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提高煤灰熔融性测定结果准确性的探讨 裴琴琴, 李 松 华电宁夏灵武发电有限公司, 宁夏 银川 750000 摘 要 煤灰熔融特征温度测定结果受多方面因素影响, 结合生产试验过程中遇到的问 题, 从灰的制作、 灰锥的制作、 试验气氛和图像识别 4 个方面, 分别分析了其对煤灰熔融性测 定结果准确性的影响及程度, 并提出了有效的应对方法和措施。 关键词 火电厂; 灰熔融性; 特征温度; 准确性 中图分类号 TQ533. 3 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202008-0070-05 收稿日期 2020-05-19 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 08. 020 作者简介 裴琴琴1992, 女, 宁夏盐池人, 2016 年毕业于中国石油大学北京化学工程专业, 工学硕士, 华电宁夏灵武发电有限公 司技术员, 助理工程师。 引用格式 裴琴琴, 李 松. 提高煤灰熔融性测定结果准确性的探讨 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20208 70-74. 煤灰熔融性是煤高温特性的重要测定项目之 一, 是动力用煤的重要指标, 它反映煤中矿物质 在锅炉中的变化状态, 锅炉运行中煤灰的性质直 接影响其运行的安全性和稳定性。 测定煤灰熔融 温度在火电厂生产中的作用具体有以下几点 一 是可以为锅炉设计提供参考依据, 在设计锅炉 时, 一般要求炉膛出口烟温比煤灰的软化温度低 50100 ℃, 否则, 会引起锅炉出口过热器管束 间灰渣的 “搭桥”, 严重时会发生堵塞, 对锅炉 安全造成威胁。 二是可以预测燃煤的结渣, 指导 入炉煤掺配。 根据煤粉锅炉的运行经验, 煤灰的 软化温度小于 1 350 ℃ 就有可能造成炉膛结渣, 妨碍锅炉的运行安全; 同时根据软化和变形温度 的差值, 可以判断渣型为长渣还是短渣, 一般差 值为 200 400 ℃ 为长渣, 100 200 ℃ 为短渣, 长渣更有利于锅炉安全运行。 三是可以为不同锅 炉燃烧方式选择燃煤, 固态排渣锅炉要求煤灰熔 融温度相对高些, 防止炉膛结渣, 而液态排渣锅 炉则要求煤灰熔融温度相对低些, 防止排渣困 难[1-4]。 四是作为入厂煤结算重要指标之一。 因 此, 煤灰熔融温度的测定在火电厂中具有重要 意义。 煤灰熔融性一般测定 4 个特定温度变形温 度 DT、 软化温度 ST、 半球温度 HT、 流动温度 FT, 用来判断燃煤的结渣状况。 DT 与锅炉轻微 结渣和其吸热表面轻微积灰的温度相对应, ST 与锅炉大量结渣和大量结灰的温度相对应, FT 则与锅炉中灰渣呈液态流动或从吸热表面滴下和 严重结渣的温度相关联[5-8]。 在 4 个特征温度中, ST 指导性最强, 一般根据 ST 的大小来选择合适 的燃烧设备, 或根据燃烧设备类型来选择具有合 适 ST 的燃煤。 煤灰熔融温度利用灰熔点测试仪进行测定, 过程为 煤灰制作, 制作灰锥, 置于灰锥托板 上, 在灰熔点测试仪的弱还原性气氛下进行测 试, 根据投影图像判断 4 个特征温度[9]。 试验过 程发现, 测定的数据重复性较差, 准确度较低。 针对以上问题, 笔者通过大量试验寻找原因所 在, 提出有效的应对方法, 提高煤灰熔融性测定 结果的准确度。 1 试验现状 按照 煤灰熔融性的测定方法 GB/ T 219 -2008规定方法, 将灰标准物质 GBW11124d 制 成灰锥, 使用湖南三德科技股份有限公司生产的 SDAF2000d 灰熔点测试仪进行测定, 由活性炭 8 g石墨粒 10 g 组成的碳物质营造弱还原性气氛, 按照仪器自动识别功能记录特征温度值, 标灰值 07 煤炭加工与综合利用 COAL PROCESSING b. 灰锥无尖; c. 灰锥无棱角。 3 组试验得出的数 据见表 2 及图 2。 表 2 不同灰锥形状下标灰的特征温度测定值 时间灰锥形状DT/ ℃ST/ ℃HT/ ℃FT/ ℃ 10 月 17 日 a1 0781 0851 0931 123 b9891 0001 0851 114 c9941 0041 0991 128 10 月 20 日 a1 0861 0911 1001 153 b9981 0061 1051 143 c1 0001 1061 1121 138 10 月 21 日 a1 0931 1031 1071 130 b9911 0021 1051 128 c9831 0001 1141 170 图 2 不同灰锥形状下标灰的 特征温度测定值与标准值的差值 从表 2 可知, 灰锥形状不同时, 测定数据偏 差较大。 从试验数据观察得, b 形状测得的特征 温度比 a 形状测得数据整体偏低, c 形状测得的 特征温度 DT 比 a 形状测得数据整体偏低, HT 偏 高, 考虑到试验次数和试验误差的影响, 无法判 断其规律性。 从图 2 可以看出, 完全符合标准的 灰锥测定值与标准值的差值在-3631℃ 范围 内, 偏差较小, 而无尖和无棱的灰锥 DT 和 ST 测 定值与标准值的差值在-70 ℃ 左右, 偏差较大, 17 2020 年第 8 期裴琴琴, 等 提高煤灰熔融性测定结果准确性的探讨 ChaoXing 因为 DT 和 ST 主要是观察尖或棱的形变过程而得 出结果, 故受形状影响较大, 而 HT 和 FT 主要 是观察融化后状态和流动性, 故受形状影响相对 较小。 总体来说, 灰锥形状是否符合标准规范直 接影响特征温度测定的准确性。 2. 3 气氛条件 从理论上讲, 试验气氛条件是影响煤灰熔融 特征温度的主要因素。 因为铁在不同的气氛中将 形成不同价态的化合物, 在氧化性气氛中以 Fe2O3形式存在, 在弱还原性气氛中以 FeO 形式 存在, 在强还原性气氛中以单质 Fe 形式存在, 其中 FeO 的熔点最低, 且 FeO 能与煤灰中的 SiO2 生成低熔点的硅酸盐及其低共熔混合物, 一般 在铁含量较大的煤灰中, 弱还原性气氛下的 ST、 FT 测定值比强还原气氛和氧化性气氛下的测定 值低100300℃左右。 在工业锅炉的燃烧过程 中, 一般都形成由 CO、 H2、 CH4、 CO2和 O2为 主要成分的弱还原性气氛, 所以测定煤灰熔融性 时, 一般也在与其相似的弱还原性气氛中进行。 通过控制碳物质的量, 从而控制炉内生成的 CO 和 CO2体积, 继而实现对气氛的控制。 二者在炉 膛内始终处于一个动态中 2CO2 2CO, CO O 2 2 CO2, 当 CO 和 CO2的体积接近于 1 ∶ 1 时, 气氛就呈弱还原性[1,4]。 笔者在不同碳物质组合下形成的不同气氛环 境中对标灰 GBW11124d 进行测定, 具体试验变 量控制、 测定值和测定值与标准值的差值见表 3。 表 3 不同碳物质组合下标灰的特征温度测定值 试验 编号 碳物质组合 活性炭 石墨 / g 测定值 与差值 特征温度/ ℃ DTSTHTFT 100 测定值1 1621 1911 19612 34 差值1051199891 2614 测定值1 1211 1801 1331 221 差值641083578 3812 测定值1 1001 1451 1911 208 差值43739365 41010 测定值1 0751 0851 1181 153 差值18132010 5128 测定值1 1141 1811 1251 216 差值571092773 6146 测定值1 1411 1851 1261 249 差值8411328106 由表 3 中的 6 组试验结果可以看出, 不放任 何碳物质时, 测定值与标准值的差值最大, 均在 100 ℃左右, 是因为气氛氧化性较强。 随着碳物 质量的增加, 二者的差值逐渐减小, 准确性明显 增加, 在活性炭 10 g石墨 10 g 时, 二者的差值 最小, 正确度最高, 4 个特征温度的差值均在 40 ℃以下, 可以判断此时气氛为弱还原性。 随着活 性炭的比例增加, 石墨的比例减少, 二者的差值 又逐渐增加, 在活性炭14 g石墨6 g 时, 差值也 在 100 ℃左右, 此时气氛的还原性较强。 因此可 以看出, 弱还原气氛的控制对试验结果的准确性 影响很大, 在试验过程中要严格控制, 应定期使 用标灰进行检测。 2. 4 图像识别 在灰熔融性测定中主要通过观察灰锥形态变 化来确定灰锥是否达到其特征状态。 随着计算机智能化的普及, 目前在灰熔融测 定仪中导入自动识别系统, 同时对灰锥的变化进 行了全程录像, 方便试验人员的提取辨认。 但是 在加热灰锥过程中, 灰锥的形态变化是很复杂 的, 尤其在高温情况下, 在 HT 与 FT 之间的变 形温度是很快的, 仅凭仪器难以准确判断灰锥的 形态。 而目视判断则引入较多的人为主观误差, 特别是变形温度 DT, 难熔灰的 DT 更为明显。 煤 灰是一个混合物, 不同的灰组成不同, 因此受热 时灰试样的形态变化也各种各样, 往往还产生一 些特殊的形态变化, 例如起泡、 膨胀、 收缩、 挥 发等, 这给熔融温度的判别又增加了困难。 而且 人工斜视、 仰视或者俯视都会出现判断误差, 从 而降低了试验数据的准确性[5]。 为尽量减少试验误差, 提高试验数据的准确 度, 应该采取仪器自动判别加人工判断的方式来 确定特征温度。 试验人员在每次系统自动判定完 后, 应对其所有的特征温度进行重新识别。 对于 灰锥发生起泡、 扭曲、 收缩、 膨胀和内部起泡及 突出等异常现象, 应做好记录并重新试验, 以提 高测定的准确度。 2. 5 改进后试验结果验证 经过以上对 4 大主要影响因素的分析探讨 后, 笔者对之前的试验进行了改进, 灰锥形状完 全符合 GB/ T 219-2008 中的制作要求, 气氛条件 由活性炭 10 g石墨 10 g 营造弱还原性气氛, 采 用仪器识别和人工判断的方式确定特征温度。 改 27 煤炭加工与综合利用2020 年第 8 期 ChaoXing 进后对标灰 GBW11124d 进行全过程试验得出数 据如表 4。 表 4 标灰的特征温度测定值 日期DT/ ℃ST/ ℃HT/ ℃FT/ ℃ 12. 011 0781 0851 0901 143 12. 031 0681 0791 0831 162 12. 051 0901 0931 1021 123 12. 071 0881 0921 0981 140 12. 091 0711 0821 0831 130 12. 111 0711 0821 0831 130 12. 131 0881 0931 1061 127 12. 151 0831 0901 0961 141 12. 171 0801 0861 0911 120 12. 191 0701 0911 0991 139 12. 211 0891 0931 0991 124 12. 231 0731 0931 1051 133 对表 4 所测数据进行数据离群值检验和准确 性分析, 离群值检验采用 数据的统计处理和解 释正 态 样 本 离 群 值 的 判 断 和 处 理 GB/ T 48832008中的格拉布斯Grubbs 检验法[10], GmaxXmax-A / S, GminA-Xmin / S。 合成不确 定度计算采用 煤炭成分分析和物理特性测量标 准物质应用导则 GB/ T 291642012 [11] 中的 Uc2UCRM/2 2S R,GB 2 / n 1/ 2。 计算结果 如表 5 所示。 离群值判定, 查 G0. 975,12为 2. 412, 表 5 中 Gmax和 Gmin每一项都小于 G0. 975,12, 所以测定结果 没有离群值, 所有数据均有效。 精密度判定, 依据 GB/ T 2192008 中规定, ST、 HT、 FT 的再现性值 R 为 80, 计算标准方法 的方差 VR,GB R 2 /8, 为 800, 表 5 中方差 V 均小 于 800, DT 无再现值, 此处不计算, 因此, 测定 结果精密度符合要求。 正确度的判定, 表中 ST、 HT、 FT 测定值的 平均值与标准值的差值分别为 16 ℃、 -3 ℃、 -9 ℃, 均小于合成不确定度, 因此, 测定结果的正 确度符合要求。 经过以上判定, 表 4 中测定数据的准确度符 合要求。 将改进后的测定数据与改进前的测定数 据进行对比, 具体实测灰熔点及测定值与标准值 的差值数据如图 3 所示。 表 5 标灰的特征温度测定值计算 特征温度A/ ℃VSUCRM/ ℃UC/ ℃GmaxGminΔ/ ℃ DT1 079. 08369. 7208. 350181. 3071. 32722 ST1 088. 25026. 7505. 17214220. 9181. 78816 HT1 094. 58371. 1748. 43616231. 3531. 373 -3 FT1 134. 333133. 87911. 57122272. 3911. 239 -9 注 表中 A 表示平均值, V 表示方差, S 表示标准差, UCRM表示标准值的扩展不确定度, UC表示合成不确定度k 2, Gmax表示上 侧 Grubbs 计算值, Gmin表示下侧 Grubbs 计算值, Δ 表示测定值的平均值与标准值的差值。 图 3 改进后标灰的特征温度测定值和差值 从图 3a图可以看出, 相比于图 1a图, 4 个特征温度的再现性均在合格范围内, DT、 ST、 HT 再现性很好, 从 FT 的曲线来看, 第3 次和第2 次测定结果相差-39 ℃, 相较于图 1 中最大差值 74 ℃, 再现性有了很大的提升。 相比于图 1b 图, 从图 3b图可以看出, 4 个特征温度与标准 值的差值均在不确定范围内, DT、 ST、 HT 均存在 正误差, DT 偏差在1133 ℃, 较440 ℃, 偏差减小, ST 偏差在721 ℃, 较1533 ℃, 偏差减小, HT 在-158 ℃, 较1031 ℃, 偏差减小, FT 正负误差均有, 主要呈现负误差, FT 偏差在-2319 ℃, 较-3633 ℃, 偏差 减小。 因此, 通过对试验各环节加强规范和改进, 测定值与标准者的差值均减小, 正确度得到明显 提升。 37 2020 年第 8 期裴琴琴, 等 提高煤灰熔融性测定结果准确性的探讨 ChaoXing 3 结 语 1在制作灰样时, 采用快灰法和慢灰法对 试验最终测定结果的影响不明显, 因此建议在生 产应用中宜采用快灰法, 可以节省时间。 2灰锥的形状对特征温度测定结果的影响 很大, 所以建议在制作灰锥时一定按照标准制作 规范的灰锥, 减少误差。 3气氛条件也是影响特征温度测定结果准 确性的主要原因, 通过采用多组具有代表性的活 性炭石墨质量配比组合, 确定了试验最优条件, 避免了因碳物质质量比差异而导致试验气氛的错 误选择, 进而影响试验结果的准确性。 建议在设 备长时间使用中或新设备投运前要做不同量碳物 质的比较, 选择最佳的碳物质量和比例。 4采取仪器自动判别加人工判断的方式确 定煤灰熔融特征温度, 2 种方式联用可以取长补 短, 进一步提高测定结果的准确性。 参考文献 [1] 陈 苗. 封碳法试验气氛对煤灰熔融性测定结果的影响 [J]. 内蒙古石油化工, 2017, 438 3-5. 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