新疆准东煤结渣沾污特性研究

王 岩，高继录，陈晓利，盛增庆，郭万贵

(1．辽宁东方发电有限公司，辽宁 抚顺 113007；2．中电投东北节能技术有限公司，辽宁 沈阳 110179；3.国家电投集团新疆能源化工有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830063；4.中电投新疆能源化工集团五彩湾发电有限责任公司，新疆 昌吉 831700)

新疆准东煤是一种全新的优质煤种，具有中高水分、低灰分及高热值等特点。准东煤煤灰中碱金属氧化物含量较高，其中Na和Ca含量通常达6.2%和32.8%以上，其含量远远高于目前常见的动力用煤，这会引起严重的灰沉积问题[1-2]。在电厂燃用准东煤的过程中出现了炉内燃烧器区域水冷壁结渣严重现象，进而导致锅炉炉膛出口烟温升高以及高温过热器和高温再热器沾污堵塞、超温爆管等问题，严重时停炉清理，限制了准东煤的大规模应用[3-5]。新疆某电厂掺烧准东天池煤连续运行15天后，从炉膛到水平烟道再到尾部受热面均出现大面积结渣、沾污，且质地非常坚硬、难以处理，爆管现象也频繁发生。如何安全、高效燃用准东煤以及如何解决燃用准东煤出现的问题成为准东地区电力企业面临的棘手问题[6-7]。

1 燃烧特性分析

某准东矿区煤的干燥无灰基挥发分为31.12%，全水分为25.01%，收到基灰分为3.34%，收到基硫含量为0.28%，收到基低位发热量为20 167 kJ/kg，属于中高挥发分、特低灰分、高水分、高热值褐煤，是优良的动力煤种。

利用热天平研究煤的燃烧特性，对其结果的特征指数进行综合分析，给出特性判别指数，则可判断煤质特性。热天平试验条件见表1。

表1 热天平试验条件

着火稳定性系数Rw见表2。由于准东矿区煤种的稳定性系数大于5.7，因此处于稳定区，其煤质极易稳定燃烧。

表2 着火稳定性系数Rw

准东矿区煤的燃尽指数Rj见表3。由于燃尽指数大于5.7，其煤质极易燃尽。

表3 燃尽指数Rj

2 灰熔点测试

准东矿区煤灰熔融性见图1，灰样分别为标准灰和低温制灰。标准制灰和低温制灰下的软化温度分别为1 388 ℃和1 364 ℃，属于较高软化温度灰，流动温度分别为1 420 ℃和1 393 ℃，分别属于较高流动温度灰和中等流动温度灰。但在实际燃煤过程中，受热面出现较为严重的结渣、沾污问题，因此单一依靠灰熔点这一指标并不能较好地说明其结渣、沾污机理。

图1 准东矿区煤灰熔融性

3 煤及煤灰成分分析

3.1 准东矿区煤成分分析

煤成分分析通过使用微波消解仪(TOPEX)与电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)完成，结果见表4。

表4 准东矿区煤成分分析 μg/g

本试验采用逐级萃取方法对煤中钠等碱金属赋值状态进行分析，选取2种较为典型的碱金属Na和K作为研究对象，结果见表5。根据结果可以看到：煤中Na多呈现为水溶性，占总量的36.6%，不可溶性钠含量次之，醋酸铵溶性钠较前两者稍少，盐酸溶性钠仅占1.9%。煤中K的赋存形态与Na相差较多，水溶性K仅为1.5%，醋酸铵溶性K比例占56.4%，不可溶性的比例较盐酸溶性稍多。准东矿区煤中水溶钠居多，有机钠和不可溶钠含量较少，出现这种分布趋势与煤的形成及进化有一定关系，新疆高钠煤中水溶钠主要来自于海水蒸发残留下的盐分和成煤植物吸收水分带入的无机盐；成煤植物中本身含有的钠则构成了煤中的有机钠，这部分钠并不是新疆高钠煤中钠的主要存在形式，不可溶钠是在进化过程中由周围环境带来的。

表5 准东矿区煤中Na、K元素的赋存形态分析 μg/g

3.2 准东矿区煤灰成分分析

灰元素含量分析是对准东矿区煤的标准制灰及低温制灰进行定量分析，结果见表6。灰中CaO含量近30%，MgO含量为17%左右，Na2O与K2O含量之和超过6%，而Al2O3与SiO2含量分别为5%与8%左右。

表6 准东矿区煤灰成分分析 %

对准东矿区煤进行结渣指数计算，结果见表7。准东矿区煤的硅指数、碱酸比、铁指数都处于严重结渣范围，计算结果表明，准东矿区煤在使用过程中会出现严重的结渣、沾污问题。

表7 结渣判别指数计算方法与判别指标

注：*表示结渣倾向严重。

灰中矿物质赋存形态分析采用X射线衍射仪(XRD)对准东矿区标准制灰、低温制灰进行矿物质物相分析。XRD扫描结果见图2。

图2 准东矿区煤灰XRD图谱1——石英(SiO2)；2——硬石膏(CaSO4)；3——石灰石(CaCO3)；4——硅酸钙(Ca2SiO4)；5——镁硅钙石(Ca3MgSi2O8)；6——氧化镁(MgO)

由图2可见，低温制灰中的矿物质与标准制灰存在明显区别。低温制灰中的矿物质主要有CaSO4、CaCO3以及少量的Ca2SiO4和SiO2。而标准制灰时CaCO3消失，这是由于石灰石的分解温度为720～800 ℃，

经过灼烧，灰中的石灰石基本完全分解。随着成灰温度升高以及CaCO3的分解，硅铝酸盐与SiO2、MgO等氧化物相结合生成新的矿物质Ca3MgSi2O8。

4 结论

a.准东矿区煤质燃烧稳定，属于易燃尽、优良的动力煤种，其着火稳定性与燃尽性能介于烟煤和褐煤之间。

b.准东矿区煤中水溶钠居多，有机钠和不可溶钠含量较少，煤中醋酸铵溶性钾占50%以上，说明以羧酸盐形式存在的有机钾多于以配位形式存在于含氮或含氧官能团上的有机钾。

c.准东矿区煤的标准灰中Na2O含量达到7%，属于典型高钠煤，根据硅指数、碱酸比、铁指数判别标准，其具有严重结渣和严重沾污特性。