准东煤在液态排渣锅炉中的结渣特性和元素迁移规律
0 引 言
我国新疆地区的准东煤是一种重要的煤炭资源,预测储量达3 900亿t[1]。准东煤是一种高水分、高挥发分、低灰分、低灰熔融温度、中等热值、碱金属含量高的优质动力煤,然而由于其碱金属含量高,燃烧过程中易造成锅炉受热面结渣、沾污腐蚀等问题,严重影响锅炉的安全稳定经济运行[2-4]。因此,研究准东煤燃烧过程中受热面的积灰结渣特性和元素迁移规律十分必要[5]。
目前,准东煤的利用方式主要包括与传统动力煤掺烧或在气化炉中转化为煤气。ZHANG等[6]设计了一种新型流化床气化炉,研究了温度和O2/C比对准东煤气化性能和钠转化的影响。结果表明,底焦中钠主要形式为NaAlSiO4、NaAlSi2O6和Na2SO4等,飞灰中以NaCl和NaAlSiO4为主。随温度升高,底焦中钠含量先降低后增加,高温促进了NaAlSiO4的形成,并黏附到焦炭颗粒表面进一步抑制钠的释放。YU等[7]研究了准东煤在富氧循环流化床下的成灰特性,探究了钠、钾的释放和迁移特性。研究发现,灰分中钠和钾的残留量均随温度的升高而降低。在全氧燃烧气氛下得到的炉渣中钠含量高于空气燃烧气氛下得到的炉渣中钠,且钠以铝硅酸盐形式存在。此外,通过密度泛函理论计算验证了钠、钾之间的转化行为和水蒸气的抑制作用。LIANG等[8]对准东煤热解过程中的碱金属迁移行为进行研究,发现一部分水溶性碱金属在热解过程中会释放到气相中,但焦炭基质对碱金属化合物的释放有抑制作用,使得碱金属在焦炭表面富集。QI等[9]在循环流化床测试系统上研究了沙尔湖煤在950 ℃燃烧过程中钠和氯的迁移和转化行为,除直接蒸发的NaCl外,大多数NaCl可与其他化合物反应生成大量气态Na/Cl基产物,包括HCl、FeCl3、Na2O和原子Na,成为烟气的一部分。代百乾等[10]在实际燃用准东煤的300 MW锅炉内研究了燃烧过程中Na、Fe和S等主要元素的迁移规律及其对煤灰沾污特性的影响机制。
液态排渣技术作为一种高燃烧强度和捕渣率的燃烧技术,能有效利用高碱煤,缓解燃烧准东煤时受热面的积灰结渣腐蚀磨损等一系列危害炉膛安全的问题[11-12]。然而,关于准东煤在液态排渣炉中的燃烧研究很少。此外,目前对准东煤的研究主要集中在碱金属尤其是钠的迁移特性,而对其他金属报道较少[13-14]。
笔者研究了准东煤在20 MW卧式液态排渣炉上燃烧时的积灰结渣特性和元素迁移规律。利用灰沉积探针研究了换热器表面灰沉积对传热效率的影响。同时收集炉膛不同位置的渣样和沉积物,利用X射线荧光光谱分析和X射线衍射仪,分析了样品中化学成分和矿物质组成。通过对积灰结渣特性和元素迁移规律的研究,为准东煤在液态排渣炉中的稳定高效利用提供参考依据。
1 试 验
1.1 燃烧装置和煤样分析
试验装置如图1所示。试验在20 MW卧式液态排渣炉中进行,炉膛由旋风筒和燃尽室组成,旋风筒长2 240 mm,内径为1 500 mm。在旋风筒和燃尽室的外层包有保温层,以减小热损失。与常规锅炉不同,液态排渣锅炉的二次风由旋风筒壁面上切向入口进入。液态排渣锅炉的燃烧过程是利用高速切向二次风,在旋风筒中制造一种稳定的快速旋流,强迫煤粉颗粒产生运动。因此旋风筒中会存在一片旋流强度和热力强度很高的循环区域。试验采用天然气点火,炉膛不同部位安装有热电偶,用于监测不同位置的温度变化。试验过程中,稳定的投煤量为2.0 t/h。煤粉由一次风携带,沿旋风筒轴向进入炉膛。高速切向二次风在炉膛中形成强烈的旋流,延长了煤颗粒在炉膛中的停留时间。强烈的旋转气流将煤粉和煤灰甩向壁面,形成液态渣。燃烧产生的高温烟气沿旋风筒进入二次燃烧室(燃尽室),受到燃尽室隔墙的阻拦转变方向向下运动,再次转向经过捕渣屏、调温屏离开燃尽室。低温烟气经过旋风分离器、布袋除尘器等装置最终由烟囱排出。在烟气转向过程中,大部分携带的液渣黏附在隔墙及捕渣屏上,液渣最终通过燃尽室下的排渣孔掉入冷却水池。
图1 试验装置系统
Fig.1 Schematic diagram of the experimental system
试验煤样采用准东煤,试验工况具体见表1,一次风量为2 550 m3/h(标况下),总二次风量为10 200 m3/h(标况下),试验过程中烟气氧含量维持在4%～5%。旋风筒平均温度约1 400 ℃,捕渣屏前探针命名为探针1,捕渣屏后探针命名为探针2,探针1处温度约为1 350 ℃,探针2处温度约为1 100 ℃。
表1 试验工况
Table 1 Experimental parameter
试验用准东煤元素分析、工业分析、灰熔融温度、发热量及煤灰成分分析见表2。由表2可知,煤种干燥无灰基挥发分为42.16%,硫分St,d为0.42%,为中高挥发分低硫烟煤。其软化温度小于1 350 ℃,属于易结渣煤。
表2 煤种分析
Table 2 Coal properties
1.2 取样系统和分析方法
炉膛温度达到稳定状态时,分别在二次燃烧室的捕渣屏前后,伸入1根灰沉积探针,灰沉积探针全长2 300 mm。灰沉积探针一端与油冷循环装置相连,一端伸入炉膛,如图2所示。在探针伸入炉膛部分最前端有一段长76 mm的灰沉积区域,材料为不锈钢,通过螺纹与冷却杆相连。在沉积区域尾部,有2个直径1.8 mm的小孔,小孔间隔4 mm。内外侧小孔内各安装1根K型热电偶,分别测量内外壁温度。试验过程中,控制油冷循环装置出口的油温在100 ℃左右。
图2 灰沉积采样系统
Fig.2 Ash deposition sampling system
灰渣在灰沉积探针上生长几乎集中在沉积区域的迎风面,如图3所示。因此通过探针表面的热流密度可简化为沿圆筒半径方向的一维传热过程。通过探针表面的热流密度可表示为
(1)
图3 探针灰沉积区域横截面
Fig.3 Cross-section of the sampling part
式中,q为通过探针表面的热流密度;λ为灰沉积区域的导热系数;r1、r2分别为探针内外小孔所处位置的半径;t1、t2分别为小孔测量得到的温度;r为探针沉积部分的外径。
为直观反映灰沉积对换热面传热性能的影响,定义热流密度与初始热流密度q0的比值为相对热流密度ε:
(2)
待试验完成,炉膛完全冷却后,从人孔进入炉膛。分别收集旋风筒出口、燃尽室前墙隔板、排渣口、捕渣屏、调温屏和冷却水池的渣样,用于分析准东煤在水平液态排渣炉中的结渣特性和元素迁移特性。
2 结果与讨论
2.1 形态样貌
各位置收集到的灰渣外形样貌如图4所示。旋风筒出口处的渣样呈堆积状,灰黑色,结构松散,密度较小。这是由于在燃烧过程中未燃尽的煤粉被旋风筒壁面的熔融渣膜捕获,煤粉在熔渣中的反应表现为气化和膜式2种燃烧过程。因此会在渣层中生成诸多气孔,随渣层发展,贴近壁面的渣逐渐凝固形成松散结构。燃尽室前段隔墙处的渣样呈片状,结构较致密,表面光滑,呈亮黑色,表面有明显流动痕迹。这是由于旋风筒出口的烟气携带大量熔融灰渣液滴,撞击在隔墙表面。黏附在隔墙表面的熔渣在重力作用下向下流动,形成了片状流渣。排渣口处的渣样呈长条状,质地坚硬致密难以破碎,且密度较大。这是由于排渣口处的渣流动状态好,在流经排渣口时,温度慢慢降低,晶体有足够的时间生长。冷却水池中的渣分为2种,其中大渣与排渣口处渣相似;粒化渣呈松散的颗粒状,颗粒有明显的玻璃光泽。捕渣屏迎风面沉积可分为上下2层,下层有明显空隙结构,上层较致密。这是由于熔融的液渣撞击到捕渣屏后,温度迅速降低凝固,形成底层的空隙结构。随沉积生长,沉积物表面的温度远高于捕渣屏温度,因此液渣有足够的时间相互融合,形成致密的上层结构。随取样位置向后延续,烟气温度降低,低温区域收集的灰渣呈现没有熔融的状态。凝渣管背风面和调温屏迎风面的沉积相似,呈深棕色长条粒状,而调温屏背风面的沉积则是完全的积灰样式。在探针上收集到的渣样中,探针1上的沉积物可分为上下2层,下层为灰黑色的致密沉积物,表面几乎没有空隙。上层是坚硬的深黑色固体粒状沉积,由液渣凝固而成。探针2表面仅有1层灰黑色沉积物,该沉积物紧密黏附在探针表面,难以从探针表面取下。
图4 各位置收集到灰渣的外形样貌
Fig.4 Appearance of slag and ash at different positions in the furnace
2.2 热流密度
通过探针表面的相对热流密度随时间变化如图5所示。通过探针1的相对热流曲线可分为3段,阶段1(0～8 min)为快速下降阶段,阶段2(8～56 min)为缓慢下降阶段,阶段3(56～62 min)为稳定阶段。3个阶段的下降速率分别为0.008 75、0.003 75和0 min-1。探针刚伸入炉膛时,烟气中的碱金属氧化物直接冷凝在探针表面,导致沉积初始层的形成。在这一阶段,沉积物厚度虽然增长缓慢,但热流密度迅速下降,这表明灰沉积初始热阻较大,这是由于初始层中灰颗粒相互独立,结构松散[15]。随灰沉积生长,灰沉积表面温度远高于探针表面温度,高于碱金属氧化物的冷凝温度,热流密度下降速度放缓。在这一阶段,热流密度的下降主要归结于灰渣厚度的增长,大尺寸颗粒会在其表面沉积黏附,形成粗糙的表面结构,极大增强了灰渣对灰颗粒的捕获能力[16]。因此斜率呈线性且较平缓。当灰渣生长趋于稳定,热流密度也会在一定范围内波动。这一阶段灰沉积的生长、熔融、侵蚀达到了动态平衡[17]。探针1最终稳定的相对热流密度为0.75。
图5 通过探针的相对热流密度曲线
Fig.5 Heat flux through the deposition probes versus time
同样的,通过探针2的相对热流密度曲线同样分为3段,0～7 min的快速下降阶段,7～56 min的缓慢下降阶段,56～62 min的稳定阶段。3个阶段的下降速率分别为0.024 20、0.001 22和0 min-1。初始层形成阶段,通过探针2的热流密度较探针1下降更快,这可能与沉积物孔隙率及碱金属含量有关。而在缓慢下降阶段,通过探针2的热流密度下降更缓慢,这是由于大量灰渣被捕渣屏阻挡,撞击到探针2的灰颗粒远少于探针1,因此探针2的沉积物生长缓慢。探针2最终稳定的相对热流密度为0.83。
2.3 XRF分析
不同位置灰渣和沉积物的氧化物组成见表3。为直观反映不同区域样品的化学组成,绘制堆积柱状图,如图6所示。结合图6和表3可知,高温区域样品(1～5)中Al2O3、Fe2O3、SiO2含量较大,而CaO、MgO、Na2O、SO3则主要富集在低温区域的样品(6～9)中。Fe会在硅铝酸盐体系中充当助溶剂的作用,促进低温共熔体的产生,因此Fe2O3的富集会导致灰熔融温度降低。而铁含量低的灰颗粒则未在高温区域熔融,随烟气流经低温区或最终被布袋捕获。Na2O作为碱金属的代表氧化物,在元素迁移过程中被重点关注。试验中,高温区域平均Na2O质量分数为1.38%,而低温区域的平均Na2O质量分数则高达4.70%。煤中钠元素可分为水溶性钠、酸溶性钠、乙酸铵溶性钠和不溶性钠[18]。在液态排渣情况下,液渣对碱金属仍具有捕集效果。灰样中Na2O含量显著大于渣样中Na2O含量,这主要是灰样取样点温度低于渣样。高碱煤燃烧时,即便部分钠以NaCl或钠蒸汽形式进入烟气,但仍有相当一部分会被液态排渣所捕集,液态排渣可在燃烧过程中吸收并固定一部分碱金属,减少其进入烟气的量。而气相中的钠会在低温换热器和灰颗粒的表面冷凝沉积,增加沾污的可能性[2,19]。与钠相似,高温区域平均CaO和MgO质量分数分别为25.92%和3.81%,而低温区域为38.86%和7.85%。尽管液态渣对煤中Na具有一定捕集能力,但低温换热器表面的碱金属沉积仍是不容忽视的问题。碱金属在低温区域的富集导致SO3增加,尤其在调温屏区域,SO3平均体积分数高达15.48%。推测在锅炉低温区域,部分碱金属会以CaSO4、MgSO4、Na2SO4形式存在。另外,SiO2和Al2O3在高温区域富集,低温区飞灰不能形成黏性积灰,从而降低了换热器表面积灰的可能性。
表3 灰渣和沉积物的氧化物组成
Table 3 Chemical composition of slag and deposition
图6 渣和沉积样品的氧化物成分堆积
Fig.6 Stacking diagram of oxide composition of different slag and deposition samples
探针1沉积物上层颗粒的氧化物组成与捕渣屏迎风面沉积的组成相似,而探针1沉积物下层则与探针2沉积类似。从碱金属含量可以推断,换热器表面沉积的初始层与碱金属沉积密切相关。而沉积上层的颗粒则是介于液渣与低温沉积之间的化学组成。
2.4 XRD分析
为进一步了解准东煤在液态排渣锅炉中燃烧时的金属迁移规律,将不同区域的渣和沉积物研磨成45 μm以下颗粒,使用X射线衍射仪分析(XRD)其矿物质组成。不同区域样品的XRD分析如图7所示。
图7 炉膛不同位置灰渣和沉积的XRD分析
Fig.7 XRD analysis of slag and deposition at different locations in the furnace chamber
由图7(a)可知,旋风筒出口渣主要成分为铁透辉石(Ca1.007(Mg0.805Fe0.214)((Si1.7Fe0.241)O6))和石英(SiO2)。燃尽室前段隔墙渣主要成分为钙镁黄长石(Ca2(Mg0.75Al0.25)(Si1.75Al0.25O7))和钙镁橄榄石(MgCaSiO4)等钙镁元素的硅铝酸盐。排渣口流渣和冷却水池大渣成分相似,主要为钙镁黄长石和透辉石((Fe0.35Al0.2Mg0.44)Ca0.96(Fe0.08Si0.7Al0.2)O6.12)。结合表3可知,高温区域的渣样主要矿物质成分为钙、镁、铁的硅铝酸盐。钙铁比增大会降低灰颗粒熔点,高温区域铁元素的富集导致共熔反应增强,抑制了莫来石等高熔点矿物质的形成。这与魏博等[20]研究结果相符,对于硅钙镁铝钠体系,Fe是很好的助熔剂,Fe2O3可降低灰熔融温度,形成低温共熔物。
由图7(b)可知,捕渣屏迎风面沉积物主要矿物质成分为钙铝黄长石(Ca1.96Na0.05(Mg0.24Al0.64Fe0.12)(Si1.39Al0.61O7)) 和镁硅钙石(Ca3Mg(SiO4)2)。背风面沉积物的主要成分为钙铝黄长石、镁硅钙石、铁尖晶石(Mg(Al,Fe)2O4)、氧化镁和氧化钙。而调温屏处的沉积物主要由简单的氧化物和硫酸盐组成,如氧化硅、四氧化三铁、硫酸钙和硫酸钠,这与此前推测相吻合。碱金属与SO3反应生成硫酸盐,并在低温换热面表面冷凝,一方面增加了换热面捕获颗粒的能力,一方面增大了颗粒的黏性。
由图7(c)可知,与其他XRD分析不同,冷却水池中粒化渣的XRD分析中几乎找不出晶相的衍射峰,曲线噪声较大。这可能与粒化渣的冷却速度有关,试验过程中炉膛中的液渣通过排渣口,掉落到冷却水池。液渣在水池中迅速冷却凝固,晶体没有充足的时间生长,所以粒化渣呈现无晶相结构的玻璃态。CHEN等[21]研究发现氧化钠和氧化钙的降低会降低液渣结晶的可能性。这一结论与表3中氧化物成分相吻合。
由图7(d)可知,探针1沉积上层的颗粒与捕渣屏迎风面沉积的矿物质组成相似,主要为钙铝黄长石和镁硅钙石组成,并有少量四氧化三铁。探针1底层沉积物与探针2沉积物的主要成分相似,为氧化镁、四氧化三铁氧化钙和硫酸钙。这表明沉积初始层的形成与氧化物和硫酸盐的冷凝密切相关。
煤粉在旋风筒内燃烧时,可分为气化和壁面燃烧2个阶段。部分煤粉进入旋风炉后迅速热解,形成焦炭,并释放出诸如K、Na、Ca、S等元素进入气相;另一部分煤粉则在强旋流二次风的作用下,与焦炭和煤灰一起被旋风筒炉壁上的液渣层所捕获。因此,SiO2、Al2O3和Fe2O3富集在液态渣中,与煤和焦炭中Na发生反应,生成铝硅酸盐。大部分液态渣通过排渣孔流出,并在冷却池中淬火凝固成渣,另一部分液渣则撞击并沉积在凝渣屏上。随烟气温度降低,气相中的K、Na、Ca、S等元素通过物理缩合或化学反应沉积在飞灰颗粒和换热器表面。
3 结 论
1)探针表面沉积物的形成过程可分为3个阶段。初始层形成阶段通过探针表面的热流密度迅速下降。第2阶段热流密度下降放缓,其下降速度与沉积物的生长速度相关。沉积物生长趋于稳定时,热流密度也会在一定范围内波动。由于捕渣屏阻挡,撞击到探针2的灰颗粒远小于探针1,因此其上灰沉积生长缓慢,最终稳定的相对热流密度为0.83。
2)Al2O3、Fe2O3、SiO2等氧化物会在高温区渣样中富集,而CaO、MgO、Na2O、SO3则主要出现在低温区域的沉积中。换热器表面沉积初始层的形成与碱金属及其硫酸盐的冷凝密切相关,高温和低温区域样品中的平均Na2O质量分数分别为1.38%和4.70%。
3)渣样的主要矿物相为硅酸盐和含铁化合物,其中锅炉高温区域的Ca、Mg、Fe等元素会形成硅铝酸盐化合物。铁元素会在渣中富集,并充当硅铝酸盐体系的助溶剂,形成硅-钙-镁-铝低温共晶,促进低温共熔体的产生,导致灰熔融温度降低。由于冷却水池中粒化渣中的Na2O、CaO含量低,硅铝比较高,降温速度快,因此结晶度更低,呈现出无晶相结构的玻璃态。
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