，Sc值变化不大，结渣没有明显减轻的趋势，分析认为主要是由于准东高钠煤灰成分中的碱金属百分比含量较高且灰分的基数总量低，同时准东低钠煤的碱金属百分比含量与准东高钠煤相差较大，从而导致掺烧低钠煤时混煤的碱金属百分比含量变化较大，所以易通过掺烧低钠煤改善结渣，而大南湖高钠煤灰分中的碱金属百分比含量较低且灰分的基数总量高且大南湖低钠煤的碱金属百分比含量与大南湖高钠煤相差不是很大，所以不易通过掺烧低钠煤改善结渣。在高钠煤掺烧煤矸石的实验中，不论是大南湖高钠煤还是准东高钠煤，随煤矸石的掺烧比例的增加，Sc值都有明显的降低，当掺烧煤矸石比例达到10%时两种煤的结渣都有了明显的改善，说明煤矸石对于高钠煤的结渣有着明显的改善作用，其原因为通过掺烧煤矸石，增加灰的基数总量，从而导致碱金属百分比含量变低，改善了结渣情况。

表11大南湖高钠煤及当地低钠煤配煤掺烧结渣指数Sc
Table11SlaggingindexScofDananhuhighsodiumcoalblendedwithlowsodiumcoal

煤样大高大低90%80%70%60%50%40%30%20%10%Nmax2.501.752.502.502.502.502.501.751.751.751.75Sc0.910.841.01.031.031.040.981.040.950.951.04

表12两种高钠煤掺烧煤矸石结渣指数Sc
Table12SlaggingindexScoftwohighsodiumcoalblendedwithcoalgangue

煤样大高掺5%大高掺10%准高掺3%准高掺6%准高掺10%Nmax1.751.752.501.751.75Sc0.710.690.980.780.61

3 结 论

(1)大南湖高钠煤和准东高钠煤都具有严重的结渣倾向，在同样的容积热负荷下，准东高钠煤的结渣状况比大南湖高钠煤要严重。

(2)准东高钠煤易通过掺烧低钠煤降低灰成分中碱金属百分比含量，改善结渣状况，而大南湖高钠煤不易通过掺烧低钠煤改变灰成分中碱金属百分比含量来改善结渣状况。

(3)大南湖高钠煤和准东高钠煤均可以通过掺烧煤矸石改善结渣状况，且当掺烧煤矸石比例达到10%时，两种高钠煤的结渣状况均得到明显改善。

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Comparativeexperimentsoftwohighsodiumcoalmixedburningslaggingcharacteristics

CHENG Youliang,SHI Hongbo,ZHANG Ning,ZHAO Na,SHI Yajun,XUE Zhanpu

(MOE’sKeyLaboratoryofConditionMonitoringandControlforPowerPlantEquipment,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)

Xinjiang high sodium coal is a good steam coal with large reserves.However,the slagging of combustion process is a serious pollution,and influences the safe operation and economics of the boiler.This paper conducted is the study based on one dimensional furnace slagging test bench to compare and analyze the slagging characteristics of two different higher-sodium coals,through experiments.The result shows that in the same volume heat load,the higher-sodium coal of Zhundong has a high slagging characteristics than that of Dananhu high sodium coal.Dananhu coal is harder than Zhundong coal to reduce slagging by burning mixed low sodium coals.The two high sodium coals can be mixed with coal gangue to improve the slagging condition and the best ratio was 10%.The experimental results provide some guidance for the use of high sodium coal in Xinjiang area.

high sodium coal;slagging characteristic;one dimensional furnace;mix-burned

程友良，施宏波，张宁，等.两种高钠煤的掺烧结渣特性对比实验[J].煤炭学报,2017,42(11):3021-3027.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0488

CHENG Youliang,SHI Hongbo,ZHANG Ning,et al.Comparative experiments of two high sodium coal mixed burning slagging characteristics[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):3021-3027.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0488

TQ534

A

0253-9993(2017)11-3021-07

2017-04-13

2017-08-28责任编辑许书阁

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016MS154，2017MS126)

程友良(1963—)，男，湖北荆州人，教授，博士生导师。E-mail:ylcheng001@163.com。

施宏波(1994—)，硕士研究生。E-mail:2653534978@qq.com