降低高鈉煤結(jié)渣特性綜合研究

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(1.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司 北京 102209；2.北京市低質(zhì)燃料高效清潔利用工程技術(shù)研究中心 北京 102209)

0 引 言

我國是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤炭為主要能源的國家，煤炭作為我國主要一次能源的基本格局, 在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變[1-2]。經(jīng)勘探，我國新疆地區(qū)準(zhǔn)東高鈉煤資源豐富，僅準(zhǔn)東煤田就蘊(yùn)藏著約3900億噸高鈉含量煤炭資源。但是研究表明，煤中的Na等堿金屬燃燒后部分會(huì)以蒸氣的形式存在于煙氣中[3]。這些蒸氣如果冷凝在受熱面會(huì)加速污垢的形成, 大大降低設(shè)備的利用率。其原因?yàn)椋篘a2O屬于易揮發(fā)物質(zhì)，在高溫下?lián)]發(fā)后，易凝結(jié)在受熱面上形成燒結(jié)或粘結(jié)的灰沉積，這類沉積多發(fā)生在尾部對流受熱面上，并形成結(jié)渣源。

目前，國內(nèi)電廠燃用高鈉煤的經(jīng)驗(yàn)較少，在準(zhǔn)東煤田附近建設(shè)的多個(gè)坑口電站，在燃用準(zhǔn)東煤時(shí)相繼產(chǎn)生了尾部對流受熱面沾污積灰嚴(yán)重的現(xiàn)象，影響鍋爐傳熱，降低了鍋爐機(jī)組的整體運(yùn)行可靠性。因此，需加強(qiáng)對高鈉煤種結(jié)渣特性的研究，并落實(shí)安全、有效的燃用技術(shù)措施，滿足電廠燃用新煤種的需要[4]。此外，在氣化方面，因?yàn)槊褐械拟c是煤氣化與燃燒過程中造成爐內(nèi)結(jié)渣[5]及沉積腐蝕的主要礦物質(zhì)元素，對煤的熱解和氣化反應(yīng)造成影響。

1 堿金屬對受熱面沾污的影響

爐內(nèi)受熱面的沾污大致分為4種類型：

(1)機(jī)械沾污。由于受熱面表面的粗糙和其它引力作用，使細(xì)顆粒堆積而形成疏松的灰污層，這種機(jī)械粘結(jié)物易于用爐內(nèi)吹灰來清除。一般發(fā)生在尾部受熱面。

(2)粘結(jié)沉積物。由于灰中堿土金屬在高溫?zé)煔庵猩A凝結(jié)在冷的水冷壁上或由于粘結(jié)灰層中灰?；ハ喈a(chǎn)生化學(xué)作用而形成低熔點(diǎn)化合物，這部分粘灰能部分被吹灰清除。一般發(fā)生在尾部受熱面。

(3)密實(shí)的粘結(jié)層。由于灰粒間在爐內(nèi)氣氛下相互起化學(xué)作用而被高溫?zé)Y(jié)而密實(shí)的積灰層，它有較高的機(jī)械強(qiáng)度，清灰時(shí)難以清除。一般發(fā)生在尾部受熱面。

(4)液態(tài)渣層。當(dāng)沾污的受熱面溫度較高時(shí)，會(huì)使灰粒部分融化而成液態(tài)，這樣更易于粘結(jié)不斷沉寂下來的灰粒，使得灰層變厚，溫度更高，結(jié)果導(dǎo)致惡性循環(huán)，融化成液態(tài)渣溜走，直至平衡。一般發(fā)生在爐內(nèi)受熱面。

在鍋爐運(yùn)行中，上述4種類型結(jié)渣沾污是交叉進(jìn)行甚至互相影響的，具體由燃料特性及爐內(nèi)氣氛及燃燒工況決定的。

隨著爐內(nèi)受熱面的沾污，其對鍋爐運(yùn)行的影響大體可以歸納為以下幾方面：

(1)沾污會(huì)降低爐內(nèi)受熱面的傳熱能力?；以谑軣崦娉练e后，由于其導(dǎo)熱系數(shù)低、熱阻大，嚴(yán)重沾污后的受熱面?zhèn)鳠崮芰?huì)降低30%～60%。

(2)爐內(nèi)受熱面沾污后會(huì)引起爐膛出口煙溫的提高，使得飛灰易粘結(jié)在對流相屏式過熱器上，引起過熱器的沾污和腐蝕。

(3)積灰會(huì)使省煤器和空氣預(yù)熱器堵塞、惡化傳熱，從而提高排煙溫度、降低鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

(4)由于總的傳熱阻力增大，會(huì)使鍋爐無法維持在高負(fù)荷下運(yùn)行，被迫增加投煤量，引起爐膛出口煙溫進(jìn)一步提高，使灰渣更容易粘在受熱面上，形成惡性循環(huán)。

(5)在高溫?zé)煔庾饔孟?，粘結(jié)在水冷壁或過熱器上的灰渣會(huì)與管壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫腐蝕。

2 降低高鈉煤結(jié)渣特性綜合研究

2.1 系統(tǒng)及運(yùn)行調(diào)整

為降低高鈉煤結(jié)渣特性，從系統(tǒng)及運(yùn)行調(diào)整方面，主要包括使用除焦劑、加強(qiáng)蒸汽吹灰、合理配煤等。

2.1.1 使用除焦劑

某燃用準(zhǔn)東高鈉煤電廠在鍋爐尾部結(jié)焦區(qū)域試驗(yàn)使用某除焦劑20 d，共投入除焦劑210 kg。參數(shù)曲線表明，至試投除焦劑結(jié)束，再熱汽溫溫升幅度有限，且無法確認(rèn)與除焦劑的關(guān)系。此外，投入除焦劑的鍋爐與不投除焦劑的鍋爐尾部受熱面，結(jié)焦情況無明顯差異[6]。

2.1.2 加強(qiáng)吹灰

現(xiàn)有正常吹灰系統(tǒng)外，某廠在空預(yù)器部位增加部分吹灰器，燃燒準(zhǔn)東高鈉煤時(shí)加強(qiáng)吹灰，由正常每班一次吹灰改為兩次，甚至在結(jié)焦嚴(yán)重的再熱器部分每2 h吹灰一次，均未達(dá)到預(yù)期效果，吹灰對已結(jié)焦受熱面沒有明顯效果[6]。

2.1.3 合理配煤

將沾污傾向弱的煤與高鈉煤進(jìn)行摻燒，可以減弱高鈉煤燃燒過程中的沾污傾向[3]。降低煤質(zhì)總體含鈉量摻燒低鈉煤比例：當(dāng)摻燒高鈉煤的比例達(dá)在90%左右時(shí)，鍋爐尾部結(jié)焦嚴(yán)重，汽溫等參數(shù)明顯低于設(shè)計(jì)值；當(dāng)摻燒高鈉煤的比例在70%左右時(shí)，尾部結(jié)焦情況明顯改善，鍋爐各項(xiàng)參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)值。從實(shí)際效果看，合理配煤對降低高鈉煤結(jié)渣效果顯著。

2.2 優(yōu)化鍋爐設(shè)計(jì)

為降低高鈉煤結(jié)渣特性及降低結(jié)渣對鍋爐運(yùn)行帶來的影響，可從優(yōu)化受熱面設(shè)計(jì)、選擇合理煙氣流速等。

2.2.1 合理設(shè)計(jì)布置換熱面

對流受熱面截距設(shè)計(jì)得稍大些且其易于除灰，以保證沾污后仍能達(dá)到設(shè)計(jì)的溫度水平。由于熱流密度不均以及水冷壁的流量偏差都會(huì)引起換熱管內(nèi)部結(jié)垢，導(dǎo)致熱阻增加，管壁局部超溫。所以在換熱面設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能清除流量偏差，使受熱面冷卻均勻，避免個(gè)別管子超溫。

2.2.2 合理煙氣流速

煙氣流速對受熱面上沉積物的形成具有重要的影響。當(dāng)煙速超過一定速度時(shí)，大部分飛灰來不及撞擊受熱面即隨煙氣排出；同時(shí)，初黏在換熱面上的顆粒在較大煙速的作用下也會(huì)重新回到煙氣中，從而降低了換熱面上的沉積。但煙速增加，磨損和阻力也隨之增加，因而選擇一個(gè)合理的煙速是至關(guān)重要的。

2.3 高鈉煤預(yù)處理

通過高鈉煤提質(zhì)技術(shù)可使處理后的煤含Na量大大降低，從而減少煤在燃燒過程中鈉的釋放，減輕了高鈉煤燃燒帶來的沾污影響。生物質(zhì)中也存在含量較高的堿金屬，在燃燒利用過程中同樣出現(xiàn)沾污問題。國外研究發(fā)現(xiàn)：對秸稈進(jìn)行了燃前提質(zhì)處理可以除去80%的鉀及90%的氯，提高了灰熔點(diǎn)，減輕了換熱面的沾污。國內(nèi)部分廠家使用一種自制洗滌溶液進(jìn)行了準(zhǔn)東煤燃前脫鈉提質(zhì)處理，試驗(yàn)結(jié)果表明在合適的工藝條件下可將內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)且鈉含量較高的準(zhǔn)東煤中的Na含量降至2%以下(以灰分計(jì))，提質(zhì)后的煤燃燒結(jié)渣特性顯著下降。此外，華能清能院基于流態(tài)化技術(shù)原理，提出的一種新型技術(shù)。該技術(shù)通過將流化床技術(shù)與燃料干燥、氣化過程緊密結(jié)合，有效降低高鈉煤中的Na含量，降低燃燒利用后的結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

我國準(zhǔn)東煤中Na等堿金屬含量高，燃燒后易在尾部受熱面結(jié)渣，影響鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行；

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：使用除焦劑、加強(qiáng)吹灰等，對降低高鈉煤的結(jié)渣特性影響有限，而合理配煤效果顯著；

可考慮通過優(yōu)化受熱面設(shè)計(jì)、優(yōu)化煙氣速度等方面降低結(jié)渣對鍋爐機(jī)組帶來的不利影響；

此外，可通過預(yù)處理將高鈉煤中的Na等堿金屬含量降低至符合現(xiàn)代燃燒鍋爐對煤質(zhì)的要求的水平。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[2] 郝麗芬,李東雄,靳智平.灰成分與灰熔融性關(guān)系的研究[J].電力學(xué)報(bào),2006,21(3):294-296.

[3] 張守玉,陳 川,施大鐘，等. 高鈉煤燃燒利用現(xiàn)狀[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013,33(5):1-8.

[4] 董明鋼.高鈉煤對鍋爐受熱面結(jié)渣、沾污和腐蝕的影響及預(yù)防措施[J].熱力發(fā)電,2008,137(9):35-39.

[5] 衛(wèi)小芳,黃戒介,房倚天，等. 堿金屬對褐煤氣化反應(yīng)性的影響[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化,2006,30(4):38-41.

[6] 邱 忠,梁進(jìn)林. 循環(huán)流化床鍋爐燃燒新疆準(zhǔn)東五彩灣煤的對策探討[J]. 應(yīng)用能源技術(shù),2012 (12):16-19.