掺混不同粒径煤灰对准东煤积灰及烧结特性的影响.pdf

第 卷 第期 年月P OWE RE QU I PME N TV o l ,N o J u l 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家电力投资集团有限公司统筹科技项目(H)作者简介:肖雄(),男,工程师,从事能源清洁利用及开发的工作.E m a i l:q q c o m研究与分析掺混不同粒径煤灰对准东煤积灰及烧结特性的影响肖雄,泮浩翔,吕为智,于敦喜(中电投新疆能源化工集团吐鲁番有限公司,新疆吐鲁番 ;上海发电设备成套设计研究院有限责任公司,上海 ;华中科技大学 能源与动力工程学院 煤燃烧国家重点实验室,武汉 )摘要:针对采用添加高岭土缓解准东煤燃烧后积灰的方法成本较高的问题,将粒径分级处理后的准东煤煤灰作为添加剂,结合沉降炉积灰实验和固定床烧结实验对不同粒径煤灰的积灰控制效果进行评估.结果表明:不同粒径煤灰的成分组成和矿物分布有所差异,粒径 m的煤灰中莫来石等硅铝矿物含量显著高于其他粒径段煤灰.掺混粒径 m的煤灰后换热面积灰在外力作用下更容易脱除;掺混粒径 m的煤灰不仅无法控制积灰生长,而且会加大积灰的清除难度.掺混粒径 m的煤灰后烧结程度减弱是导致换热面积灰清除难度较低的主要原因.关键词:准东煤;煤灰;添加剂;积灰特性;烧结特性中图分类号:T K 文献标志码:A文章编号:X()D O I:/j c n k i f d s b E f f e c t so fC o a lA s hw i t hD i f f e r e n tP a r t i c l eS i z e so nA s hD e p o s i t i o na n dS i n t e r i n gC h a r a c t e r i s t i c so fZ h u n d o n gC o a lX i a oX i o ng,P a nH a o x i a ng,L W e i z h i,Y uD u n x i(X i nji a ngE n e rg yC h e m i c a lC o,L t d,o fS t a t eP o w e r I n v e s t m e n tC o,L t d,T u rpa n ,X i nji a ngUy gu rA u t o n o m o u sR egi o n,C h i n a;S h a ngh a iP o w e rEqu ipm e n tR e s e a r c hI n s t i t u t eC o,L t d,S h a ngh a i ,C h i n a;S t a t eK eyL a b o r a t o ryo fC o a lC o m b u s t i o n,S c h o o l o fE n e rg ya n dP o w e rE ngi n e e r i ng,H u a z h o ngU n i v e r s i tyo fS c i e n c ea n dT e c h n o l og y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ea s hd epo s i t i o nf r o mt h ec o m b u s t i o no fZ h u n d o ngc o a l c a nb ea l l e v i a t e dw i t ht h ea d d i t i o no fk a o l i n,w h i l et h ec o s to f t h em e t h o d i sh igh T a k i ngt h eZ h u n d o ngc o a l a s hw i t hd i f f e r e n tpa r t i c l e s i z e sa s t h ea d d i t i v e s,c o m b i n e dw i t ht h ea s hd epo s i t i o ne xpe r i m e n ti nad r opt u b ef u r n a c ea n dt h es i n t e r i nge xpe r i m e n t i naf i x e db e df u r n a c e,a ne v a l u a t i o nw a sc o n d u c t e do nt h ec o n t r o le f f e c to fa s hd epo s i t i o no fZ h u n d o ngc o a la s h w i t h d i f f e r e n tpa r t i c l es i z e s R e s u l t ss h o w t h a tt h ec o mpo s i t i o n a n dt h e m i n e r a ld i s t r i b u t i o no fZ h u n d o ngc o a la s h w i t hd i f f e r e n tpa r t i c l es i z e sa r ed i s t i n c t,a n dt h ec o n t e n to fs i l i c o n a l u m i n u m m i n e r a l s s u c ha sm u l l i t e i nc o a la s ho fm o r et h a n mi ss ign i f i c a n t lyh igh e rt h a nt h a t i nt h ec o a l a s ho fo t h e r s i z e s T h ea s hd epo s i t o no nt h eh e a t e x c h a nge s u r f a c e i s e a s i lyt ob er e m o v e dw i t ht h e t h ea d d i t i o no fc o a l a s ho fm o r et h a n m,h o w e v e r,t h ec o a la s ho fl e s st h a n mn o to n lyc o u l dn o tpr e v e n t t h ed e v e l opm e n t o fd epo s i t i o n,b u t a l s oc o u l dag gr a v a t e t h e r e m o v a l d i f f i c u l tyo f t h ed epo s i t e da s hT h e l e s s r e m o v a ld i f f i c u l tyo f t h ed epo s i t e da s ho n t h eh e a t e x c h a nge s u r f a c e i sm a i n lyc a u s e dbyt h ew e a k e rs i n t e r i ngw i t ht h ea d d i t i o no fc o a l a s ho fm o r et h a n mK e y w o r d s:Z h u n d o ngc a o l;c o a l a s h;a d d i t i v e s;a s hd epo s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s;s i n t e r i ngc h a r a c t e r i s t i c s第 卷新疆准东地区煤特资源存储丰富且价格常年稳定在较低水平,是我国能源结构转型阶段的重要保障.但由于准东煤灰中含有较高含量的碱性元素,锅炉在实际运行中面临沾污结渣问题,严重限制其燃烧利用.因此,研究并防控准东煤燃烧过程中的沾污结渣问题对于充分利用新疆准东地区丰富的煤炭资源具有重要意义.掺混硅铝基添加剂(如高岭土、S i O、A lO等)是缓解准东煤积灰的主要手段,但硅铝基矿物地域分布不均且成本较高.因此,有学者提出将煤灰作为添加剂来改善准东煤积灰问题.煤灰作为添加剂的原料,具有如下多方面优势:获取难度低;降低准东地区煤灰的处置成本;节省电站添加剂成本.目前,已有学者针对煤灰的积灰控制性能开展了相关研究.WE IB等对比研究了煤灰、S i O和高岭土的固钠能力,发现 K温度下煤灰的固钠能力优于高岭土.常明等研究表明煤灰的固钠能力与灰中硅铝含量呈正相关性.张雪慧等对煤灰的熔融特性进行评估,发现粒径 m的煤灰具有较高的灰熔点.综合来看,上述研究主要关注煤灰的固钠能力及灰熔融特性,而对于积灰特性和烧结特性缺乏全面表征.笔者以准东煤煤灰作为研究对象,结合高温沉降炉积灰实验及固定床烧结实验,详细分析不同粒径煤灰对准东煤积灰特性的影响,并且与高岭土进行对比,评估煤灰作为添加剂的应用潜能,为准东地区煤灰的利用及低价添加剂的开发提供新的思路.实验方法 实验样品选用准东地区高钠高钙煤作为实验用煤,在本文中记为Z D.实验前将煤样研磨筛分至 m以下.煤样的工业分析、元素分析见表.表准东煤工业分析与元素分析项目数值工业分析w(Ma d)/w(Va d/)w(Aa d)/w(F Ca d)/元素分析w(Ca d)/w(Ha d)/w(Oa d)/w(Na d)/w(Sa d)/为使添加剂性能评估结果具有对比性,此处选取电站运用较为广泛的高岭土作为对照添加剂,在本文中记为K.准东煤低温煤灰及高岭土的成分分析见表.该电站在燃用准东煤时混烧约 的高硅铝煤.实验用煤低温煤灰中含有 的N aO和 的C a O,在实际燃烧中换热面存在积灰的问题.表准东煤低温煤灰与高岭土成分分析项目准东煤低温煤灰高岭土w(N aO)/w(M g O)/w(A lO)/w(S i O)/w(PO)/w(S O)/w(KO)/w(C a O)/w(F eO)/为改善准东煤的积灰问题,选用准东地区电站燃煤生成的煤灰作为添加剂.利用振动筛分仪将粉煤灰按照粒径分为 m、m和 m个粒径段.实验方法准东煤积灰实验在高温沉降炉 沉积炉耦合台架上进行,图为沉降炉 沉积炉耦合台架的示意图.实验台架主要由给气系统、给粉系统、炉膛反应器、温度控制系统及样品收集系统组成,其中主要在沉降炉下方的沉积炉中收集积灰样品.沉积炉内置石英材质T形反应管,反应管内径为 mm,与沉降炉内刚玉反应管内径保持一致.沉积炉炉体中部设有取样孔,实验过程中取样探针伸入取样孔对沉积样品进行收集.取样探针前部套有沉积管,沉积管为 不锈钢材质,管长为 mm,内径为 mm,外径为 mm.关于实验台架的具体介绍可以参考文献.图高温沉降炉 沉积炉耦合台架示意图第期肖雄,等:掺混不同粒径煤灰对准东煤积灰及烧结特性的影响实验过 程中沉降炉 内 的 燃 烧 温 度 设 置 为 ,沉积炉内温度设置为 ,以模拟对流传热区的烟气温度.燃烧气氛为空气气氛,燃烧供气量(体积流量)为 L/m i n,一、二次风比例(体积流量之比)为 .煤粉由振动给粉器送入炉膛,控制给粉速率为 g/m i n,煤粉颗粒在炉内的停留时间约为s.积灰取样前,将取样管套在取样探针前端,取样探针内部采用压缩空气冷却,通过调节压缩空气流量,使取样管表面温度维持在 左右.取样探针在采样过程中由电动马达带动并保持r a d/m i n的转速缓慢旋转.准东煤燃烧生成的煤灰由孔径为 m的玻璃纤维滤筒收集.参考实际电站高岭土的添加情况,实验中各添加剂的掺混比例均设定为(即燃煤质量与添加剂质量之比为 ).为保证数据可靠性,每组实验重复次以上.烧结实验在管式炉中进行,将沉降炉燃烧收集到的煤灰在一定压力下压制成与实际锅炉沉积物密度(约为 g/c m)相近的灰柱,并于恒温管式炉内加热约h后取出冷却至室温.实验烧结温度选择 K,实验工况的温度间隔为 K.实验方法采用X射线荧光光谱仪(X R F)和计算机控制扫描电镜(C C S E M)测定灰样的成分组成和矿物分布.采用精密天平对积灰前后取样管质量进行称重,计算差值为积灰质量.对积灰进行水洗,采用电感耦合等离子质谱仪(I C P M S)和离子色谱(I C)对积 灰 中 水 溶 态N a、K、C a、M g、C l和S O等阴阳离子进行定量分析.采用环压强度测试仪对烧结后煤灰的抗压强度进行测试分析.结果与分析 煤灰成分与矿物分布特性原煤灰及不同粒径煤灰的成分见表.表原煤灰及不同粒径煤灰的成分项目原煤灰 m煤灰 m煤灰 m煤灰w(N aO)/w(M g O)/w(A lO)/w(S i O)/w(PO)/w(S O)/w(C l)/w(KO)/w(C a O)/w(F eO)/由表可得:原煤灰中碱性元素含量较高,其中C a O质量分数达到 以上,体现出准东煤灰的高碱 特 性.对 比 不 同 粒 径 煤 灰,N aO、C a O和M g O等碱性成分更易于在粒径 m的煤灰中富集,A lO和S i O更易于在粒径 m的煤灰中富集.上述结果表明,粒径分级处 理 可 以 有 效 地 对 不 同 成 分 的 煤 灰 进 行区分.相比于成分组成,煤灰的矿物分布对于灰的行为具有更重要的影响,因此通过C C S EM进一步对煤灰的矿物分布进行定量分析,结果见图.图不同粒径煤灰的矿物分布由图可知:煤灰中检测到的矿物包括富硅矿物、钠硅铝酸盐、莫来石、蒙脱石、石英、复杂硅铝酸盐及少量钙硅铝酸盐,其中复杂硅铝酸盐是由C a、F e、S i和A l组成的复杂矿物(C a O、F eO、S i O、A lO的质量分数之和大于).对比不同粒径煤灰的矿物分布,可以明显发现:随着粒径的增大,煤灰中复杂硅铝酸盐含量明显降低,莫来石含量增加,这表明不同粒径煤灰的成灰矿物有所区别.细灰颗粒可能来源于混煤中矿物间的交互反应,而大粒径的外在矿物不易发生气化、熔融,与其他矿物间的交互程度较弱,在燃烧过程中直接转化为粗灰颗粒.由于煤灰的主要成灰元素及矿物分布随粒径变化具有一定规律性,因此在本文中将主要研究对象定为粒径 m和粒径 m的煤灰(分别记为A 和A),并且开展积灰和烧结特性研究.积灰特性添加剂掺混后的积灰质量见图.由图可以看出添加剂掺混后积灰质量呈现不同程度的升高,表明积灰仍处于生长阶段,入炉灰量是影响积灰量的主要因素.对比不同添加剂对积灰质 量 的 影 响,可 以 发 现 粒 径 m和 粒径 m的煤灰掺混后积灰质量存在明显第 卷差别,其中,粒径 m的煤灰掺混后积灰质量显著增加,究其原因在于相同入炉灰量下,粗灰颗粒具有更大的运动惯性,易在换热管表面发生碰撞沉积.图添加剂掺混后积灰质量值得注意的是,高岭土在工业中已被证明对换热面积灰问题有优良的控制效果,然而在本实验中,积灰质量并未因高岭土的添加而降低,这与相关文献中基于实验台架观察到的实验现象相同,即高岭土的添加导致结焦变厚.但是,发现渣层在变厚的同时也变得更为疏松,容易清除.鉴于上述结果,考虑到在实际工业中积灰外层较为松散,容易被吹灰装置去除,因此在本文中通过晃动取样管的方法去除积灰外层,重点针对积灰内层特性进行分析,并以此对添加剂的积灰控制性能进行评价.图为添加剂掺混后积灰内层的质量,可以发现积灰内层质量与入炉灰量并未表现出明显的关联性.对比不同添加剂对积灰内层质量变化的影响,掺混粒径 m的煤灰后积灰内层质量增加约 ,而掺混粒径 m的煤灰后积灰内层质量降低约 ,其对积灰内层的控制效果与高岭土相近.图添加剂掺混后积灰内层质量综合上述研究结果可以得出:掺混粒径 m的煤灰在一定程度上可以缓解准东煤燃烧中的积灰问题;而粒径 m的煤灰不仅无法有效控制积灰内层的生长,反而会加剧准东煤燃烧积灰对受热面的危害.烧结特性煤灰烧结程度是影响受热面积灰脱落和清除的重要因素,因此采用抗压强度评估煤灰的烧结程度.抗压强度越高,煤灰的烧结程度越强.图为不同烧结温度下煤灰的抗压强度.图掺混不同添加剂后煤灰的抗压强度煤灰的初始烧结温度在 K,低于灰熔点约 K,说明在对流传热区(烟气温度约为 K),熔融程度较低的煤灰仍可以在换热表面沉积后发生烧结,导致积灰清除困难.随着烧结温度的升高,灰颗粒黏度降低、黏性流动增强,进而导致煤灰的抗压强度同步增大.对比不同添加剂对煤灰抗压强度的影响,在相同烧结温度下,掺混粒径 m的煤灰后抗压强度略有增加,而掺混粒径 m的煤灰和高岭土后抗压强度显著降低.相关研究表明烧结程度的发展主要取决于颗粒间烧结颈的生长,而烧结颈的生长可以通过F r e n k e l模型进行描述,具体计算公式 为:xr tr()式中:x为颗粒间的烧结半径;r为颗粒半径;为颗粒表面张力;t为烧结时间;为颗粒黏度.颗粒间烧结半径与颗粒半径的比值(x/r)越大,煤灰烧结程度越强.基于F r e n k e l模型对掺混不同添加剂后煤灰烧结程度的变化进行分析.根据式()可知,在相同烧结温度和时间下,x/r仅取决于颗粒粒径、表面张力和黏度.灰颗粒间的表面张力可通过氧化物线性叠加的方式计算求得,由于主要成灰氧化物间的表面张力相似,因此在相同温度下可忽略颗粒表面张力对烧结第期肖雄,等:掺混不同粒径煤灰对准东煤积灰及烧结特性的影响程度的影响.结合上文添加剂成分及矿物分布特性可以推测,掺混粒径 m的煤灰,一方面导致大粒径灰颗粒的占比增加,另一方面灰中高黏度的莫来石等矿物对准东煤灰起到稀释和分散的作用,在两方面的综合作用下煤灰的烧结程度减弱.而粒径 m的煤灰粒径较小且多为交互反应生成的低黏性矿物,掺混后在一定程度上促进烧结的发展.关联性分析为进一步研究添加剂对积灰质量变化的影响规律,将各工况积灰内层质量与 K(积灰实验中的烟气温度)下的抗压强度进行关联性分析,具体结果见图.图积灰内层质量与 K下的抗压强度由图可得:积灰内层质量的变化趋势与煤灰抗压强度的变化大致相同.掺混粒径 m的煤灰后烧结程度增强,灰颗粒间的黏结更为致密,难以通过外力清除,从而导致积灰内层质量增加;而对于粒径 m的煤灰,由于灰颗粒粒径较大,在惯性力的作用下更容易与管壁发生碰撞沉积形成较厚的积灰.但是,这些高黏度的大颗粒烧结程度较弱,积灰颗粒间的黏结相对疏松,在积灰自身重力或外力的作用下极易脱落,因此积灰内层质量不增反降.值得注意的是,掺混高岭土后煤灰的抗压强度略高于粒径 m的煤灰,但其对积灰内层的积灰控制效果要优于粒径 m的煤灰.为探究这一现象,采用I C P M S和I C对积灰内层中水溶态元素含量进行定量分析,具体结果见图.掺混高岭土后,积灰内层中N a、C a、S等水溶态元素质量显著降低,表明高岭土在抑制煤灰烧结发展的同时,还通过对碱性元素的捕集来减少N aS O和C a S O等的气相沉积,这与相关研究的结论 相吻合.而掺混粒径 m的煤灰图积灰内层水溶态元素质量后,积灰内层中的水溶态元素质量变化不大,这可能是由于煤灰自身碱性元素含量较高,难以通过气相捕集减少沉积.综上分析,掺混粒径 m的煤灰后烧结程度减弱是导致换热面积灰清除难度较低的主要原因.结语通过对准东煤掺混不同添加剂进行沉降炉积灰实验和固定床烧结实验测试,可以得到以下结论:()粒径分级处理可以对不同成分组成的煤灰进行区分,其中粒径 m的煤灰部分来源于大粒径外在矿的直接转化,其莫来石等硅铝矿物含量相对较高.()高岭土及灰添加剂的掺混均会导致总积灰量增多.掺混粒径 m的煤灰后积灰易于清除,准东 煤积灰问题 得以改善;而 掺 混 粒径 m的煤灰不仅无法改善积灰,而且会加剧准东煤燃烧积灰对换热面的危害.()粒径 m的煤灰通过自身稀释作用可以有效缓解烧结的发展,而粒径 m的煤灰对烧结的发展无明显的控制效果.()粒径 m的煤灰与高岭土对积灰的控制机理有所区别.掺混粒径 m的煤灰后烧结程度减弱是导致换热面积灰清除难度较低的主要原因,而高岭土主要通过对碱性元素蒸气的捕集来抑制内层积灰生成.参考文献:宋汉疆新疆准东煤田煤炭综合利用问题探讨J西部探矿工程,():李宇航,张喜来,张森,等准东煤防结渣添加剂应用试验J热力发电,():张雪慧,魏博,马瑞,等准东地区粉煤灰改性做高碱煤缓焦剂的熔融性能评估J热力发电,():(下转第 页)第 卷(如机组初始运行负荷及负荷变化速率)对结构寿命的影响更有待得到进一步的研究.参考文献:陈鑫,蔡文河,董树青,等机组调峰对汽轮机导汽管焊缝开裂的影响及 动态应力测试 技术初探J热加 工工艺,():赵雨兰调峰对锅炉寿命影响分析D北京:华北电力大学,易思泽灵活性运行下锅炉关键承压部件应力和寿命分析D北京:华北电力大学,张 彦 华焊 接 结 构 疲 劳 分 析 M北 京:化 学 工 业 出 版社,姚 卫 星结 构 疲 劳 寿 命 分 析 M北 京:国 防 工 业 出 版社,MAN S ONSS F a t i g u e:a c o m p l e xs u b j e c ts o m e s i m p l e a p p r o x i m a t i o n sJE x p e r i m e n t a l M e c h a n i c s,():中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会金属材料拉伸试验第部分:高温试验方法:G B/T S北京:中国标准出版社,国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会金属材料疲劳试验轴向应变控制 方 法:G B/T S北京:中国标准出版社,(上接第 页)WE IB,WAN GXB,T ANHZ,e t a l E f f e c t o f s i l i c o n a l u m i n u ma d d i t i v e so na s hf u s i o na n da s hm i n e r a l c o n v e r s i o no fX i n j i a n gh i g h s o d i u mc o a lJ F u e l,:常明,张守玉,黄小河,等高钠煤煤灰对N a C l蒸气捕获性能分析J中国电机工程学报,():YU Y,XU M H,YA O H,e ta l C h a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r t i c u l a t em a t t e r f o r m a t i o nd u r i n gC h i n e s eb i t u m i n o u sc o a lc o m b u s t i o nJP r o c e e d i n g so ft h eC o m b u s t i o nI n s t i t u t e,():何翔,施鸿飞,周文台,等添加剂对准东煤结渣和沾污特性影响 的 研 究 J动 力 工 程 学 报,():,Z HANZ H,F R Y A R,WE N D TJOLR e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u b m i c r o na s ha e r o s o lc h a r a c t e r i s t i c sa n da s hd e p o s i tc o m p o s i t i o n sa n df o r m a t i o nr a t e sd u r i n ga i r a n do x y c o a lc o m b u s t i o nJ F u e l,:WUJQ,YUDX,L I UFQ,e t a l I m p a c t o f o x y f u e l c o m b u s t i o no na s hp r o p e r t i e s a n ds i n t e r i n gs t r e n g t hd e v e l o p m e n tJ E n e r g y&F u e l s,():F R E NK E LJ V i s c o u s f l o wo f c r y s t a l l i n eb o d i e sJ J o u r n a lo fE x p e r i m e n t a l a n dT h e o r e t i c a l P h y s i c s,:WAN GXB,RUANRH,YAN GT,e t a l S u l f a t e r e m o v a lb yk a o l i na d d i t i o nt oa d d r e s sf o u l i n gi naf u l l s c a l ef u r n a c eb u r n i n gh i g h a l k a l i n eZ h u n d o n gc o a lJ E n e r g y&F u e l s,():