能改变准东煤燃烧产物结构的调制物料以及在发电、供热锅炉中大比例燃用准东煤的方法

摘要

本发明提供了一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，包括：90～97质量份的无机质和3～10质量份的有机质；所述无机质为合成无机质或自然无机质；所述有机质选自原油、重油、渣油和干酪根结构的油母质中的一种或几种。本发明的无机质在700℃以上的温场内，持续分解捕捉燃料中的有害元素钠和硫，形成硫酸碱金属盐，具有固钠固硫效果，降低受热面沾污和高温腐蚀；同时分解出的气体，使低熔点共熔物多孔疏松和可脱落。本发明调制物料中的有机质被无机质和/或准东煤燃烧后形成的低温共熔物包裹产生热解滞后现象，当共熔物粘结到受热面后，500℃的受热面上持续受热使有机质热爆破效应使黏合物结构疏松脱落。彻底解决了沾污问题。

说明书

技术领域

本发明涉及化工技术领域，尤其是涉及能改变准东煤燃烧产物结构的调制物料以及在发电、供热锅炉中大比例燃用准东煤的方法。

背景技术

准东煤田西起新疆昌吉州阜康市东界，东到木垒县老君庙，北到昌吉州北部边界卡拉麦里山南麓，南接古尔班通古特沙漠北缘，东西长约220km南北宽约60km，煤田面积约13000km²，预测煤炭资源储量3900亿t，占全疆储量(2.19万亿t)的17.8％占全国煤炭储量(5.56万亿t)的7％。截至2009年6月已探明煤炭资源储量213亿t，单层煤层最厚可达80m，可采煤层平均厚度43m，煤层丰厚的地方1km²煤炭储量达5000万t，是中国乃至世界上最大的整装煤田。2006年，国家和自治区开始大规模开发准东煤田。准东地区煤炭资源预测储量占全疆的三分之一，规划开采规模为每年5.82亿吨，是优势资源转换的主阵地和疆电东送、西气东输、疆煤外运最主要的能源基地。

准东地区煤种着火点低、燃尽率高、燃烧稳定好高、污染物排放低等，但作为动力用煤，该煤质有个致命的缺点，就是煤中碱金属元素含量高，尤其以钠元素含量居多，在煤灰中的Na₂O达到2-10％，远远超过目前国内烟煤甚至是褐煤灰的小于1％的水平。

由于准东煤与国内的其他所有煤种相比，在矿物成分上相差悬殊，使得已经在役的燃煤锅炉完全不适合燃用，主要原因是这些在役锅炉是在准东煤开发之前，按照其他烟煤的特性设计制造。然而更加严重的是，在开发利用准东煤发电后，电力研究、设计和制造部门并未引起足够重视，在针对使用准东煤的新建电厂任然沿用原设计思路，导致投运即无法正常安全运行。例如，某制造企业的超临界锅炉机组的设计发生严重失误，造成巨大经济损失。即使后来的锅炉设计加大炉膛宽度，也无法从根本上避免烟气降温后，高沾污性飞灰在对流换热面的沉积沾污。

对于乌鲁木齐地区的诸多2000多万千瓦在役机组锅炉，年耗标准煤约3000万吨。准东煤只有与不结焦煤掺烧才能在现有烟煤锅炉上燃用，且比例不能过高，通常不超过30％，否则容易出现炉膛燃烧器区水冷壁结焦，导致锅炉炉膛出口烟温升高，水平烟道受热面高温沾污，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。苇湖梁、红雁池一二厂、乌石化自备电厂、天业电厂、甘肃酒钢电厂等均出现了不同程度结渣和沾污。其中酒钢电厂435t/h锅炉燃用准东煤1-2个月后，大屏、对流受热面等区域还出现了严重的高温腐蚀，被迫停炉，导致停电和停止供热，对人民群生活造成严重影响，尤其在冬季意外停暖后，会造成供热管道冻结爆裂，室内无暖的寒冬将危及百姓的生命安全。

准东地区煤炭资源丰富，但在现有锅炉燃烧系统不能实现该煤种的单独使用，如果按照掺烧比例不高于50％的情况下，发电厂每燃烧1吨准东煤，至少需外运1吨其他煤种，经济成本较高。作为一个能源输出地区，燃料依然依靠外运，不符合当地发展的模式，是对已开发资源的巨大浪费。因此实现大比例燃用准东煤成为了一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，本发明提供的调制物料能够彻底解决其在对锅炉受热面的结渣、沾污问题。

本发明提供了一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，包括：90～97质量份的无机质和3～10质量份的有机质；所述无机质为合成无机质或自然无机质；所述有机质选自原油、重油、渣油和干酪根结构的油母质中的一种或几种。

优选的，所述合成无机质包括：

硅酸铝60～90重量份；

碱土金属硅铝酸盐5～40重量份；

碱土金属碳酸盐5～10重量份。

优选的，所述碱金属硅铝酸盐包括铝硅酸镁、铝硅酸钙和铝硅酸钙镁中的一种或几种；所述碱金属碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁和碳酸钙镁中的一种或几种。

优选的，所述自然无机质包括粘土类矿物和硅铝酸盐矿物；所述粘土类矿物包括页岩、高岭石、伊利石、蒙脱石、蛭石和海泡石中的一种或几种；

所述粘土类矿物占自然无机质质量分数为80～100％；所述硅铝酸盐矿物包括硅线石和莫来石中的一种或几种，所述硅铝酸盐矿物占自然无机质质量分数为比5～20％。

优选的，所述重油或渣油中硫含量在1％以下。

本发明提供了上述技术方案任意一项所述的能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料在燃煤发电锅炉、供热锅炉中的应用；所述供热锅炉包括但不限于煤粉锅炉、循环流化床锅炉和工业锅炉。

本发明提供了一种在燃煤发电、供热锅炉中大比例燃用准东煤的方法，包括：

将上述技术方案任意一项所述的能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料与准东煤混合，燃烧。

优选的，所述调制物料的占比入炉燃烧物料总质量百分数为5％以上；所述调制物料与准东煤的混合后的物料中Si/Ca比为2以上。

优选的，还包括定期以吹灰器吹扫易结渣锅炉受热面。

优选的，所述能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料破碎后与准东煤混合；或

能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料与准东煤混合后破碎。

与现有技术相比，本发明提供了一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，包括：90～97质量份的无机质和3～10质量份的有机质；所述无机质为合成无机质或自然无机质；所述有机质选自原油、重油、渣油和干酪根结构的油母质中的一种或几种。本发明提供的无机质在700℃以上的温场内，持续分解捕捉燃料中的有害元素硫，形成硫酸碱金属盐，具有一定的固硫效果，降低受热面高温腐蚀；同时分解出的气体，使低熔点共熔物多孔疏松。本发明调制物料中的有机质被无机质和/或准东煤燃烧后形成的低温共熔物包裹产生热解滞后现象，当共熔物粘结到受热面后，500℃左右的受热面上持续受热使有机质热爆破效应使黏合物结构疏松脱落。本发明与添加高熔点惰性物料的技术相比，彻底解决了沾污问题。具有针对性强，添加量小，节能效果好，燃烧效率高，对设备腐蚀和磨损有改善的作用和效果。

附图说明

图1为有效果的结渣沾污实物照片；

图2为无效果或效果差的炉管结渣沾污实物收集。

具体实施方式

本发明提供了一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料以及一种在燃煤发电、供热锅炉中大比例燃用准东煤的方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明提供了一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，包括：90～97质量份的无机质和3～10质量份的有机质；所述无机质为合成无机质或自然无机质；所述有机质选自原油、重油、渣油和干酪根结构的油母质中的一种或几种。

本发明提供的能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，包括90～97质量份的无机质；优选包括91～97质量份的无机质；更优选包括92～97质量份的无机质。

本发明所述无机质为合成无机质或自然无机质。

按照本发明，所述合成无机质包括：

硅酸铝60～90重量份；

碱土金属硅铝酸盐5～40重量份；

碱土金属碳酸盐5～10重量份。

具体的说，本发明提供的合成无机质包括60～90重量份的硅酸铝；优选包括65～85重量份的硅酸铝；更优选包括70～80重量份的硅酸铝。

本发明对于所述硅酸铝的来源和纯度不进行限定，本领域技术人员熟知的市售即可。如Al₂O₉Si₃。

本发明提供的合成无机质包括5～40重量份的碱土金属硅铝酸盐；优选包括10～35重量份的碱土金属硅铝酸盐。本发明所述碱土金属优选为钙或镁。

按照本发明，所述碱金属硅铝酸盐优选包括铝硅酸镁、铝硅酸钙和铝硅酸钙镁中的一种或几种；包括但不限于Ca₂Al₂(SiO₃)₅。

本发明提供的合成无机质优选包括5～10重量份的碱土金属碳酸盐。本发明所述碱土金属优选为钙或镁。

按照本发明，所述碱金属碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁和碳酸钙镁中的一种或几种。本发明对于所述硅酸铝的来源和纯度不进行限定，本领域技术人员熟知的市售即可。

本发明创造性的采用上述特定质量份的硅酸铝、碱土金属硅铝酸盐、碱土金属碳酸盐协同配合，才能达到本发明高准东煤加入量的同时，锅炉受热面的结渣少、沾污小。本发明的上述碱土金属碳酸盐与其余配合700℃以上的温场内，持续分解捕捉燃料中的有害元素硫，形成硫酸碱金属盐，具有一定的固硫效果，降低受热面高温腐蚀；同时分解出的气体，使低熔点共熔物多孔疏松。

本发明所述自然无机质包括粘土类矿物和硅铝酸盐矿物；所述粘土类矿物优选包括高岭石、伊利石、蒙脱石、蛭石和海泡石中的一种或几种；所述硅铝酸盐矿物包括硅线石和莫来石中的一种或几种。本发明对于所述硅酸铝的来源和纯度不进行限定，本领域技术人员熟知的市售即可。所述粘土类矿物占自然无机质质量分数优选为80～100％；所述硅铝酸盐矿物占自然无机质质量分数为比0～20％。

本发明提供的能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，包括3～10质量份的有机质；优选包括3～9质量份的有机质；更优选包括3～8质量份的有机质。

本发明所述有机质选自原油、重油、渣油和干酪根结构的油母质等有机质。

在本发明中，所述重油或渣油中硫含量优选在1％以下。

本发明限定所述调制物料与准东煤的混合物料中Si/Ca比为2以上。通过限定上述Si/Ca比使得最终结渣少、沾污小。

本发明提供了一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料的制备方法，包括：

将90～97质量份的无机质和3～10质量份的有机质混合即可。

本发明对于上述具体混合方法不进行限定。上述具体组分和配比已经有清楚的描述，在此不再赘述。

本发明提供了上述技术方案任意一项所述的能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料在燃煤发电、供热锅炉中的应用。

本发明所述调制物料尤其是适用于燃煤发电或者燃煤供热锅炉中大比例安全高效燃用新疆维吾尔自治区准噶尔盆地东部煤田(简称准东煤田)生产的变质程度为中低阶煤种且煤中钠元素含量丰富的煤炭品种(简称准东煤)。

本发明所述供热锅炉适用于于煤粉锅炉、循环流化床锅炉和工业锅炉等所有种类的燃煤锅炉，适用范围广。

本发明产品使用后不发生燃煤锅炉受热面结渣、沾污、腐蚀而影响安全运行和锅炉热效率。

本发明提供了一种在燃煤发电、供热锅炉中大比例燃用准东煤的方法，包括：

将上述技术方案任意一项所述的能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料与准东煤混合，燃烧。

本发明所述混合方式不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。

按照本发明，所述调制物料的占比入炉燃烧物料总质量百分数为5％以上；优选为“为5％～25％，最低比例可达到5％”。

所述调制物料与准东煤的混合后的物料中Si/Ca比为2以上。本发明限定所述调制物料与准东煤的混合物料中Si/Ca比为2以上。通过限定上述Si/Ca比使得最终结渣少、沾污小。

添加本发明调制物料后需要定期以吹灰器吹扫易结渣锅炉受热面。

本发明所述调制物料的使用方法优选为：将所述能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料破碎后与准东煤混合；或

能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料与准东煤混合后破碎；

本发明优选采用钠元素逃逸率来表征固钠效果，所述钠元素逃逸率为物料中钠元素在高温下的挥发逃离本体的质量占比原物料中钠元素的质量分数，逃逸率越低则固钠效果越优。

所述煤中钠高温逃逸率测定方法具体为：

1、样品灰化反应

参照GB/T 212进行样品的灰化：在预先灼烧至质量恒定的灰皿中，称取粒度小于0.2mm的煤样或添加了调制物料的混合样品(1±0.1)g，在马弗炉升于400℃恒温灼烧灰化2h，至灰化完全，得到400℃灰化样品。

2、高温熔融反应

参照GB/T 219规定的角锥法，上述400℃灰化样品制备成灰锥，放在灰熔点高温炉中按照国标的程序升温并控制气氛，升至目标温度1100℃后停止加热，冷却到室温后，取出灰锥作为高温熔融样品。

3、钠元素含量测定

使用Anton Paar公司生产的Multiwave 3000微波消解仪对灰样及原煤样进行消解，灰样称量20mg左右，煤样称量400mg左右，灰样消解用酸：5mL HNO3和1mLHF，煤样消解用酸：6mL HNO3，1mLHF和2mL H2O2。然后使用PerkinElmer公司生产的Optima 8000 ICP-OES电感耦合等离子体原子发射光谱仪分别测定400℃灰化样品及其高温熔融样品钠元素的含量。

4、钠逃逸率的计算

以折算到400℃灰为基准计算其在高温熔融反应中钠的逃逸率。

Ψ＝100(α-β)/α

式中

Ψ——钠的逃逸率，％；

α——400℃灰化样品中钠的含量，g；

β——对应1100℃高温熔融样品中钠的含量，g。

本发明提供了一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料，包括：90～97质量份的无机质和3～10质量份的有机质；所述无机质为合成无机质或自然无机质；所述有机质选自干酪根结构的有机质、腐泥结构的有机质、重油类有机质或渣油类有机质。本发明提供的无机质在700℃以上的温场内，持续分解捕捉燃料中的有害元素硫，形成硫酸碱金属盐，具有一定的固硫效果，降低受热面高温腐蚀；同时分解出的气体，使低熔点共熔物多孔疏松。本发明调制物料中的有机质被无机质和/或准东煤燃烧后形成的低温共熔物包裹产生热解滞后现象，当共熔物粘结到受热面后，500℃左右的受热面上持续受热使有机质热爆破效应使黏合物结构疏松脱落。本发明与添加高熔点惰性物料的技术相比，彻底解决了沾污问题。具有针对性强，添加量小，节能效果好，燃烧效率高，对设备腐蚀和磨损有改善的作用和效果。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种能改变准东煤燃烧产物化学结构的调制物料以及一种在燃煤发电、供热锅炉中大比例燃用准东煤的方法进行详细描述。

实施例1

某准东煤94％，调制物添加比例为6％，且调制物中无机物94％，所述无机物中：硅酸铝：90％；硅酸铝镁：5％；碳酸镁5％；有机物6％为重油。

混合物Si/Ca比为2.00.，钠元素逃逸率5.32％。

对应的结渣沾污产物结构疏松，易脱落，不易结渣、不易沾污。

实施例2

某准东煤90％，调制物添加比例为10％，且调制物中：无机物93％：硅酸铝：80％；硅酸铝钙：15％；碳酸钙5％；有机物7％：渣油。

混合物Si/Ca比为2.22，钠元素逃逸率2.43％。

对应的结渣沾污产物结构疏松，易脱落，不易结渣、不易沾污。

实施例3

某准东煤85％，调制物添加比例为15％，且调制物中：无机物95％：硅酸铝：75％；硅酸铝钙：20％；碳酸钙5％；有机物5％：原油。

混合物Si/Ca比为2.68，钠元素逃逸率0.00％。

对应的结渣沾污产物结构疏松，易脱落，不易结渣、不易沾污。

实施例4

某准东煤80％，调制物添加比例为20％，且调制物中：无机物96％：硅酸铝：80％；硅酸铝钙：10％；碳酸钙10％；有机物4％：油母质提取物。

混合物Si/Ca比为2.85，钠元素逃逸率0.00％。

实施例5

某准东煤90％，调制物添加比例为10％，且调制物中：无机物94％：高岭石80％；莫来石20％；有机物6％：重油。

混合物Si/Ca比为2.53，钠元素逃逸率0.00％。

对应的结渣沾污产物结构疏松，易脱落，不易结渣、不易沾污。

实施例9

某准东煤90％，调制物添加比例为10％，且调制物中：无机物93％：蒙脱石80％；硅线石20％；有机物7％：渣油。

混合物Si/Ca比为2.24，钠元素逃逸率2.00％。

对应的结渣沾污产物结构疏松，易脱落，不易结渣、不易沾污。

所有实施例中对应的结渣沾污产物结构疏松，如图1，图1为有效果的结渣沾污实物照片。

比较例1

调制物0％添加时，某准东煤Si/Ca比为0.20，准东煤中钠元素钠元素逃逸率为41.54％。

对应的结渣沾污产物结构致密，如图2所示，图2为无效果或效果差的炉管结渣沾污实物收集。

比较例2

某准东煤85％，调制物添加比例为15％，且调制物中：无机物96％：石英砂40％；菱镁矿60％；有机物4％：重油。

虽然混合物Si/Ca比为大于2，钠元素逃逸率38％。

由于石英砂中的SiO₂无反应活性，所以无法捕捉钠元素，而且对受热面造成严重磨损。

比较例3

某准东煤90％，调制物添加比例为15％，且调制物中：无机物97％：硅酸铝：60％；硅酸铝钙：40％；有机物3％：重油。

混合物Si/Ca比为2.00，钠元素逃逸率4.90％。

但是SOx排放增加。

比较例4

某准东煤85％，调制物添加比例为15％，且调制物中：无机物100％：硅酸铝：60％；硅酸铝钙：35％；碳酸钙5％。

混合物Si/Ca比为2.17，钠元素逃逸率4.00％。

但是结渣类似图2，结构致密易，在受热面沾污不易脱落。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。