摘要：“双碳”战略目标下，随着煤电由主力电源逐步转向基础保障性和系统调节性电源，机组深度调峰、快速变负荷甚至启停调峰日趋常态化，粉煤灰品质发生诸多问题。从源头燃煤煤种选择、煤粉细度调控、配煤掺烧优化等方面对粉煤灰品质的影响进行研究，研究了粉煤灰特性与煤中无机组分的成
摘要：“双碳”战略目标下，随着煤电由主力电源逐步转向基础保障性和系统调节性电源，机组深度调峰、快速变负荷甚至启停调峰日趋常态化，粉煤灰品质发生诸多问题。从源头燃煤煤种选择、煤粉细度调控、配煤掺烧优化等方面对粉煤灰品质的影响进行研究，研究了粉煤灰特性与煤中无机组分的成分、分布状态的关系。开发从源头燃煤煤种选择、煤粉细度调控、配煤掺烧优化等方面提升粉煤灰品质技术，通过合理调控由于配煤掺烧与机组灵活性调峰对粉煤灰品质的影响，满足市场对粉煤灰品质的技术要求。
关键词：“双碳”； 粉煤灰； 煤种选择； 煤粉细度调控；配煤掺烧优化
00引言
近年来，随着我国新能源装机规模不断增加，电网系统对煤电机组深度调峰、灵活性改造、升级发展运行能力要求逐渐提高。煤电机组不仅要能够升得高，达到额定负荷，还要降得足够低，达到30%甚至20%额定负荷［1］。在煤电机组“三改联动”和煤电容量电价机制的情况下，一方面，机组经常在深度调峰、快速调节和偏离正常工况下运行，机组能耗增加的同时，其飞灰含碳量增加。机组锅炉中的飞灰含碳量是反映燃煤锅炉燃烧效率的重要技术指标和主要运行经济指标，机组正常运行应控制飞灰含碳量在合适的范围内。近年来，煤炭市场紧张，国内大部分燃煤机组不得已燃用偏离设计工况的煤种，如高灰分、低挥发分的劣质煤种，这造成了飞灰含碳量增加，且机组燃烧效率严重下降。煤粉的不充分燃烧使炉膛中火焰中心位置上移，炉内还原气氛增强还会导致锅炉存在爆管、烟气出口超温、水冷壁和过热器结焦等问题，此外飞灰含碳量过高还将降低除尘器效率，造成环境污染［2］，同时使粉煤灰品质也出现了新的变化，突出表现在烧失量不稳定、需水比增加、玻璃微珠大幅减少、色泽发黑出现浮黑物等问题。
为了最大限度稳定和提高粉煤灰品质，满足市场对粉煤灰品质的技术需求，从源头来保证粉煤灰品质，使得粉煤灰品质能够满足国家标准（GB/T1596—2017）的要求。通过科学选择煤种并进行优化配比，同时提供适宜的燃烧环境，能有效克服单一煤种燃烧的局限性。混煤掺烧不仅提升了劣质煤的利用效率，还提高了锅炉机组的经济效益和运行安全性［3］。此外，恰当的混煤配比还能提高煤粉的燃尽率，促进完全燃烧，并有效控制污染物排放［4］。配煤作为清洁煤技术的核心环节，已成为全球科研领域的重点研究方向［5］。该技术通过科学调配不同品质的煤炭资源，充分发挥各类煤种的特性优势，不仅提升了煤炭利用效率，还能满足多样化燃烧设备对燃料品质的特定需求。
01原材料
本实验选取了大唐清苑热电长协煤和市场煤。依据GB/T212—2008《煤的工业分析方法》进行分析测试，测试结果如表1所示。
燃料比是指煤中固定碳与挥发分的比值，可以用来评价煤的燃烧性质，通常情况下挥发分越高，燃料比越小，煤的着火特性和燃烧性能越好。
02试验方法
依据GB/T212—2008《煤的工业分析方法》进行煤样工业分析测试；依据GB/T8899—2013《煤的显微组分和矿物测定方法》测定煤的显微组分；依据SY/T5163—2018《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》对大唐清苑热电的入炉煤进行XRD测试，所采用的设备型号为日本理学UltimaVI型。依据GB/T478—2008《煤炭浮沉试验方法》进行浮沉实验。
03试验结果与讨论
3.1 煤种选择对粉煤灰品质的影响
3.1.1 入炉煤无机矿物及有机显微组分分析
煤的燃烧过程,是煤中有机组分分解放热、无机矿物吸热或放热并发生相转变的复杂过程，即由原煤转变成热能及灰分的过程。电厂的粉煤灰就是在这一复杂的过程中形成后，由静电除尘器收集起来的。矿物晶体的形成是由不同成分的硅酸盐熔体多元系统在非平衡条件下结晶行为所决定。依据GB/T8899—2013《煤的显微组分和矿物测定方法》测定煤的显微组分；其中，无机矿物组分是用干物镜测定，有机显微组分是用油浸物镜测定，入炉煤有机显微组分和无机显微组分具有代表性的组分图，如图1所示；煤样有机显微组分结果表，如表2所示。
镜质体在加热过程中会热解生成非挥发性液相产物，这种液相产物会黏结其他的有机组分和无机质，镜质组本身的质量对粉煤灰有重要影响。变质程度较低的镜质组结构单元侧链长而多，热解温度较低，交联键较多更容易膨胀。变质程度较高的镜质组结构单元侧链短而少，热分解温度较高，交联键较少且容易断裂。部分镜质组热分解时不产生或产生较少黏结性物质，其性质与惰质组相似。因此，在探究入炉煤对粉煤灰的影响时，煤中镜质组不能只看含量，还需要考虑煤的变质程度和镜质组的性质。
3.1.2 入炉煤无机矿物组成的XRD分析
煤中黏土XRD实验分为H-M、N-M、E-M共3个样品片，其分别为乙二醇饱和片、高温片和自然片。乙二醇饱和片：将自然片置于乙二醇蒸汽中进行熏蒸饱和处理，恒温50～60℃，恒温时间不少于8h。高温片：在450～550℃条件下将乙二醇饱和片恒温不短于2.5h，自然冷却至室温。依次测量自然片、乙二醇饱和片、高温片，获取X射线衍射谱图，根据谱图特性确定各黏土矿物种类。煤中矿物XRD实验结果，如图2所示；入炉煤中各种矿物质的含量测试结果，如表3所示。
矿物在煤中的种类和含量,与成煤的地质环境、物理化学条件、元素的含量及煤的开采、贮、运、处理条件等因素有关。开采后贮、运的时间愈长,具有高电价（氧化态）的矿物成分愈多。煤中的矿物成分决定了煤中化学成分的种类和含量。影响煤中微量元素含量的因素较为复杂。事实上，元素周期表中的绝大多数元素都可在煤中出现,只是含量高低不同。煤中常见的化学元素有Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、Mn、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、V、Ge、O、C、S、B等。清苑热电入炉煤中无机矿物以黏土矿物为主，其含量高达69.7%，其次为石英，其含量为18.3%。
3.1.3 入炉煤内在矿物和外在矿物含量分析
为探究煤中无机矿物分布及含量对粉煤灰品质的影响，对入炉煤样开展浮沉实验和SEM测试，依据GB/T478—2008《煤炭浮沉试验方法》进行浮沉实验［6］。按密度范围将煤中有机质、无机质和连生体进行划分，将-1.4g/cm3密度级定义为纯的有机质；将+1.8g/cm3定义为纯的无机矿物质，即外在矿物；将1.4～1.8g/cm3定义为连生体，其中的无机矿物质即为内在矿物。入炉煤的浮沉试验结果，如表4所示。
对入炉煤样采用捷克TescanMiraLMS扫描电镜、Xplore30能谱仪进行测试。其结果见图3。
扫描电镜图中颜色较暗的是有机质，颜色偏亮、偏浅色的是矿物质。由图3可知：无机矿物质主要呈不规则颗粒状和层片状。无机矿物质主要有3种存在方式：①无机矿物质单独存在；②无机矿物质呈聚合体存在；③无机矿物质嵌布在有机矿物质中。将基于扫描电镜观察到的外在灰分定性分析结果，与基于浮沉试验的定量分析结果及其对应的灰分、发热量汇总于表5。
内在矿物含量大部分都在30%～35%内，外在矿物含量变化较大，在21%～58%。基于SEM观察到的外在灰分定性分析结果，与基于浮沉试验的定量分析结果及入炉煤的灰分、发热量之间有较好的相关性；外在矿物含量增加，会大量吸收煤燃烧的热量，是粉煤灰质量降低、未燃碳含量升高的重要原因。
3.2 煤粉细度对粉煤灰品质影响研究
3.2.1 粉煤灰、炉渣含碳量分析
煤粉燃烧的特点是空气-烟气流承载着燃料颗粒，以悬浮状态流过燃烧室。这就要求燃料颗粒必须磨成粉状。在飞越炉膛的有限时间内（1～2s）、能够在悬浮状态下完成全部燃烧过程。煤粉颗粒大小及其分布对煤的燃烧特性和燃烧效率影响很大，同时，其对于煤燃烧过程中颗粒物的形成有一定的影响。在270、225、140MW的负荷工况下进行飞灰、炉渣含碳量测试,测试结果如表6所示。各负荷下飞灰含碳量6.33%～9.45%，炉渣含碳量5.36%～8.43%，飞灰、炉渣含碳量相对偏大。
3.2.2 磨煤机出力及煤粉细度分析
磨煤机出力及煤粉细度测试在225MW工况下进行，燃用常用煤种，以B、C磨煤机出力39.49t/h和38.19t/h进行，从测试结果分析，煤粉细度R90分别为7.50%和8.10%，燃用煤质干燥无灰基挥发分16.99%。按照火力发电厂制粉系统设计计算技术规定（DL/T5145—2012）［7］要求，煤粉细度应按照R90＜0.5Vdaf控制最佳技术参数。
04结论
1）煤中的镜质组、壳质组和惰质组对粉煤灰中微珠的形成有促进作用；煤中的镜质组、壳质组、碳酸盐、黄铁矿在各自适量的范围内，对空心微珠和多孔微珠的形成起到促进作用；煤中硅酸盐矿物和黏土矿物增加，会使粉煤灰中不规则颗粒含量增加，从而导致粉煤灰品质变差。
2）煤中内在矿物高容易形成玻璃微珠，粉煤灰品质好。而外在矿物多形成不规则玻璃体，会大量吸收煤燃烧的热量，是煤粉灰质量降低、未燃碳含量升高的重要原因。
3）通过调控煤粉细度，对煤粉细度明显偏高的磨煤机进行治理，提高磨煤机出力以降低煤粉细度，确定了煤粉细度最佳控制技术参数，控制煤粉细度R90＜0.5Vdaf。
作者：高磊磊，高爱民，冯计周等来源：南通市生态环境局，仅供分享交流，图文版权归原作者。侵删。
来源：固废利用与低碳建材
