电站锅炉用煤沾污性判别方法研究.pdf

第 48 卷 S1 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 48Special 2020 年 1 月 Coal Science and TechnologyJan．2020 电站锅炉用煤沾污性判别方法研究 史慧娟1， 2，王锦生1， 2，周棋1， 2 1．清洁燃烧与烟气净化四川省重点试验室， 四川 成都611731; 2． 东方电气集团东方锅炉股份有限公司， 四川 自贡643001 摘要 为准确预测电站锅炉用煤的沾污性， 分别采用灰中 Na2O 含量判别方法、 煤中当量 Na2O 判别 方法、 灰成分综合指数判别方法、 改进的灰成分综合指数判别方法， 对新疆地区沙尔湖煤、 五彩湾煤、 同泰煤、 国能准东煤、 黑山煤作为电站锅炉燃料时的沾污性进行预测， 并比较不同判别方法预测结果 的准确性。结果表明 采用改进的灰成分综合指数判别方法预测沾污结果与试验台试烧结果一致， 该 方法预测燃煤沾污性的准确性较高， 而其余 3 种预测方法得出的沾污程度结果与试烧结果均有明显 不符。 关键词 煤; Na2O 含量; 沾污; 判别方法 中图分类号 TD263文献标志码 B 文章编号 0253－2336 2020 S1－0232－04 Study on fouling criterion of coal used as plant boiler fuel SHI Huijuan1， 2，WANG Jinsheng1， 2，ZHOU Qi1， 2 1．Clean Combustion and Flue Gas Purification Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu611731， China; 2．Dongfang Electric group Dongfang Boiler Co．， Ltd，Zigong643001， China 收稿日期 2019－09－22; 责任编辑 赵瑞 作者简介 史慧娟 1984 ， 女， 山西大同人， 工程师， 硕士。Tel 028－87898583， E－mail shijuan111 163．com 0引言 我国新疆地区储存着大量未开发的煤炭资源， 占中国预测煤炭资源总量的 40．6。随着新疆地区 煤的发现、 开采、 使用， 发现在其作为电站锅炉燃料 时易引起设备沾污现象的出现 ［1－2 ］， 严重影响设备 的正常运行。早在 2011 年就发现某电厂循环流化 床锅炉在燃用新疆五彩湾煤期间， 锅炉分离器后的 尾部烟道中的受热面存在严重沾污的情况。目前的 研究普遍认为是煤中钠挥发后冷凝于温度较低的受 热面后， 吸附灰颗粒造成 ［3－4 ］。为了保证锅炉的正 常运行， 避免沾污的出现， 对锅炉燃煤沾污性的准确 预测尤为重要。 目前主要采用的沾污性判别方法有 灰中 Na2O 含量 ［5 ］、 煤中当量 Na 2O ［6－7 ］、 灰成分综合指数法［8 ］ 等， 但使用这些方法预测煤的沾污性与实际使用情 况不太吻合， 故而寻求更加准确判断煤在作电站锅 炉燃料时沾污性的方法， 对锅炉设计时采取针对性 的防沾污措施具有重要的指导意义。 笔者通过一步浸取与低温制灰相结合法测试煤 中钠含量 ［9－10 ］， 采用燃烧过程单位质量灰对应煤中 钠挥发量与灰中碱酸比的乘积作为判别指数， 与沾 污程度关联， 通过对多个代表性煤种的试验数据、 沾 污试验结果的分析归纳， 形成了改进的灰成分综合 综合指数判别沾污的方法。并与常用煤沾污性的判 别方法判别结果进行对比， 验证了该方法的准确性。 1试验 1．1试验煤样分析 选用沙尔湖煤、 五彩湾煤、 同泰煤、 国能准东煤、 黑山煤为研究对象。煤样室温干燥， 筛分至粒径小 于 0．071 mm， 对煤样进行分析， 结果见表 1。煤样依 照国标 GB/T 15742007 灰样的制备方法制灰， 灰 成分结果见表 2。试验煤种在煤粉燃烧 3 MW 中试 试验台试烧， 结果可知， 沙尔湖煤、 五彩湾煤为严重 沾污性煤， 同泰煤为中等沾污性煤， 国能准东煤和黑 山煤为低沾污性煤。 1．2一步浸取与低温制灰相结合法测试煤中钠 含量 ［9 ］ 采用 40 倍于煤样质量浓度为 0．25 mol/L 的盐 酸溶液， 对煤样在 60 ℃恒温水浴浸取 24 h， 冷却后 分离滤液与滤渣。滤液定容后测试得出可溶性钠含 量; 滤渣经 600 ℃低温制灰， 灰样消解定容后测试、 计量得出煤中不溶态钠含量; 可溶态钠含量与不溶态 钠含量之和得出煤中钠含量， 以 Na2O 表示， 记为 wz。 不同煤种中单位质量 Na2O 含量测试结果见表3。 232 史慧娟等 电站锅炉用煤沾污性判别方法研究2020 年 S1 表 1煤的工业分析和元素分析 Table 1Proximate and ultimate analysis of coals 样品 工业分析/ 元素分析/ MadAadVadFCadw C ad w H ad w N ad w S ad w O ad 热值 Qnet， ad/ MJkg －1 沙尔湖煤15．0010．4328．4546．1253．672．940．520．4317．0118．78 五彩湾煤13．596．4324．6455．3460．722．810．520．5615．3721．55 同泰煤11．8316．2529．3542．5756．133．440．810．6510．8920．62 国能准东煤6．7338．2520．3334．6940．572．380．240．3111．5214．22 黑山煤4．6219．1931．1045．0957．483．470．581．3613．3021．48 表 2煤的灰成分分析 Table 2Ash analysis of coals 样品 灰成分/ SiO2Al2O3Fe2O3 CaOMgO SO3TiO2K2ONa2OP2O5MnO2 沙尔湖煤36．4816．555．8829．452．693．200．840．394．4400．08 五彩湾煤35．627．628．7530．156．675．970．30．523．820．360．21 同泰煤39．8812．1113．9618．191．988．260．51．722．970．140．29 国能准东煤52．9514．475．2116．311．993．820．731．582．690．10．15 黑山煤37．0911．149．2932．995．342．520．330．790．220．010．27 表 3单位质量煤中钠含量 Table 3Sodium content of unit mass coal 样品沙尔湖煤五彩湾煤同泰煤国能准东煤 黑山煤 wz/0．9070．3910．5381．1190．051 1．3煤样沾污性判别方法 1．3．1灰中 Na2O 含量判别方法 依据煤灰成分分析数据， 把煤灰分成烟煤型灰 和褐煤型灰， 其中烟煤型灰中 Fe2O3＞ CaO MgO; 褐煤型灰中 Fe2O3＜ CaO MgO。由于 Na2O 含量对 沾污影响最为显著， 且针对烟煤型灰与褐煤型灰具 有不同的沾污判别指标， 沾污判别指标见表 4。 表 4灰中 Na2 O 含量确定的沾污判别指标［5 ］ Table 4Fouling criteria determined by Na2O of ash 烟煤型灰褐煤型灰 灰中 Na2O 含量/ 沾污程度 灰中 Na2O 含量/ 沾污程度 ＜0．5低＜2．0低 0．5～1．0中2．0～6．0中 1．0～2．5高6．0～8．0高 ＞2．5严重＞8．0严重 由表 4 可知， 在 Na2O 含量相同时， 烟煤型灰对 设备的沾污程度明显强于褐煤型灰。 1．3．2煤中当量 Na2O 判别方法 由于认为碱金属是引起设备沾污现象出现的主 要原因， 而存在于煤中的主要碱金属为 Na 和 K， 因 此将灰中 K 换算为 Na 后， 综合考虑其对沾污性的 贡献， 得出煤中当量 Na2O 判别指标。煤中当量 Na2 O 含量依式 1 计算得出， 依照煤中当量 Na2O 判别 沾污性指标见表 5。 表 5煤中当量 Na2 O 沾污性判别指标 ［7 ］ Table 5Fouling criteria determined by equivalent Na2O of coal 煤中当量 Na2O/ 沾污程度 ＜0．30低 0．30～0．45中 0．45～0．60高 ＞0．6严重 煤中当量 Na2O ［ w Na2O 0．659w K2O ］ Ad/100， 其中 w Na2O 为灰中 Na2O 质量分数; w K2O 为灰中 K2O 质量分数; Ad为煤的干基灰分 质量分数。 1．3．3灰成分综合指数判别方法 灰成分综合指数判别方法认为沾污的发生与灰 成分中碱酸比 B/A 、 单位质量灰中 Na2O 含量有 关， 认为灰中 Na2O 质量分数与 B/A 乘积越高时， 燃煤沾污性越强。沾污性判别公式为 B/Aw Na2 O 。其中 B 为灰中 CaO、 MgO、 Fe2O3、 Na2O、 K2O 质 量分数之和， A 为灰中 SiO2、 Al2O3、 TiO2质量分数之 和。灰成分综合指数沾污判别界限 ［8 ］见表 6。 332 2020 年 S1 煤 炭 科 学 技 术 第 48 卷 表 6灰成分综合指数沾污判别界限 Table 6Fouling criteria determined by ash composition index B/Aw Na2O 沾污程度 ＜0．20低 0．20～0．50中 0．50～1．00高 ＞1．00严重 1．3．4改进的灰成分综合指数判别方法 由于沾污发生的原因为煤中碱金属在燃烧过程 中挥发进入烟气， 热烟气中的碱金属在遇到温度较 低的受热面发生冷凝， 并吸附烟气中灰颗粒导致， 而 在灰成分综合指数判别方法中采用的是灰中 Na2O 质量分数， 与沾污发生原因不一致。因此， 改进的灰 成分综合指数法通过计算燃烧过程中 100wz/Aad－ w Na2O ， 将沾污判别公式改进为式 1 ， 其判别界 限见表 7。 ZB/A［ 100wz/Aad－w Na2O ］ 1 其中 Z 为沾污性的判别值; wz为煤中 Na2O 质 量分数; Aad为煤空干基灰分; w Na2O 为灰中 Na2O 质量分数; ［ 100wz/Aad－w Na2O ］为燃烧过程中单 位质量灰对应煤中钠挥发量。 表 7改进的灰成分综合指数沾污判别界限 Table 7Fouling criteria determined by improved ash composition index Z沾污程度 ＜0．20低 0．20～0．50中 0．50～1．00高 ＞1．00严重 2结果与讨论 2．1灰中 Na2O 判别方法 根据表 2 中 CaO、 MgO 含量计算 CaOMgO 值， 根据表 4 判别界限判别研究煤的沾污性结果和 实际的沾污试验结果， 见表 8。 表 8 CaOMgO 含量及沾污性判别结果 Table 8Ｒesult of CaOMgO content and fouling extent 样品名称 CaOMgO 含量 Fe2O3 含量 预测沾污 程度 试烧沾污 结果 沙尔湖煤32．145．88中严重 五彩湾煤36．828．75中严重 同泰煤20．1713．96中中 国能准东煤18．305．21中低 黑山煤38．339．29低低 由表8 可知， 研究煤样对应的灰均为褐煤型灰， 其 沾污性强弱程度结果除黑山煤为低沾污性外， 其余煤 样均为中等沾污性煤， 此判别结果与试烧试验结果不 符。该判别结果将基本不发生沾污的国能准东煤样判 别为中等沾污强度; 将严重沾污性的沙尔湖煤、 五彩湾 煤预测为中等沾污性煤; 判别结果出现明显失真。 2．2煤中当量 Na2O 判别方法 由于认为沾污不仅与煤中 Na2O 含量有关， 还 与 K2O 的含量有关， 且采用灰中 Na 2O 含量判别沾 污性结果与实际试烧结果差别较大， 为了提高沾污 性判别的准确性， 综合考虑煤中碱金属含量是造成 沾污的主要原因， 因此， 采用煤中当量 Na2O 含量作 为沾污判别准则。采用该方法对研究煤样的沾污性 判别结果见表 9。由表 9 可知， 由该判别方法得出 沙尔湖煤为高沾污性， 五彩湾煤为中等沾污性， 同泰 煤与国能准东煤都为严重沾污性煤， 与实际试烧结 果符合性较差; 仅对黑山煤的沾污性判别结果为低 沾污性， 与试烧结果相一致， 判别结果较为准确。 表 9煤中当量 Na2 O 判别结果 Table 9Ｒesult of fouling by equivalent Na2O of coal 样品名称 煤中当量 Na2O/ 沾污程度 沙尔湖煤0．58高 五彩湾煤0．31中 同泰煤0．76严重 国能准东煤1．53严重 黑山煤0．15低 2．3灰成分综合指数判别方法 采用灰成分综合指数判别方法对研究煤样沾污 性判别结果见表 10。由表 10 可知， 采用该判别方 法对严重沾污性的沙尔湖、 五彩湾煤的沾污性判断 结果与实际一致; 而对于中等沾污性和低沾污性煤 的判断结果比实际试烧结果沾污程度偏高， 尤其是 将低沾污性的神华国能新疆准东煤判别为严重沾污 性与试烧结果明显不符。可见采用灰成分综合指数 判别方法对中等沾污、 低沾污性煤沾污性判别的适 用性有限。 表 10灰成分综合指数判别结果 Table 10Ｒesult of fouling by ash composition index 样品名称灰成分综合指数沾污程度 沙尔湖煤3．53严重 五彩湾煤4．38严重 同泰煤2．20严重 国能准东煤1．10严重 黑山煤0．22中 2．4改进的灰成分综合指数判别方法 目前研究认为沾污的发生是由煤中碱金属挥发 432 史慧娟等 电站锅炉用煤沾污性判别方法研究2020 年 S1 引起的， 因此， 为了寻找、 建立能够准确判别煤沾污 性的方法， 对灰成分综合指数判别方法进行改进， 改 进后的判别方法充分考虑煤中钠在燃烧过程中的挥 发量、 灰分及碱酸比对沾污性的影响， 最终确定采用 Z［ 100wz/Aad－w Na2O ］B/A 预测燃煤沾污性， Z 值越大， 煤燃烧时导致设备沾污程度越强。采用该 方法对研究煤种沾污判别结果见表 11， 结果可知， 沙尔湖煤、 五彩湾煤为严重沾污性煤， 同泰煤为中等 沾污性煤， 神华国能新疆准东煤与黑山煤为低沾污 性煤， 与试验台试烧结果一致， 说明采用该沾污判别 方法对煤沾污性判别较为准确。 表 11改进的灰成分综合指数判别结果 Table 11Ｒesults of fouling by improved ash composition index 样品名称Z沾污程度 沙尔湖煤3．39严重 五彩湾煤2．59严重 同泰煤0．25中 国能准东煤0．10低 黑山煤0．05低 3结语 分别采用灰中 Na2O 含量、 煤中当量 Na2O 含 量、 灰成分综合指数法、 改进的灰成分综合指数法， 对 5 种新疆地区煤样的沾污性进行预测并试验验 证， 结果表明采用改进的灰成分综合指数法预测研 究煤种的沾污性与实际吻合性好， 其余 3 种预测结 果与试烧结果均存在不同程度的差异。改进的灰成 分综合指数由公式 Z ［ 100wz/Aad－w Na2O ］B/A 计算得出， 其中煤中 Na2O 含量 wz采用一步浸取与 低温制灰相结合法测试、 计算得出。该公式计算的 值反映了煤中挥发钠的量， 而挥发钠的量与沾污的 相关性更强， 所以从理论上讲， 该方法的预测符合 性、 准确性更好; 由于沾污性与燃烧温度具有相关 性， 该方法还可用于不同燃烧温度时沾污性判别， 仅 需将与温度有关的数值进行替换计算 Z 值即可。 参考文献 Ｒeferences ［ 1］郭涛，曹林涛，黄中，等． 准东高钠煤燃烧利用技术研究 ［J］． 煤炭技术，2015， 34 1 331－333． GUO Tao，CAO Lintao，HUANG Zhong， et al． Ｒesearch on using technology in Zhundong high sodium coal combustion［J］． Coal Technology，2015，34 1 331－333． ［ 2］张守玉， 陈川， 施大钟， 等． 高钠煤燃烧利用现状［J］． 中国电 机工程学报，2013，33 5 1－12． ZHANG Shouyu，CHEN Chuan， SHI Dazhong，et al． Situation of combustion utilization of high sodium coal［J］． Proceedings of the Chinese Society Electrical Engineering，2013，33 5 1－12． ［ 3］代百乾， 乌晓江， 张忠孝． 高碱煤燃烧过程中灰中主要元素的 迁移规律［J］．动力工程学报，2014，34 6 438－442． DAI Baiqian，QU Xiaojiang，ZHANG Zhongxiao． Transition be- havior of main elements in fly ash during high alkali coal combus- tion［J］． Journal of Chinese Society of Power Engineering，2014， 34 6 438－442． ［ 4］马达夫，何翔，周文台，等． 新疆高碱煤沾污特性的分析 ［J］． 发电设备，2016，30 1 7－10． MA Dafu， HE Xiang， ZHOU Wentai， et al． Analysis on character- istics of Xingjiang high－alkali coal［J］． Power Equipment，2016， 30 1 7－10． ［ 5］杨忠灿，刘家利，姚伟．准东煤灰沾污指标研究［J］． 洁净煤 技术，2013，19 2 81－84． YANG Zhongcan， LIUJiali， YAOWei．Foulingindexof Zhundong coal ash［J］． Clean Coal Technology，2013，19 2 81－84． ［ 6］于强，张健强． 燃用高钠煤对锅炉受热面的影响［J］． 锅炉 制造，2012 4 4－6． YU Qiang，ZHANG Jianqiang． Effect of burning high－sodium coal on boiler heating surface［J］． Boiler Manufacturing，2012 4 4－6． ［ 7］杨忠灿，刘家利，何红光． 新疆准东煤特性研究及其锅炉选型 ［J］． 热力发电，2010，39 8 38－44． YANG Zhongcan，LIU Jiali，HE Hongguang． Study on properties of Zhundong coal in Xinjiang region and type－selection for boilers burning this coal sort［J］． Thermal Power Generation，2010，39 8 38－44． ［ 8］姚伟，何红光，刘家利，等． 煤灰沾污性能判别试验研究 ［J］． 热力发电，2010，39 3 65－70． YAO Wei， HE Hongguang， LIU Jiali， et al． Test on distinguishing contaminationpropertiesofcoalash ［J］．ThermalPower Generation，2010，39 3 65－70． ［ 9］史慧娟，张章，王鑫，等． 煤中钠质量分数测试方法研究 ［J］．动力工程学报，2018，38 1 8－12． SHI Huijuan，ZHANG Zhang，WANG Xin，et al． Study on deter- mination of sodium content in coal［J］．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2018，38 1 8－12． ［ 10］史慧娟，周棋，陈山林，等． 添加剂对沙尔湖煤矿煤中钠 挥发比的影响［J］．煤炭科学技术，2017，45 9 215－219． SHI Huijuan，ZHOU Qi，CHEN Shanlin， et al．Effect of additives on sodium release proportion in coal from Shaerhu Coal Mine［J］． Coal Science and Technology，2017，45 9 215－219． 532