澳大利亚煤质分析技术的现状与发展

澳大利亚煤质分析技术的现状与发展

在我国能源压缩性分析的设备和煤质评价中，煤质分析主要依靠传统的传统传统分析方法。由于常规分析所能提供的数据十分有限,而以此为基础的评价方法又是经验性的,因此很难为锅炉运行提供全面可靠的数据,成为我国锅炉运行水平低和燃烧效率低的主要原因之一。笔者作为访问学者曾在澳大利亚的可持续发展中的煤联合研究中心(CooperativeResearchCentreofCoalinSustainableDevelopment,CCSD)留学,深为澳大利亚煤质分析、评价技术的研究开发和应用所吸引。澳大利亚具有丰富的煤炭资源,是煤炭生产大国之一。其煤炭产量的70%以上销往世界各地,是世界上最大的煤炭出口国。由于煤炭主要供出口,激烈的国际和国内的市场竞争,促使煤炭生产和销售公司必须为客户提供全面的煤质数据,同时还需要根据煤的应用提供参考性的煤质特性及其评价结果,这些都无形中促进了煤质特性分析和评价技术的研究、开发和应用,因此澳大利亚在煤质分析和评价技术方面具有相当高的水平。1煤质特性的煤质评价在澳州,据有关机构统计,燃料成本约占电厂发电成本的四分之一,加之煤炭销售是买方市场,电厂不希望因煤质不当而影响其发电的效率和经济性,所以对所购煤的煤质一般要求较严格。电厂主要是根据常规、标准的煤质特性分析结果来评价和选购煤的,这些特性包括:①发热量;②工业分析(水分、灰分、挥发分和固定炭);③元素分析(碳、氢、氧、氮、硫等);④灰成分和灰熔融温度;⑤可磨性指数。这些煤质特性的分析按有关澳大利亚的国家标准进行,相关的标准接近于国际标准和我国的国家标准。发热量是购煤时最重要的指标之一,煤炭的价格是根据煤的发热量计算的。为满足锅炉燃烧和运行,电厂均对发热量有确定的要求范围。挥发分和固定炭是重要的煤质特性数据,它们的比值即燃料比(固定炭/挥发分的比值)被用作评价煤的燃烧特性(Combustibility)的最重要指标。澳大利亚发电行业的经验表明,高的燃料比意味着较差的燃尽率。因此,一般电厂购煤时要求该比值控制在某数值以下,以免燃尽度超标而影响燃烧效率和粉煤灰的销售。考虑对污染物排放的控制,电厂对煤的元素分析中硫和氮的含量均有要求,过高含硫或含氮量的煤是不被接受的。灰成分和灰熔融温度是煤灰的特性参数,电厂根据建立在这些数值之上的一些经验性指数和自身的运行经验来评价煤的结渣、积灰、腐蚀、磨损和电除尘等特性,从而对所购煤的灰成分和灰熔融温度的范围提出要求。煤的可磨性指数是其制粉特性的指标,它决定了电厂制粉系统的出力和功耗及煤粉细度等,电厂根据其制粉系统的特性对煤的可磨性指数提出要求。上述煤质特性可由普遍采用的标准仪器和测量方法获得,测试成本低。结合自身积累的丰富运行经验,电厂形成了一套基于这些煤质特性的评价系统。也正因如此,这些特性被电厂以及煤炭生产/销售企业所接受,成为选购煤的主要依据。但是,值得强调的是,这些特性都只是煤的平均特性,众所周知,煤中无论是可燃质(有机物)和矿物质(无机物)的分布都是不均匀的,加之电厂用煤大多是混煤,在制成煤粉后这种非均质性在煤粉颗粒间表现得更为突出,因而严重地影响煤燃烧特性。平均的煤质特性不能体现这种非均质性及其影响,因而,以此为基础的煤质评价有时并不可靠。为了改进煤质评价体系,提高煤粉燃烧及相关特性预测的准确性和可靠性,在澳大利亚政府的资助下,科研部门、大学和企业共同开发了多种分析仪器和分析方法。2先进的煤质分析先进的煤质分析方法主要是针对煤和煤粉的非均质性的,针对有机质即煤的显微组分和无机矿物质两个方面。2.1自动分析技术煤的有机质非均匀性表现在煤中显微组分的含量和分布的变化上。煤中三类显微组分,即壳质组、镜质组、惰质组,其燃烧特性差异很大,这种差异还随煤种而变化。煤中显微组分含量和分布的不同也意味着燃烧特性的不同。此外,澳大利亚黑煤与北半球煤化程度相似的煤种相比,表现为惰质组的含量普遍较高。北半球煤煤质特性的研究表明,惰质组一般较难燃尽,惰质组含量高即意味着煤的燃尽特性差。因此澳大利亚对其煤中惰质组的燃烧特性进行了大量的研究。研究表明惰质组及其含量并不能单独用来评价一种煤燃尽特性的优劣。煤的燃尽特性还和煤阶以及惰质组的反射率及其分布有关,因而需要综合考虑上述因素,才可能对煤的燃尽特性做出正确的判断。为此CSIRO开发了煤显微组分全反射率谱自动分析技术(Automatedfullmaceralreflectogram)。该技术将传统的煤显微组分、反射率显微镜分析技术和自动图像处理技术相结合,从而得到煤的整体反射率分布,所得的分布图谱如图1所示。不同的煤种具有不同的图谱,因此具有煤的“指纹性”特征。从这一分布可进一步获得煤阶、煤中壳质组、镜质组、惰质组和矿物质的百分含量以及各显微组分的反射率分布。此外还可获得煤粉颗粒中各显微组分组合及这些组合的分布,从而全面地描述了煤的有机成分的非均质性。通过大量煤种的实验研究,将煤的自动反射率谱和煤的热解、焦结构和燃烧、燃尽特性相关联,从而可对煤的燃烧,特别是燃尽特性进行合理准确地评价。该技术正处于推广和应用中。2.2ccsem的计算机控制经验表明,煤灰对锅炉运行的影响一般是由煤中特殊矿物种类引起的,如含铁矿物易引起结渣、碱金属引起积灰、石英引起磨损等,忽略矿物质在煤中分布的非均匀性,往往会导致对结渣、积灰等特性的误判。CCSEM是一种先进的煤中矿物质分析仪器,它可以提供煤粉中矿物质的种类、颗粒大小及其分布的定量信息。扫描电镜在计算机控制下对试样截面的选定区域进行逐点扫描,矿物质颗粒的探测通过一个颗粒识别和测量程序进行,而矿物质颗粒的组成和大小由X射线能谱分析仪测定。通常对试样中1000-2000个煤粉颗粒进行分析,所得的结果通过特殊的计算机程序进行处理,从而得到矿物质含量、组成、颗粒大小等的分布信息。由于CCSEM提供的是煤粉中成灰矿物的分布特性,准确地反映了矿物质在煤粉中分布的非均一性。因此,当用于煤的结渣积灰特性评价时,其结果较基于煤的平均化学和灰成分的一些经验指数可靠和准确得多。例如,图2中给出CCSEM所得的某种煤的矿物组成分分布,如果仅根据煤灰的平均组成(图中叉的位置)判断,该煤是不结渣的。而由组成分布看,煤中有大量富含碱性矿物质的颗粒(图的左下角),而碱性矿物质易在煤灰中形成低熔点的共熔体,因此该煤实际上是易结渣煤种,CCSEM的结果反映了这一趋势。除了用于煤质特性的实验分析,CCSEM的结果还可用做煤灰影响模型预测的输入,对煤粉燃烧时的成灰过程和灰的影响进行定量预报。在澳大利亚,CSIRO还开发了另一种基于计算机控制扫描电子显微镜的自动分析仪器QemScan。它实际上是基于扫描电子显微镜的自动图象分析系统,电子显微镜逐点扫描试样中的煤粉颗粒截面,并识别各像素点的元素组成,从而得到由众多像素点组成的颗粒截面图像,由此获得颗粒中的矿物质颗粒的大小、成分等信息以及无机物-无机物、无机物-有机物(即碳)共存的定量关系。与CCSEM相比,QEMSCAN不仅可以反应煤粉颗粒中矿物质的分布,还可以反应矿物质和有机质之间的关联,从而真实全面反映煤粉颗粒间组成的非均一性。QEMSCAN分析所得的矿物质分布数据易于转换成CCSEM的结果,已经应用于煤灰特性影响的预报。而所获得的颗粒中矿物质和有机质之间共存关系的信息,可用于描述煤焦结构和燃烧特性以及煤焦燃烧和成灰过程间的相互影响,这方面的应用正处于开发之中。2.3煤灰熔融温度测量灰熔融温度测量的准确性受主观性限制,且所得的几个特征温度的物理含义并不明确,因此影响判断煤灰结渣行为的可靠性。煤灰热机械分析仪(Thermo-mechanicalanalyzer,TMA)是常规灰熔融温度测量的一种替代仪器。其测量过程为:将灰样做成灰柱,灰柱置于加热炉中,上面通过一个压头加固定的压力,炉子以50℃/分钟的速度加热至700℃,而后以5℃/分钟的速度继续加热到1600℃,在加热过程中记录压头的位移即煤灰熔融过程中的收缩量。所得的曲线如图3所示。图3中各特性温度(即收缩速度曲线中峰值对应的温度)反应了煤灰中熔融的开始、共熔体的出现和煤灰重要反应的发生等,因此可用于煤灰特性的预测。该技术已经广泛用于煤粉炉的煤质评价之中,还应用于煤气化的煤质分析和评价。3煤质评价体系的应用研究除了分析测试之外,煤粉炉燃烧的数值模拟正日益应用于指导锅炉运行,数值模拟和上述先进的分析测试结果相结合,研究和开发了燃烧性能预测及煤灰影响预测等程序,并正逐渐溶入煤质评价体系之中。3.1燃烧特性的预测为了提高燃烧特性评价的可靠性,CCSD开发了新的燃烧性能预测工具——燃烧性能预测者。该技术根据实际燃烧条件下的挥发分析出量评估煤粉燃烧时的热解特性、根据热天平测量的煤焦反应性和煤焦燃烧过程的数学模型以预测煤焦的燃烧特性和燃尽性能,并根据澳大利亚煤质特点(煤中惰质组含量高)结合显微组分组成和镜质组反射率等特性指标,对煤的燃烧性能进行全面的预测,从而大大地提高了预测的准确性。3.2煤质变化污水处理技术计算机数值模拟(CFD)综合考虑煤粉炉中的流动、传热传质和燃烧反应等复杂现象,对煤粉燃烧过程进行模拟,该技术已经完全商业化,广泛地应用于煤粉炉的设计、运行和改造中。因为数学模型中可以考虑煤质变化对燃烧过程的影响,所以可用于煤质评价,预报煤质变化对着火、燃尽、NOx生成和排放等的影响。澳大利亚很早就开发了自主知识产权的CFD程序,此后又在此基础上进行了大量的开发和完善工作,目前该技术正日益广泛地应用于煤质特性的评价。3.3煤灰影响预测模型煤灰对煤粉炉及其辅助设备的运行和性能有着显著的影响,这些影响包括炉膛受热面的结渣、对流受热面的积灰、磨损和腐蚀、灰的电除尘特性等。煤灰的这些影响和锅炉运行的经济性和安全性密切相关,是主要的煤质特性之一。因此合理准确地预测煤灰的影响对锅炉运行必不可少。传统的预测主要采用经验指数,而这些指数建立在常规的灰成分分析的基础上。由于常规分析仅能给出煤灰的平均组成和特性,而成灰矿物质在煤中的分布是极不均匀的,因此这些指数的可靠性是有限的。考虑成灰矿物质的非均一性,将详细的分析结果和数学模型相结合,Newcastle大学开发出了煤灰影响预测者。在CCSEM和QemScan分析的基础上,采用成灰模型以预测煤粉炉中煤颗粒燃烧后生成的灰颗粒的大小、组成和物理化学特性,再根据灰颗粒特性预测煤灰的各种特性,如图4所示。这一预测工具已被电厂用来预测煤的结渣特性等。3.4nox排放技术满足NOx排放标准是燃煤电厂生产运行的主要指标之一,众所周知,NO的排放量与燃煤的含氮量密切相关,但燃用相同含氮量的煤其NOx的排放量却可能相差很大,因此,煤粉炉的NOx排放问题是燃煤电厂选择煤种煤质和营销单位煤炭销售所面临的相当具有挑战性问题之一。NOx的排放量不仅取决于煤的含氮量,也和其它煤质因素如挥发分含量和析出特性有关,还依赖于电厂因素包括锅炉的结构特性和运行条件等。因而基于煤质特性和电厂相关因素的NOx排放预测工具是现代燃煤电厂必不可少的。Queensland大学结合先进的CFD数值模拟和详细的NOx化学反应动力学,开发了煤粉炉NOx排放的预测工具,大量的电厂实测数据的检验表明,该预测工具的预测结果相当准确和可靠。4煤质分析的引入在澳大利亚,燃煤电厂对煤质进行严格的控制,加之电厂运行的技术水平高,因而电厂燃烧效率普遍较高。但是,对非常规性的煤质不均匀性及其影响,电厂因自身的测试水平的限制,难以对其影响进行评价和控制,所以有时会影响到运行和发电效率,成为电厂面临的突出而普