CN105861104A - 通过形成复合型钠化合物解决高钠煤燃烧时沾污的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的通过形成复合型钠化合物解决高钠煤燃烧时沾污的方法属于煤化工领域，是通过将煤灰中Na₂O≤4.6%，K₂O＜2%的高钠煤煤粉与含油率＜4%，Al₂O₃≥14%，SiO₂≥35%，Na₂O≤1%，K₂O≤3%的油页岩粉，通过掺混作为锅炉燃料得以实现的。本发明的实施使得锅炉基本上不产生炉渣和烟灰的结焦，在为期5个月的采暖期内，无须停炉清焦，烟囱无需清灰，保证了连续供暖，不影响生产生活；以往锅炉烟囱排放的大量火星完全消失，消除了安全隐患；十分有利于煤的充分燃烧和降低煤渣含炭率，为油页岩的利用开辟了新的途径。

Description

通过形成复合型钠化合物解决高钠煤燃烧时沾污的方法

技术领域

本发明的通过形成复合型钠化合物解决高钠煤燃烧时沾污的方法属于煤化工领域。

背景技术

新疆部分地区赋存有一定数量的高硅高铝的油页岩，其含油率普遍在4%以下，发热量一般不高于1500千卡/公斤，既不能用于提炼页岩油，也不可作为燃料使用，这种油页岩目前尚处于未开发阶段，并未作为商品使用。与此同时，新疆准东等地区赋存有大量的煤灰中Na₂O含量＞1—12%，K₂O含量基本上≤1%的高钠煤，仅个别矿由于煤田的沉积环境差异，K₂O含量＞1%但＜2%，因为钠元素含量远高于钾元素含量，所以煤的沾污现象主要由钠元素引起。钠元素的赋存状态为有机钠和NaCl。Na₂O的熔点为611℃，NaCl的熔点为801℃，而煤燃烧时温度均高于900℃，所以高钠煤在燃烧时普遍产生沾污锅炉内壁、管路、烟囱的现象。不仅影响锅炉的热效率，增加锅炉的检修次数，而且还存在较大的安全隐患。目前的解决方法是将高钠煤与一定量煤灰中Na₂O含量≤1%的低钠井工煤掺混，作为锅炉的燃料使用。因为井工煤建井成本高，增加产能所需周期长，而准东等地的高钠煤田煤层厚度可达40—100米，易于露天开采，故井工煤的产量远远赶不上露采的高钠煤产量。高钠煤在夏季时井口市场价格仅为40元/吨，而同期井工煤井口价格为170元/吨，所以两种煤配比的出发点为：在沾污的影响能够忍受的情况下尽可能地多掺混高钠煤，目前新疆的高钠煤还不能单独作为火电厂的燃煤。因此，新疆各火电厂普遍存在着如何充分利用高钠煤的问题。

如果能够利用油页岩的耐火性解决高钠煤的沾污问题，同时油页岩自身的热能又能得到利用，那么油页岩即可作为商品推向市场。目前油页岩的开采、破碎成本不足20元/吨，油页岩的井口市场价格估算不会超过30元/吨，如果燃烧每吨煤，按重量比80%使用高钠煤，用油页岩替换原来使用的20%的井工煤，则每吨煤的成本将下降28元。更广泛的意义在于：其一因油页岩储量大且易于开采，可为火电厂提供稳定的原料；其二解决了新疆的高钠煤的沾污问题；其三为油页岩的利用开辟出新的途径。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过改变钠元素的结构，以解决高钠煤在燃烧时锅炉沾污问题的方法，本发明的另一目的在于提供一种高钠煤煤粉与油页岩粉掺混的锅炉用燃料。

（一）高钠煤沾污的机理：

煤炭在锅炉中燃烧时，燃烧温度普遍高于900℃，最高将达到1500℃，由于氧化作用，在一般情况下当煤炭燃烧时有机钠化合物转化为Na₂O，NaCl的化合形式不变，NaCl和Na₂O在煤燃烧时形成熔融状态，遇冷结晶即发生沾污现象。

为此，申请人做过多组实验：

实验一：首先将煤灰中Na₂O含量为2.8%、3.3%、4.6% ，K₂O含量为0.5%，0.6%，2.0%的三种高钠煤与煤灰中Na₂O含量为0.9%、1.0%的两种低钠煤分别灰化，然后将煤灰分别做成灰锥，放入马弗炉中再分别加温到900℃和1000℃并保持温度半小时，停止加热并冷却后取出灰锥，观察三种高钠煤灰锥的外观均为黑褐色、且表面均布满溶出物结晶；低钠煤的灰锥外观为灰白色，表面较为光滑，未明细见到溶出物结晶。由此可见高钠煤的沾污机理主要是钠化合物在高温时溶出引起的。根据申请人对准东地区煤矿的系统采样分析结果表明，该地区煤灰的Na₂O含量均接近3%或3%以上，本文中选定的低钠煤，煤灰中的Na₂O含量≤1%；高钠煤，煤灰中氧化钠含量＞1%。

实验二：根据灰的熔融性分析的相关规定，灰的熔融性温度分为变形温度、软化温度、半球温度和流动温度四个温度点。在测定包括上述三种高钠煤煤灰的熔融性时，通过回放测定仪器的摄像头记录结果发现，灰锥在达到1100℃变形温度前后，灰锥表面均出现大量流动的溶出物，由此从另一个方面证明高钠煤的溶出物在灰的变形温度以前溶出是普遍现象。

（二）复合型钠化合物的形成机理：

高钠煤在燃烧时如果在燃烧物质中存在着一定量的硅、铝元素，这样将形成硅铝酸纳，高钠煤中的钾元素亦将形成硅铝酸钾。

实验三：实验的条件为：将煤灰中Na₂O含量为2.8%、K₂O含量为0.5%，Na₂O含量为3.3%、K₂O含量为0.6%，Na₂O含量为4.6%、K₂O含量为2.0%的三种高钠煤与含油率＜4%、Al₂O₃ 含量为18%、SiO₂含量为65%、Na₂O含量为0.8%、K₂O含量为2.6%的油页岩，以80:20的质量比分别掺混后研磨灰化，放在马弗炉中，再分别加热到900℃和1000℃并保持1小时，停止加热并冷却后，观察灰锥表面均为灰白色、表面光滑且没有任何溶出物结晶现象和灰锥的变形现象，所以在这样的条件下，钾钠元素已经形成了复合型的硅铝酸钾和硅铝酸钠。因为在1000℃的温度下，灰锥没有溶出物结晶出现并且也没有发生灰锥的变形现象，由此可以证明钾、钠元素从氧化物或其它物质形态转化为硅铝酸钾或硅铝酸钠以后，溶出物的温度至少可以从900℃提高到1000℃。

为了验证油页岩的加入比例，对灰锥溶出物和灰锥的变形现象的影响，申请人又做了如下实验：按重量比分别加入5%、40%、50%的同一种油页岩，与之对应加入95%，60%，50%的同一种高钠煤，高钠煤煤灰中Na₂O含量分别为2.8%、3.3%、4.6%，分别掺混灰化。

其他条件不变，重复上述实验观察结果为：

加入5%油页岩时，灰锥表面均略微显示有突出物，突出物颜色为褐色，无灰锥的变形现象；

加入40%油页岩时，灰锥均无突出物，比较加入20%时，表面略显更为光滑，且光滑如镜，颜色几乎不变。灰锥均无变形现象；

加入50%油页岩时，比较加入40%油页岩，灰锥表面的外观和变形现象均无变化；

综合上述四种油页岩的参入比例可见：1）加入5%的油页岩以后效果就极其显著，加入20%的油页岩时效果进一步改观，加入40%的油页岩以后再多增加油页岩的比例，效果几乎不再发生变化。

本申请人为了验证Al₂O₃含量的影响，又选取了三种含油率＜4%的油页岩：第一种油页岩的化学成分为Al₂O₃ 10%，SiO₂ 65%，Na₂O 0.5%，K₂O 1.8%，第二种油页岩的化学成分为Al₂O₃ 14%，SiO₂ 45%，Na₂O 1%，K₂O 3%，第三种油页岩的化学成分为Al₂O₃ 22%，SiO₂ 35%，Na₂O 0.6%，K₂O 2.3%。三种油页岩的加入量均为20%，分别与80%的高钠煤掺混灰化，煤灰中Na₂O含量分别为2.8%、3.3%、4.6%。

其他条件不变，重复上述实验，观察灰锥表面为：

第一种灰锥表面均布满黑褐色的溶出物、灰锥的棱角略显模糊与纯高钠煤灰锥表面无异；

第二种灰锥表面均略显突出物，突出物颜色为褐色，无灰锥变形现象；

第三种灰锥表面均光滑如镜，无灰锥变形现象。

由上述实验可见：1）当Al₂O₃的含量达到14%以后，Al₂O₃的含量越高效果越显著；2）因为油页岩中SiO₂的含量本身就比较高，所以SiO₂含量在≥35%时对本实验没有影响。

本发明的技术方案：解决高钠煤燃烧时锅炉沾污的问题是通过将高钠煤煤粉与油页岩粉掺混，作为锅炉燃料得以实现的。

1、原料及其份量：单位为质量

油页岩：含油率＜4%，Al₂O₃≥14%，SiO₂≥35%，Na₂O≤1%，K₂O≤3%；

高钠煤：煤灰中Na₂O≤4.6%，K₂O＜2%。

2、掺混比例：质量比

油页岩：高钠煤＝5—50：95—50或油页岩：高钠煤＝5：95或油页岩：高钠煤＝20：80或油页岩：高钠煤＝40：60。

高钠煤煤粉与油页岩粉的掺混配制工艺步骤为：

用于烧煤粉的锅炉时：将油页岩用颚式破碎机破碎成＜50mm的颗粒，将高钠煤用FGX—6型复合式干选机干选，选取块度＜50mm的煤末，通过电子计量传送带分别输送到电厂煤粉制备车间的球磨机内，混合磨成粒径＜0.1mm的煤粉，作为锅炉燃料。

用于炉排锅炉时：将油页岩用颚式破碎机破碎成＜50mm的颗粒，因为油页岩的物理赋存状态是由约2mm厚的岩层叠加而成，所以破碎后油页岩颗粒为片状并产生大量的粉末。之后用XKS3—12型50×2500振动筛分筛，选取粒度＜2mm的油页岩粉；将高钠煤用FGX—6型复合式干选机干选，选取块度＜50mm的煤末。将油页岩与高钠煤末用铲车初步掺混后得到粉煤，再通过传送带倒垛，进一步混匀后作为锅炉的燃料备用。

经申请人在进风量30000M³/h的LIG08Mw型热风锅炉使用高钠煤煤粉与油页岩粉掺混后的粉煤作为锅炉燃料，取得如下积极效果：

①以往锅炉炉渣主要结焦于燃烧室下三分之一处，结焦面积从零点几到几平方米不等，结焦厚度一般为100mm左右；烟灰主要结焦在燃烧室上三分之二处及烟囱入口处，结焦厚度为1—3mm，使得锅炉热效率降低。结焦后须随时用钢钩、钢叉从锅炉观火门处伸入清除，两个月内至少需停炉一次，进行全面彻底地清渣处理，无法连续供暖，影响生产生活。现在基本上不产生炉渣和烟灰的结焦，在为期5个月的采暖期内，无须停炉清焦；

②以往烟囱2个月之内必须清理沾污的积灰，现在连续一个5个月的采暖期内无须清理；

③以往锅炉炉膛内的烟气中存在着大量的火星，此火星由两种物质状态组成：其一为接近熔融状态或熔融状态下的氧化物，其二为熔融的钠化合物包裹的燃烧着的炭粒，因为炭粒燃烧能保持此包裹物温度，所以熔融的钠化合物随烟气运动时一直处于熔融状态，其自烟囱排空时易引发火灾。现在完全消失，消除了安全隐患；

④观察两种工况下的煤灰，以往煤灰基本色调为灰白色，煤灰间充满处于完全分离下直径约1毫米的熔融后物质包裹煤粒冷却形成的黑色颗粒，两者界限分明；现在煤灰的基本色调仍为灰白色，未见黑色颗粒，十分有利于煤的充分燃烧和降低煤渣含炭率，还使得油页岩得到进一步利用。

具体实施方式：

实施例：

1、原料及其份量：单位为质量

油页岩：含油率＜4%，Al₂O₃≥14%，SiO₂≥35%，Na₂O≤1%，K₂O≤3%；

高钠煤：煤灰中Na₂O≤4.6%，K₂O＜2%。

2、掺混比例：质量比

油页岩：高钠煤＝5—50：95—50或油页岩：高钠煤＝5：95或油页岩：高钠煤20：80或油页岩：高钠煤40：60。

高钠煤煤粉与油页岩粉的掺混配制工艺步骤均如下施行：

用于烧煤粉的锅炉时：将油页岩用颚式破碎机破碎成＜50mm的颗粒，将高钠煤用FGX—6型复合式干选机干选，选取块度＜50mm的煤末，通过电子计量传送带分别输送到电厂煤粉制备车间的球磨机内，混合磨成粒径＜0.1mm的煤粉，作为锅炉燃料。

用于炉排锅炉时：将油页岩用颚式破碎机破碎成＜50mm的颗粒，因为油页岩的物理赋存状态是由约2mm厚的岩层叠加而成，所以破碎后油页岩颗粒为片状并产生大量的粉末。之后用XKS3—12型50×2500振动筛分筛，选取粒度＜2mm的油页岩粉；将高钠煤用FGX—6型复合式干选机干选，选取块度＜50mm的煤末。将油页岩与高钠煤末用铲车初步掺混后得到粉煤，再通过传送带倒垛，进一步混匀后作为锅炉的燃料备用。

Claims (2)

1.本发明的通过形成复合型钠化合物解决高钠煤燃烧时沾污的方法，其特征在于：所用原料份量及配比为：

（1）原料及其份量：单位为质量

油页岩：含油率＜4%，Al₂O₃≥14%，SiO₂≥35%，Na₂O≤1%，K₂O≤3%；

高钠煤：煤灰中Na₂O≤4.6%，K₂O＜2%；

（2）掺混比例：质量比

油页岩：高钠煤＝5—50：95—50或油页岩：高钠煤＝5：95或油页岩：高钠煤＝20：80或油页岩：高钠煤＝40：60。

2.如权利要求1所述的通过形成复合型钠化合物解决高钠煤燃烧时沾污的方法，其特征在于：高钠煤煤粉与油页岩粉的掺混配制工艺步骤为：

（1）原料及其份量：单位为质量

油页岩：含油率＜4%，Al₂O₃≥14%，SiO₂≥35%，Na₂O≤1%，K₂O≤3%；

高钠煤：煤灰中Na₂O≤4.6%，K₂O＜2%；

（2）掺混比例：质量比

油页岩：高钠煤＝5—50：95—50或油页岩：高钠煤＝5：95或油页岩：高钠煤＝20：80或油页岩：高钠煤＝40：60；

用于烧煤粉的锅炉时：将油页岩用颚式破碎机破碎成＜50mm的颗粒，将高钠煤用FGX—6型复合式干选机干选，选取块度＜50mm的煤末，通过电子计量传送带分别输送到电厂煤粉制备车间的球磨机内，混合磨成粒径＜0.1mm的煤粉，作为锅炉燃料；

用于炉排锅炉时：将油页岩用颚式破碎机破碎成＜50mm的颗粒，因为油页岩的物理赋存状态是由约2mm厚的岩层叠加而成，所以破碎后油页岩颗粒为片状并产生大量的粉末，之后用XKS3—12型50×2500振动筛分筛，选取粒度＜2mm的油页岩粉；将高钠煤用FGX—6型复合式干选机干选，选取块度＜50mm的煤末，将油页岩与高钠煤末用铲车初步掺混后得到粉煤，再通过传送带倒垛，进一步混匀后作为锅炉的燃料备用。