高堿煤燃燒灰中主要元素的遷移

高堿煤燃燒灰中主要元素的遷移《動(dòng)力工程學(xué)報(bào)》2014年第六期1實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法1.1實(shí)驗(yàn)煤樣分析選取新疆某高堿煤及其在實(shí)際鍋爐幾組典型受熱面上（如分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級再熱器、末級過熱器和低溫過熱器等）的沾污灰樣為研究對象，研究實(shí)際鍋爐內(nèi)高堿煤燃燒過程中灰樣中主要元素的遷移規(guī)律及其對煤灰沾污和結(jié)渣特性的影響機(jī)制.實(shí)驗(yàn)煤樣與灰樣的分析數(shù)據(jù)以及灰樣成分?jǐn)?shù)據(jù)見表1和表2.2實(shí)驗(yàn)方法為了進(jìn)一步研究高堿煤燃燒過程中沿鍋爐煙氣流動(dòng)方向爐內(nèi)各高溫對流受熱面沾污灰樣的熔融特性及其灰成分的分布規(guī)律，以某300MW亞臨界電站鍋爐為研窕對象，對鍋爐分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級再熱器、末級過熱器和低溫過熱器等部位的沾污灰樣進(jìn)行取樣，并對灰樣進(jìn)行X射線熒光儀（XRF）、電子掃描電鏡和能譜分析（SEM-EDX）等分析測試，以此來研究高堿煤燃燒過程中灰樣中Na、Ca、S和Fe等主要元素及其礦物質(zhì)的分布規(guī)律，為指導(dǎo)鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供技術(shù)支持.2結(jié)果與討論1燃燒過程中爐內(nèi)灰樣成分的變化規(guī)律圖1給出了灰樣中主要化學(xué)成分隨鍋爐煙氣溫度的分布.為了能夠較好地分析鍋爐不同部位灰樣的沾污和結(jié)渣程度，采用堿酸比RB/A來考察鍋爐不同煙氣溫度區(qū)間內(nèi)灰樣的沾污程度.堿酸比越大，說明此時(shí)的灰樣越容易沾污，且沾污程度也越大[10].堿酸比的計(jì)算公式為。圖2和圖3分別給出了高堿煤燃燒過程中灰樣中主要化學(xué)成分及堿酸比隨煙氣溫度的分布.表3給出了各主要受熱面灰樣的成分分析.由圖2可知，灰樣中酸性氧化物（Si02和A1203）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1100℃時(shí)的28.08%升高至800℃時(shí)的42%,隨著煙氣溫度的繼續(xù)降低，酸性氧化物（SiO2和A1203）•439•的質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于平穩(wěn)；在800?1100℃煙氣溫度范圍內(nèi)，灰渣中Ca。、悔0和S03的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，主要成分為CaS04等物質(zhì)；當(dāng)煙氣溫度為600?800℃時(shí)，灰樣中Na20>Fe203和S03的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,Na2（）和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.9%?4.5%和8.5%?14.4%.這是由于在高堿煤燃燒過程中，煤中的Na（或K）等易揮發(fā)堿金屬元素在燃燒區(qū)（1200?1400C）直接升華為氣態(tài)的Na（或K）或者Na20（或K20）蒸汽，而這些氣態(tài)納米級的Na（或K）或者Na20（或K20）蒸汽在600?900℃溫度區(qū)間內(nèi)易發(fā)生冷凝，并進(jìn)一步捕捉煙氣中的S02/S03、CaO和Fe203等，形成Na2s04、CaS04和NaFeS04等物質(zhì)，而過熱器處灰樣中Na20和S03的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一個(gè)較大的突增，這主要與Na2O和K20在該溫度區(qū)間（600?850℃）內(nèi)易發(fā)生冷凝，并捕捉煙氣中的S02/S03,從而生成Na2s（）4有關(guān).由此可見，在高堿煤燃燒過程中，灰樣中的Fe、Na、S和Ca等元素對其沾污和結(jié)渣特性的影響最大[9].其中，F(xiàn)e元素主要影響灰樣的初始熔融以及爐膛高溫區(qū)域熔渣的形成；Na、S和Ca元素對爐內(nèi)高溫受熱面沾污及其沾污程度的影響最大.2.2燃燒過程中各受熱面沾污灰樣的熔融特性為了進(jìn)一步分析高堿煤燃燒過程中各受熱面沾污灰樣的熔融特性，對收集的灰樣進(jìn)行了XRF成分分析和SEM形貌分析，并利用Factsage6.1計(jì)算軟件根據(jù)各灰樣的成分進(jìn)行了化學(xué)平衡計(jì)算[11],計(jì)算結(jié)果見圖4.由圖4可知，灰樣B、灰樣C、灰樣D和灰樣E在較低溫度范圍(850?900C)內(nèi)就開始有液相析出，且當(dāng)溫度為900℃時(shí)，灰樣B、灰樣C、灰樣D和灰樣E的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17%、32%、30.5%和44.6%.圖5給出了各灰樣的SEM微觀形貌.由圖5可以看出，灰樣B、灰樣C、灰樣D和灰樣E均出現(xiàn)了部分熔融態(tài)，灰樣A和灰樣F則主要以固態(tài)形式出現(xiàn)，這與理論計(jì)算和實(shí)際鍋爐運(yùn)行情況相符，即在669?915c煙氣溫度區(qū)間內(nèi)，鍋爐高溫對流受熱面的沾污最嚴(yán)重.2.3燃燒過程中Na元素的沾污機(jī)理由于高堿煤燃燒過程中Na元素的釋放、冷凝對鍋爐高溫受熱面的沾污起著至關(guān)重要的作用.高堿煤燃燒過程中Na元素不論是以分子形式還是以原子形式釋放出來,都不能完全穩(wěn)定存在，它們很快與其他成分反應(yīng)生成Na的鋁硅酸鹽、NaCKNa2s04和Na(OH)2等[12],而不同鈉鹽在受熱面上的沾污機(jī)理又不盡相同.因此，利用SEM-EDX分析測試手段對灰樣C的顆粒進(jìn)行了SEM—EDX分析(見圖6).由圖6可知，顆粒表面上附有富含粒徑為2?4mn的Na和S的細(xì)小顆粒，生成Na的硫酸鹽(如Na2s04等).高溫下Na2S04具有較低的熔點(diǎn)(884℃),在669?915℃煙氣溫度范圍內(nèi)具有較大黏度[12].這些粒徑小于lOnrn的鈉鹽顆粒在600?800℃煙氣溫度范圍內(nèi)易冷凝在受熱面表面或灰樣顆粒表面，而Na2S04等微米級顆粒在該溫度范圍內(nèi)具有較大的黏度，極易捕捉煙氣中的飛灰顆粒或者使其黏附的顆粒具有一定的黏性.當(dāng)灰樣顆粒與受熱面碰撞時(shí)，顆粒表面上黏性較大的Na2s04非常容易黏結(jié)在受熱表面上，這2種方式使燃用高堿煤時(shí)在600?950c溫度范圍內(nèi)的受熱面沾污嚴(yán)重.隨著沾污程度的加深，高溫下硫酸鹽作為腐蝕劑緊貼在受熱面表面，造成了高溫腐蝕，特別是當(dāng)煤中C1元素的含量較高時(shí)，高溫腐蝕程度和速度更為嚴(yán)重.因此，高鈉煤引起的沾污是高溫黏性積灰和高溫腐蝕綜合作用的結(jié)果.3結(jié)論（1）在800?1100C煙氣溫度范圍內(nèi),灰樣中CaO、MgO和S03的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其主要成分為CaS（）4等物質(zhì).當(dāng)煙氣溫度為600?800℃時(shí)，灰樣中Na20>Fe203和S03的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，Na2s04、CaS04和NaFeS04等物質(zhì)是導(dǎo)致高堿煤燃燒過程中高溫對流受熱面發(fā)生嚴(yán)重沾污的主要原因.（2）雖然669?915℃煙氣溫度區(qū)間內(nèi)灰樣的堿酸比不是最大，但該溫度區(qū)間發(fā)生初始熔融的溫度以及所在溫度的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比其他部位灰樣的要嚴(yán)重，這主要與該溫度范圍內(nèi)灰樣中Na、Fe和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高有關(guān).（3）灰樣C顆粒的SEM