成灰温度对准东煤灰理化特性的影响

成灰温度对准东煤灰理化特性的影响

0灰特性对煤灰理化特性的影响随着我国经济的快速发展，能源需求日益增多，煤炭替代问题日益严重。已发现的准东煤田蕴藏着3900亿吨煤炭资源,且准东煤具有着火、燃尽性能优良、燃烧稳定性强等优点,能够很大程度上缓解我国煤炭资源短缺的问题,但是由于目前对准东煤的煤质特性缺乏足够的认识,在燃用过程中出现了炉内燃烧器结渣严重,高温过热器、高温再热器沾污堵塞等问题,大大降低了设备的利用率,严重影响了电站锅炉的安全经济运行。灰分的制备条件对煤灰的特性有重要影响,准东煤属于低阶烟煤,煤灰中钠含量很高,在燃烧条件下,碱金属在较低温度区间就可以从燃料挥发进入气相。因此,若仍按照国标成灰温度制灰,必然会使准东煤灰的理化特性较其实际特性产生偏差,因而有必要就成灰温度对准东煤灰理化特性的影响展开研究,从而选取能够正确反映其灰特性的成灰温度。目前,国内外关于成灰温度对煤灰理化特性影响的研究很少。本文较全面的研究了成灰温度对准东煤灰理化特性的影响,并提出了适合高碱金属含量煤种的结渣判定方法。1实验1.1煤种成灰温度对煤制灰效果的影响实验煤种选用紫金烟煤(ZJ)、五彩湾烟煤(WCW)和天池烟煤(TC)3种准东煤,宁夏羊肠湾烟煤(YCW)、宁夏枣泉烟煤(ZQ)、宁夏梅花井烟煤(MHJ)和焦作无烟煤(JZ)4种对比煤种,其灰成分分析见表1。根据我国煤制灰标准(GB/T212-2008)和美国生物质制灰标准(ASTME1755-01),选取了575℃、655℃、735℃和815℃四个成灰温度,对应的中间停留温度分别为300℃、375℃、430℃和500℃。将3种准东煤分别在575℃、655℃、735℃和815℃温度条件下制灰,对比煤种在575℃和815℃温度条件下制灰。观察灰皿内灰样可以发现,随着成灰温度的升高,灰样密度增大,颜色加深,3种准东煤虽然观察不到熔融现象,但随着成灰温度的升高,灰样烧结情况越明显,越难清洗。1.2样品和测试方法称重采用BS210S型精密电子天平,精度为0.1mg。灰成分采用微波消解-ICP-OES测量,灰样的消解采用MUltiwave3000微波消解仪,灰样质量为0.1g,消解试剂采用优级纯5mLHNO3、2.5mLHCl、0.3mLH2O2和1mLHF,消解条件见表2,每批样品制备一份试剂空白溶液。消解液和试剂空白溶液过滤后采用美国PerkinElmer公司生产的Optima7000DV型ICP-OES(电感耦合等离子体-原子发射光谱仪)测量溶液中金属元素的含量。灰样的熔融特征温度采用HB-HR400微机灰熔点测定仪测定,根据GB/T219-2008,灰样制成高20mm,底边长7mm的椎体,炉体升温速率10℃·min-1,最高可达1600℃,测量误差±1℃。灰样热失重实验采用法国塞塔拉姆公司生产的LabsysEvo同步热分析仪。试样质量为10mg,O2和N2流量分别为10mL·min-1和40mL·min-1,升温速率为20℃·min-1,在815℃保持30min,终温为1500℃。2结果与分析2.1碱金属含量对灰分量相对变化率的影响不同成灰温度下灰分量如表3所示,可以看出,随成灰温度升高,灰分量逐渐减少,且不同的煤种减小的幅度也不同,这是因为温度越高,煤燃烧越充分,在高温下以有机连接形式存在的无机元素越易于挥发,造成灰分量减少。对于准东煤,655℃灰分量减小幅度最大,当成灰温度高于655℃时,灰分量减少幅度较小,这是由575℃灰中含有可燃成分导致的,所以对于准东煤,成灰温度应高于575℃。图1是3种准东煤灰分量相对变化率随成灰温度的变化,这里定义,成灰温度为T时,对应的灰分量相对变化率X如下:从图1可以看出,随成灰温度的升高,Na2O含量越高的煤种在不同成灰温度下灰分量相对变化率减小的幅度越大,紫金煤815℃灰分量相对变化率高达-17.91%,这是由575℃成灰温度条件下,灰样中含有可燃成分造成的。图2是实验煤种815℃灰分量相对变化率随当量Na2O含量的变化,可以看出,总体上,除天池煤外,碱金属含量越高的煤种,灰分量相对变化率越大.也就是说,对于碱金属含量低的煤种,成灰温度的高低对灰分量的测定影响较小,而对于碱金属含量高的煤种,若采用较高的成灰温度,则灰分量会造成较大的偏差,即目前工业分析中灰分量测定标准采用的成灰温度适合于碱金属含量低的煤种,而不适合高碱金属含量煤种。由此可见,要准确确定高碱金属含量煤种的灰分量,应采用低的成灰温度。天池煤比枣泉煤当量Na2O含量低,但相对变化率反而较大,这是由于天池煤中可溶碱金属占90%以上,枣泉煤中仅占当60%左右。研究表明,煤中可溶碱金属在加热过程中会从煤中挥发,而不可溶碱金属则会以铝硅酸盐的形式存在于灰中,故灰分量相对变化率不仅与当量Na2O含量有关,而且与碱金属赋存形态也有密切关系。2.2准东煤的炼焦试验分布形态及其赋存形态的影响不同成灰温度下煤灰中矿物质元素含量如图3所示,可以看出,随着成灰温度的升高,准东煤灰样中Na的含量呈递减趋势,但不同的准东煤减小幅度不同,减少幅度的大小是由煤中Na的含量及其赋存形态共同决定的。研究表明,煤中可溶碱金属在加热过程中会从煤中挥发,而不可溶碱金属则会以铝硅酸盐的形式存在于灰中。这说明了成灰温度的升高的确会造成煤中Na元素的挥发,煤灰中Mn、Ca、Mg、Al和Ti含量基本不变,而紫金煤灰中,Fe的含量呈现微弱递增趋势2.3煤灰中fe含量的分布将815℃制得的紫金煤灰在不同气氛下测得的熔融特征温度见表4,可以看出,815℃紫金煤灰在氧化性气氛条件下测得的灰熔融性温度最高,在强还原性气氛下测得的温度最低,这主要是由于不同的测试气氛下,煤灰中Fe存在形态不同所导致的。在氧化性气氛条件下,灰中Fe主要以Fe2O3形式存在,而在弱还原性气氛下,Fe主要以FeO形式存在,并且随着还原性气氛的加强,煤灰中越多的Fe2O3被还原成FeO,而FeO熔点比Fe2O3低的多。不同成灰温度下制得的五彩湾煤灰样在氧化性气氛条件下熔融特征温度见表5，在弱还原性气氛下测得的熔融特征温度见表6,可以看出，不管是氧化性气氛还是弱还原性气氛条件下，随着成灰温的升高，变形温度DT有较小幅度的升高，最大达22℃.这是由于成灰温度升高,灰样中碱金属合上减少(见图3)导致的，而软化温度ST、半球温度HT和流动温度FT没有明显的变化趋势,波动幅度很小,分析认为:当到达灰开始变形温度以上时,这3种灰成分已经基本一样,灰中存在相同的起骨架支撑作用的高温共融体,所以测得的ST、HT和FT基本一样2.4煤中结渣指标的判别以655℃成灰温度条件下制得的准东煤灰样为例,根据灰成分分析及积灰结渣特性计算公式,计算结果见表7。可以看出,碱金属含量很高,碱酸比远大于0.4,硅比小于66.1,灰沾污指数Hw远大于1,综合判别指数Rz大于2.5,从这些指标判定,紫金煤为严重结渣煤,而从硅铝比小于1.5来判定,紫金煤为轻微结渣煤,从紫金煤和天池煤软化温度ST来判定,紫金煤和天池煤为中等结渣煤,所以,不同的判定指标判别结果稍有不同。对于碱金属含量较低的煤种,可以采用分辨率较高的ST来判定其结渣特性,而对于碱金属含量较高准东煤而言,不能单纯根据ST来判定其积灰结渣倾向,应结合煤中碱金属含量来判定。表8是燃煤结渣判别方法中较为不常见的一种判别方法,根据灰中Na2O含量来预测沾污倾向。碱金属对结渣特性的影响有两个方面,一是碱金属使得煤灰的熔点偏低,使得燃烧时易呈熔融态而冷凝在受热面上形成结渣,二是碱金属使得煤灰的挥发性偏高,使得燃烧时矿物质易进入气相粘结在受热面上形成结渣,软化温度判别方法和碱金属含量判别方法二者相结合,便可以共同评判碱金属对结渣特性的影响程度,从而提高其判定准确性。2.5煤灰中tg曲线的变化图4为不同成灰温度下紫金煤灰样TG/DSC曲线,表9为不同灰样升温至815℃失重率统计。可以发现,随成灰温度的升高,灰样加热至815℃失重率减小,三种准东煤减小的幅度不同,这是由煤灰中矿物质含量不同引起的,且随成灰温度的升高,失重率减小的幅度趋于平缓。从灰样DSC曲线可以发现,100～200℃之间有明显的吸热峰,这是由灰样吸收的水分蒸发吸热所致,在850℃左右出现的吸热峰是由碳酸盐分解以及碱金属盐类熔融引起的,对应温度下TG曲线失重速率突然增大,标志着煤灰中出现液相,并逐渐进入烧结状态。1200℃出现的吸热峰是由矿物质熔融及玻璃体形成造成的,而在815℃恒温曲线左右两侧出现的吸热峰是由于程序升温变化引起的,不予考虑。3结渣判别指标1)随成灰温度升高,灰分量减少,煤灰中Na含量逐渐减少,减少幅度由煤中Na含量和赋存形态共同决定。2)随成灰温度升高,氧化性气氛和弱还原性气氛条件下的灰样DT有较小幅度的升高,而ST、HT和FT没有明显的变化趋势。3)不同的结渣判别