高钠煤水热脱钠处理及其对燃烧特性的影响

文章编号:0253⁃2409(2014)12⁃1416⁃07

　收稿日期:2014⁃07⁃08;修回日期:2014⁃09⁃13㊂

　基金项目:浙江省钱江人才项目(2013R 10080);国家科技部国际科技合作项目(2013DFG 61490)㊂　联系作者:王嘉瑞,Tel :0571⁃85246729,E⁃mail :jiarui⁃wang @ ㊂

高钠煤水热脱钠处理及其对燃烧特性的影响

赵　冰,王嘉瑞,陈凡敏,王小悦,李小江

(华电电力科学研究院,浙江杭州　310030)

摘　要:以五彩湾高钠煤为研究对象,根据煤中钠的赋存形态,分别研究了不同条件下水洗和水热处理两种方式对碱金属的脱除效果,同时考察了水热处理对煤燃烧特性的影响㊂结果表明,五彩湾煤中钠主要以水溶性钠盐存在;单纯水洗对Na 的脱除效果不理想,并且工艺耗时长㊁耗水量大;水热处理脱钠效率高,钠脱除率高达90.5%,处理后的煤灰中Na 2O 含量降至0.7%,属于低钠煤范围;水热处理后煤样的燃烧速率曲线移向低温区,燃烧特性优于原煤㊂关键词:高钠煤;赋存形态;脱钠;燃烧特性中图分类号:TQ 536.1 文献标识码:A

Hydrothermal treatment to remove sodium from

high sodium coal and its influence on combustion characteristics

ZHAO Bing ,WANG Jia⁃rui ,CHEN Fan⁃min ,WANG Xiao⁃yue ,LI Xiao⁃jiang

(Hua Dian Electric Power Research Institute ,Hangzhou 310030,China )

Abstract :Considering the form of sodium existing in coal ,series of water washing and hydrothermal treatments were used to remove alkali metals from a high sodium coal from Wucaiwan.The variation of combustion characteristics of coal after pretreatment was investigated.The results show that the sodium in the coal mainly exists as water⁃soluble form.The Na removal ratio by water washing treatment does not reach the expectation with the characteristics of time consuming and high water consumption.The hydrothermal treatment is effective in sodium removal as high as 90.5%,and Na 2O content in the ash decreases to 0.7%which belongs to the scope of low sodium level in coal ash.The burning curves of coal samples after hydrothermal treatment move to the low temperature zone ,and the combustion characteristics is improved compared with raw coal.Key words :high sodium coal ;existing form ;sodium remove ;combustion characteristics 五彩湾煤矿位于中国新疆自治区准东地区,是准东煤田4大矿区之一㊂五彩湾矿区位于新疆昌吉州吉木萨尔县,属新疆准东煤田西部独立含煤盆地,含煤面积901.05km 2㊂含煤地层为侏罗系西山窑组㊂五彩湾煤是比较典型的低阶煤,具有准东地区煤种燃点低㊁燃尽率高㊁燃烧稳定性好㊁氮硫含量低的共同特点,是优良的动力用煤㊂然而,煤灰中钠㊁钙含量较高,尤其是煤灰中钠的含量(以Na 2O 计)高达5%以上,明显超过目前中国典型烟煤甚至是褐煤灰的含钠水平[1]㊂电厂锅炉燃用高钠煤炉膛燃烧器区容易出现水冷壁结焦,导致锅炉炉膛出口烟温升高,水平烟道受热面高温黏污,积灰严重,过再热器管壁超温爆管,严重时甚至不得不停炉清焦㊂目前,该煤种只能和煤灰中酸性金属含量高的其他煤种掺配用于电厂锅炉燃烧,严重限制了该煤种的大规模应用㊂

目前,针对燃用高钠煤出现的上述问题,而提出和正在研究的技术方法主要有脱钠提质㊁固钠㊁添加高铝矿物质㊁与煤种相匹配的燃煤锅炉设计和改造等[2~4],但至今未能有效改善目前高钠煤的应用现状,暂不能实现现役锅炉纯烧该类煤种的目标㊂实验以五彩湾煤为研究对象,根据煤中钠的赋存形态,分别研究了不同条件下水洗和水热处理两种方式对碱金属的脱除效果,同时研究了水热处理对煤的燃烧特性的影响㊂该研究将为高钠煤的深加工提供技术参考,为大规模工业应用提供有效的路径㊂

1　实验部分

1.1　实验物料

五彩湾(WCW )实验样品为粒径小于0.2mm 的煤样(电厂入炉煤粉粒径要求),粒径在0.02~

0.075mm 的颗粒占88%以上㊂其工业分析和元素分析见表1,煤样500℃灰化的灰成分分析见表2㊂第42卷第12期2014年12月

燃　料　化　学　学　报

Journal of Fuel Chemistry and Technology Vol.42No.12

Dec.2014

表1　样品的工业分析与元素分析Table1　Proximate and ultimate analyses of sample

Proximate analysis w d/%Ultimate analysis w d/% V FC A C H N S Q

net,ad

/(MJ㊃kg-1)

30.9364.984.0975.723.630.520.4615.5820.0　*by difference

表2　煤灰灰成分分析

Table2　Ash composition analysis of sample

Element P2O5Fe2O3MgO CaO TiO2Al2O3Na2O K2O w/%0.068.516.9530.840.326.356.550.30

1.2　煤中钠的赋存状态分析

根据文献[5~7]报道的逐级萃取的方法对煤中钠的赋存状态进行分析,分别用水㊁0.1mol/L醋酸铵㊁0.1mol/L盐酸对煤进行逐级萃取㊂

1.3　水洗处理实验

称量约5g干燥煤样,与一定比例的超纯水混合均匀,在设定的温度下恒温搅拌2h后冷却,抽滤,收集得到的样品在105℃左右干燥后用于灰化和灰成分的测定㊂考察的水洗实验条件见表3㊂

表3　水洗实验条件

Table3　Operating conditions of washing experiments Temp.t/℃Water∶coal(mass ratio)Time t/h

305∶12

405∶12

505∶12

805∶12

5010∶12

5020∶12

5030∶12

1.4　水热处理实验

水热处理实验在美国Parr公司生产的4570型反应釜中进行,反应釜容积为500mL,设计压力为5000psi,设计温度为500℃㊂控温仪表为Parr公司生产的4843型控温仪,控温精度±1℃,水热处理实验装置示意图见图1㊂

将蒸馏水和20g原煤(≤0.2mm)按一定的质量比加入到高压釜中混匀,按力矩由小到大,对称拧紧螺栓,冲入一定压力的氮气检查气密性,不漏气则继续充放几次氮气以排净釜中的空气后维持设定的初压,然后以一定的升温速率加热至设定温度㊂达到设定的恒温时间后,停止加热,让高压釜在空气中自然冷却到室温,抽滤分离煤水混合物(釜内壁与热电偶外侧用棉花擦试干净),将煤样在真空80℃条件下干燥12h,计算样品回收率,干燥后的煤样用于灰化和灰成分的测定㊂通过单因素变量原则,分别考察温度㊁恒温时间和水煤质量比对五彩湾脱钠效果的影响,考察的实验条件见表

4㊂

图1　水热处理实验装置示意图

Figure1　Schematic diagram of hydrothermal treatment

表4　水热处理实验设定的工况条件

Table4　Operating conditions of

hydrothermal treatment experiments

Temperature

t/℃

Holding time

t/min

Water∶coal

(mass ratio)

120302∶1

170302∶1

220302∶1

270302∶1

300302∶1

22052∶1

220152∶1

220602∶1

220902∶1

220301∶1

220303∶1

220304∶1

220305∶1

1.5　煤样的灰化

为了预防煤样灰化过程中钠的挥发,实验借鉴

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第12期赵　冰等:高钠煤水热脱钠处理及其对燃烧特性的影响