摘要：受易沾污所限，混烧目前是燃用准东煤的主要途径。通过一维试验台模拟现场锅炉在不同掺烧比例下进行准东煤燃烧试验，并对所取灰样进行粒径和SEM/EDS分析，揭示准东煤在燃烧过程中碱金属和碱土金属气化一凝结是结焦积灰的主要原因，提出控制灰成分中碱金属比例是发电厂燃用准东煤的一项安全指标，为提高准东煤掺烧比例和掺烧添加剂提供一些理论指导和试验数据。

　　关键词：准东煤；积灰；碱金属

　　0引言

　　未来一段时期内，煤炭在我国能源供给中仍占主导地位[1]。新疆准东煤田预测储量3900亿t,是我国目前最大的整装煤田2]。准东煤挥发分高、灰分低，着火和燃尽特性良好3,但许多电厂锅炉在燃烧准东煤后均不同程度地出现了受热面结渣积灰、金属壁温超温、再热汽温达不到设计要求和排烟温度偏高等问题，严重威胁到机组安全性和经济性[4]。

　　傅勇强等通过对燃用准东煤电厂锅炉各部位渣样的形貌和矿物组成进行分析，发现初始沉积层富含Na、Ca等组分，其形成的矿物在高温区易黏附于管壁，并进一步吸附灰颗粒，加剧灰沉积5。王礼鹏等发现新疆燃用75%准东煤电厂锅炉中温对流受热面(500～700℃)上的灰渣中Na含量最高6。杨忠灿等指出应将煤灰中Na含量作为监测指标，采用掺烧方式燃烧准东煤，同时加强配煤管理，合理控制准东煤掺烧比例7。由于准东煤价格低廉，储量大，如何提高准东煤掺烧比例，以及选取合适的掺烧添加剂，对降低电厂燃料成本，改善经济效益有较大帮助。王学斌等研究了温度和SiO₂添加物对准东煤中碱金属赋存形态及迁徙特性的影响8。王云刚等研究了神华、天池准东煤和碱沟煤不同掺混比时煤灰的熔融特性，同时分析了NaCl、CaO、Al₂O₃和SiO₂添加剂对煤灰熔融特性的影响9。李沙等在200 MW四角切圆锅炉上进行了准东煤与油页岩的掺烧试验研究10]。

　　本文在一维沉降炉试验台上进行不同比例下准东煤与准南煤掺烧试验，并对其灰样进行粒径、微观形貌和成分分析。

　　1试验设备与方法

　　掺烧试验采用准东露天煤(ZD)和准南井供煤(ZN),其煤质和灰成分分析见表1和表2。试验前对原煤进行粉碎、筛分，选取粒径小于100μm的样品，置于干燥箱105℃下干燥2h后，放入密封瓶中备用。由表2可知：准东煤的碱金属含量(质量分数，全文同)较高，属于高Na、Ca煤；准南煤Si、Al含量较高，属于硅铝酸盐含量高的煤种。

　　一维沉降炉试验台如图1所示。炉管由三段高温陶瓷管密封连接而成，内径60mm,总长30000 mm,采用硅钼加热棒进行加热，并通过温度控制箱保持炉内温度稳定，最高加热温度1500℃。煤粉由沉降炉顶部给粉机，经水冷枪送入炉管恒温区域，试验过程中对尾部水平烟道内烟气成分进行监测，通过调节风煤比和一二次风比例，保证煤粉完全燃烧(φ(O₂)稳定在5%)。

　　沉降炉底部烟气一部分被真空泵抽吸进入水冷稀释枪降温稀释后，通过旋风分离器去除粒径较大颗粒，再进入低压撞击器(DLPI),微细颗粒物被分级取样。另一部分烟气通过水平烟道经引风机排放至室外。另外，将取样枪顶端安上坩埚后，放于炉管内沉积20 min,可以收集沉积灰样本，用于灰的微观形貌和成分分析。

　　水冷稀释枪是五层套管结构，材质为310S不锈钢。试验过程中通过热电偶测量一维沉降炉尾部烟气温度，选取600℃和800℃位置，将水冷取样枪安放相应位置收集灰样。取样枪通过冷却水进行冷却，防止取样枪在高温环境下被烧坏，同时也起到了冷却高温烟气的作用，防止高温烟气对后续的细颗粒物采样系统造成破坏；在水冷枪内部还有一层管路是用来通氮气的，其作用是稀释烟气，防止烟气中微细颗粒物的二次转换，能够保持烟气中微细颗粒物的原始形貌特征。

　　低压撞击器由13级冲击器串联组成，采用空气动力学原理将颗粒在30nm到1 0μm范围内进行划分。烟气中颗粒的粒径分布是通过对低压撞击器中各级铝箔上收集的颗粒物，采用德国进口Sartorius M2P型百万分之一天平称重得到的。

　　2结果与讨论

　　2.1掺烧对微细颗粒物粒径分布的影响

　　为了全面研究获得准东煤(ZD)和准南煤(ZN)掺烧时对积灰的影响，有必要分析不同掺烧比例下微细颗粒质量粒径的分布。试验在准东煤和准南煤掺烧质量比分别为10:0(ZD)、9:1(90 ZD)、7:3(70 ZD)、5:5(50 ZD)和0:10(ZN)五种工况下进行，炉内燃烧温度为1350℃,取样温度为600℃。不同掺烧比例时灰样的质量粒径分布如图2所示。

　　由图2可见，单独燃烧准东煤时PM₁微细颗粒物浓度明显高于单独燃烧准南煤。随着准东煤掺烧比例的减少，微细颗粒物浓度随之减少，亚微米颗粒物浓度也相应减少。这主要是准东煤中丰富的易气化矿物质和准南煤中丰富的硅铝酸盐发生了反应，使得大量微细颗粒物转化成了PM1+,降低了向细颗粒的转化。由于亚微米颗粒是产生结焦底层的主要原因，所以微细颗粒尤其是亚微米颗粒浓度的减少，能够显著减轻受热面的结焦积灰。对比不同掺烧比例可见，掺烧10%准南煤时，粒径大于4μm颗粒物浓度与其他掺烧比例下相比，有一定升高，但粒径小于4μm的较小颗粒物浓度却显著降低。这表明，准东煤和准南煤掺烧比例为9:1时，对于减轻受热面沾污状况最有利。

　　2.2掺烧对灰微观形貌的影响

　　为了研究获得准南煤添加比例对准东煤沉积灰的影响，试验设计在准东煤和准南煤掺烧质量比分别为10:0、9:1、7:3、5:5和0:10五种工况下进行，燃烧温度为1350℃,取样烟气温度分别为800℃和600℃,所取灰样微观形貌对比图如图3所示。

　　由图3可知，整体上800℃灰颗粒排列比600℃时密集，熔融状态明显；而600℃灰颗粒相互独立，表面孔洞数目比800℃时多。由于灰颗粒表面这些小孔洞是由气相无机物析出所致，所以温度越低，气相无机物析出越多，灰颗粒表面小孔也就越多。在同一温度下，随着准东煤掺烧比例的减少，灰颗粒排列逐步变得松散，黏结状态逐渐减轻，同时灰颗粒表面孔洞也逐步减少，这说明随着灰中碱金属含量的降低，可气化的无机物含量随之降低，同时灰的沾污性能也降低。

　　2.3掺烧对灰成分的影响

　　为了进一步揭示准东煤结焦和积灰的机理，对上述沉降炉内不同准东煤掺烧比例试验灰样进行EDS元素分析和对比，灰样元素分布如图4和图5所示。

　　在取样温度800℃和600℃的灰样中，单一准东煤灰中主要无机元素为Si和Ca,其次为Al、Fe、S和Cl,并含有少量的Mg、Na和K。随着准南煤掺烧比例升高，这两个温度下的灰成分变化趋势大体一致，即灰中Fe、Si、Al含量升高，而Ca、S、Na和K含量明显降低，Mg、Cl含量变化不大。这些变化主要与准南煤中成分密切相关，各元素变化率和掺烧比例基本一致，其中单一准南煤中w(Si)达到4 5%,w(Al)达到17%,均远高于准东煤。从准东煤掺烧试验的灰成分分析结果，可得掺烧其它煤种的最终目的是降低灰成分中碱金属和碱土金属含量，为了更好地提高发电机组的经济性，降低发电成本，掺烧高岭土这种酸性氧化物(富含氧化硅、氧化铝)是一种非常有效的方法。

　　3结论

　　1)准东煤易沾污的一个原因是燃烧过程中产生了较大浓度的微细粒径灰颗粒，尤其是亚微米颗粒是第一层结焦的主要组成部分，通过掺烧准南煤可使得大量微细颗粒物浓度降低，准东煤和准南煤掺烧质量比为9:1时，对于减轻受热面沾污状况最有利。

　　2)高钠、高钙是准东煤结渣和积灰的主要原因，碱金属在燃烧过程中气化——凝结是结焦的主要途径，通过控制掺烧比例，可以很好地控制灰成分中碱金属的比例，从而达到抑制受热面污染的目的。

　参考文献

　　[1]周志强.中国能源现状、发展趋势及对策[J].能源与环境，2008(6):9-10.

　　[2]张会.探访世界最大的煤田——新疆准东煤田[J].气体分离，2010(3):19-22.

　　[3]史永胜，卢红玲.锅炉掺烧高碱金属煤的试验研究[J].华北电力技术，2013(1):39-42.

　　[4]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):38-40.

　　[5]傅勇强，汪华剑，李奎，等.燃用准东煤锅炉渣样形貌及矿物组成特征[J].热力发电，2015,44(7):18-22.

　　[6]王礼鹏，赵永椿，张军营，等.准东煤灰沾污结渣特性研究[J].工程热物理学报，2015,36(6):1381-1385.

　　[7]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.

       [8]王学斌，魏博，张利孟，等.温度和SiO₂添加物对准东煤中碱金属的赋存形态及迁徙特性的影响[J].热力发电，2014,43(8):84-88.

　　[9]王云刚，赵钦新，马海东，等.准东煤灰熔融特性试验研究[J].动力工程学报，2013,33(11):841-846.

　　[10]李沙，李兵，刘法志，等.200MW机组四角切圆锅炉准东煤与油页岩掺烧试验研究[J].节能技术与应用，2021,40(10):59-61.