五彩灣煤燃燒特性的試驗(yàn)研究

李 紅， 王桂芳

（1.中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

新疆五彩灣煤具有水分高、灰分低、熱值中等及煤灰中堿金屬（尤其是CaO和Na2O）含量高等特性，近幾年由于該煤種煤礦儲(chǔ)量大、價(jià)格較低而在新疆地區(qū)現(xiàn)有鍋爐中逐步得到使用.其燃用結(jié)果表明，由于與實(shí)際鍋爐設(shè)計(jì)煤種存在較大差異，受制粉系統(tǒng)出力、爐膛結(jié)渣以及受熱面沾污等影響，鍋爐只能部分摻燒該煤種，目前國內(nèi)尚無完全燃用該煤種的鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn).

對(duì)于新建鍋爐，在確保其安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的基礎(chǔ)上，如何選擇設(shè)計(jì)煤種和校核煤種且盡可能地提高五彩灣煤的摻燒比例，并使新設(shè)計(jì)鍋爐在燃用混煤時(shí)達(dá)到爐膛結(jié)渣傾向降低到保證鍋爐滿負(fù)荷、長期、連續(xù)安全運(yùn)行而不致影響其可靠性的要求，具有重要的研究價(jià)值和意義.筆者依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用國內(nèi)最先進(jìn)的試驗(yàn)裝置對(duì)五彩灣煤、烏東煤及其混煤進(jìn)行詳盡的煤質(zhì)特性試驗(yàn)、燃燒及結(jié)渣性能試驗(yàn)，并在200 k W沾污試驗(yàn)臺(tái)上開展了沾污性能試驗(yàn)，最后確定了設(shè)計(jì)煤種和校核煤種.這些工作的開展對(duì)相關(guān)鍋爐設(shè)備與磨煤機(jī)的選型、設(shè)計(jì)和制造提供了必要的依據(jù)和參考.

1 試驗(yàn)研究內(nèi)容與結(jié)果分析

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和原則［1－4］，通過對(duì)五彩灣煤和烏東煤煤質(zhì)組分及基本特性的分析，確定對(duì)五彩灣煤、烏東煤及其不同摻燒比例的混煤共5種試驗(yàn)煤樣進(jìn)行全面的常規(guī)和非常規(guī)試驗(yàn)分析.5種試驗(yàn)煤樣為五彩灣煤、混煤1（m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝7∶3）、混煤2（m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝6∶4）、混煤3（m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝5∶5）和烏東煤.

煤樣的試驗(yàn)分析按照DL/T 831—2002《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》［2］的要求進(jìn)行，主要試驗(yàn)內(nèi)容包括：

（1）煤樣的物理化學(xué)特性：煤的基本性能測試和環(huán)保評(píng)價(jià)指標(biāo).煤的基本性能測試包括工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱量、可磨性（HGI）、灰熔點(diǎn)、灰成分、煤的真實(shí)密度、堆積密度和煤灰的堆積密度；環(huán)保評(píng)價(jià)指標(biāo)包括煤中游離二氧化硅、煤中微量元素以及有害元素的含量；

（2）一維火焰爐燃燒與結(jié)渣試驗(yàn)：燃盡率Bp、著火距離L、結(jié)渣指數(shù)Sc、火焰和燃燒分布曲線以及煤種著火、燃盡和結(jié)渣性能測試；

（3）煤粉氣流著火溫度的測試：煤粉氣流著火溫度；

（4）磨損指數(shù)測試：磨損指數(shù)Ke和磨煤機(jī)選型用指標(biāo)；

（5）200 k W沾污試驗(yàn)臺(tái)的沾污性能試驗(yàn)：混煤煤樣的沾污性能和沾污機(jī)理；

（6）其他試驗(yàn)：比電阻測試、半工業(yè)性磨煤機(jī)試驗(yàn)及1 MW半工業(yè)性燃燒試驗(yàn)等.

1.1 試驗(yàn)煤樣的物理化學(xué)特性

五彩灣煤和烏東煤以及兩者混煤的煤質(zhì)特性數(shù)據(jù)見表1.由表1可知，五彩灣煤屬于高水分、低灰分、中高熱值的長焰煤，而烏東煤則屬于低水分、中等灰分、高熱值的煙煤.五彩灣煤與烏東煤最大的差異在于灰成分指標(biāo)，五彩灣煤的Fe2O3、CaO、MgO和Na2O等堿金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，而烏東煤的堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，尤其是Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.68%，這使得摻燒烏東煤對(duì)減輕高溫對(duì)流受熱面沾污非常有效.

由表1還可以看出，2種煤摻燒后，隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，有利于提高磨煤機(jī)干燥出力；而灰分、硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)則略有升高，但不用過多考慮；發(fā)熱量增大；可磨性指數(shù)降低，需要考慮由此帶來的對(duì)磨煤機(jī)研磨出力的影響；著火溫度略有升高，燃盡率則略有降低.由于2種煤均為燃燒性能優(yōu)良的煤種，其混煤仍屬于燃燒性能優(yōu)良的煤種.

1.2 燃燒及結(jié)渣性能分析

1.2.1 著火性能

采用工業(yè)分析指標(biāo)、煤粉氣流著火溫度及一維火焰爐著火距離L1和L2等指標(biāo)來判別試驗(yàn)煤樣的著火特性，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，最終判別結(jié)果顯示試驗(yàn)煤樣均為極易著火煤種，均具有優(yōu)良的著火性能.圖1給出了五彩灣煤摻燒烏東煤后煤粉氣流著火溫度的變化.由圖1可知，烏東煤的著火性能較五彩灣煤差，隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的煤粉氣流著火溫度呈升高趨勢.

圖1 烏東煤摻燒比例對(duì)混煤煤粉氣流著火溫度的影響Fig.1 Effects of Wudong coal blending ratio on ignition temperature of the coal mixture

1.2.2 燃盡性能

采用工業(yè)分析指標(biāo)、一維火焰爐著火燃盡率等指標(biāo)來判別試驗(yàn)煤樣的燃盡特性，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，最終判別結(jié)果顯示試驗(yàn)煤樣均為易或極易燃盡煤種，試驗(yàn)煤樣具有優(yōu)良的燃盡性能.圖2給出了五彩灣煤摻燒烏東煤后燃盡率Bp的變化.由圖2可知，烏東煤的燃盡性能較五彩灣煤略差，隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的燃盡率呈下降趨勢，但總體而言，試驗(yàn)煤樣的燃盡率均在98%以上.

表1 2種煤及其混煤的煤質(zhì)特性Tab.1 Properties of Wucaiwan coal，Wudong coal and their mixtures

圖2 烏東煤摻燒比例對(duì)混煤燃盡率的影響Fig.2 Effects of Wudong coal blending ratio on burnout rate of the coal mixture

1.2.3 結(jié)渣性能

采用灰熔點(diǎn)、灰成分類型結(jié)渣指數(shù)及一維火焰爐結(jié)渣指數(shù)等指標(biāo)來判別試驗(yàn)煤樣的結(jié)渣性能，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和研究，判別結(jié)果顯示試驗(yàn)煤樣均為嚴(yán)重結(jié)渣煤種，鍋爐設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮防結(jié)渣措施.

表2給出了試驗(yàn)煤樣在一維火焰爐中的結(jié)渣試驗(yàn)結(jié)果，其中沿爐膛內(nèi)煙氣流動(dòng)方向上分別布置6個(gè)測點(diǎn).由表2可知，試驗(yàn)煤樣在1 200℃左右的煙氣溫度下就出現(xiàn)了最為嚴(yán)重的熔融渣型，鍋爐設(shè)計(jì)中需引起足夠重視.

1.2.4 專家系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)煤樣主要特性的最終評(píng)價(jià)

通過煤性－爐型耦合專家系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)煤樣煤質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)劃分結(jié)果和試驗(yàn)煤樣沾污、腐蝕、磨損性能以及試驗(yàn)煤樣燃燒與結(jié)渣特性的最終評(píng)價(jià)，可以得到試驗(yàn)煤樣的煤質(zhì)特性如下：五彩灣煤由于煤灰中堿金屬（尤其是Na2O）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有嚴(yán)重沾污傾向，而烏東煤為低沾污傾向煤種，因此可通過摻燒烏東煤來減輕五彩灣煤的沾污.

表2 試驗(yàn)煤樣在一維火焰爐中結(jié)渣試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental slagging results of coal samples in a one－dimensional furnace

2 200 k W沾污試驗(yàn)臺(tái)沾污性能試驗(yàn)

煤中堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，鍋爐對(duì)流受熱面容易沾污、積灰，形成煙氣走廊及造成管道磨損泄漏等，最終導(dǎo)致鍋爐受熱面?zhèn)鳠崮芰ο陆?、排煙溫度升高、鍋爐熱效率降低.沾污嚴(yán)重時(shí)將造成局部煙道堵塞，甚至出現(xiàn)磨損爆管，影響鍋爐的安全運(yùn)行.

2.1 已有煤灰沾污性能判別指標(biāo)的判定

目前，已有的煤灰沾污性能判別指標(biāo)主要有以下2種.

（1）按照國內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn)，采用煤中當(dāng)量Na作為煤灰沾污性能判別準(zhǔn)則.煤中當(dāng)量Na的計(jì)算公式［3，5］如下

式中：w（Na2O）和w（K2O）分別為煤灰中Na2O和K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w（Ad）為煤的干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

煤中當(dāng)量Na作為煤灰沾污性能判別指標(biāo)的判斷分級(jí)界限見表3.試驗(yàn)中混煤3的煤中當(dāng)量Na為0.5%，根據(jù)表3可知該指標(biāo)屬于高沾污等級(jí).

（2）另外一種常用的判別指標(biāo)為［5］

式中：w（B）＝ w（CaO）＋w（MgO）＋w（Fe2O3）＋w（K2O）＋w（Na2O），w（A）＝ w（SiO2）＋w（Al2O3）＋w（TiO2），上述均為各種成分在煤灰中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Rul為沾污指數(shù)，%.

表3 煤灰沾污性能判別準(zhǔn)則1Tab.3 Criterion 1 for contamination evaluation of coal ash

Rul作為煤灰沾污性能判別指標(biāo)的判斷分級(jí)界限見表4.試驗(yàn)中混煤1的Rul為1.559%，該數(shù)值已達(dá)到嚴(yán)重沾污的判別等級(jí)，表明混煤1具有嚴(yán)重沾污傾向.

表4 煤灰沾污性能判別準(zhǔn)則2Tab.4 Criterion 2 for contamination evaluation of coal ash

上述2種判別指標(biāo)均顯示混煤1具有嚴(yán)重沾污傾向，因此鍋爐選型中的重中之重就是考慮防沾污.

2.2 200 k W沾污試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

在西安熱工研究院有限公司（TPRI）的200 k W沾污試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)五彩灣煤摻燒30%、40%和50%烏東煤的混煤進(jìn)行了沾污性能測試.通過對(duì)過熱器上積灰的觀察發(fā)現(xiàn)積灰主要發(fā)生在水平煙道第一級(jí)過熱器上，而沿著煙氣流程以后的過熱器上積灰相對(duì)較少.

圖3給出了燃燒3種混煤時(shí)水平煙道內(nèi)的有效傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化，其中在120 min時(shí)進(jìn)行吹灰操作.由圖3可知，隨著煤粉在爐內(nèi)燃燒過程的進(jìn)行，有效傳熱系數(shù)越來越小，沾污越來越嚴(yán)重.隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的有效傳熱系數(shù)有增大的趨勢，并且吹灰后的有效傳熱系數(shù)增大得更明顯.混煤1吹灰后的有效傳熱系數(shù)為0.918，有效傳熱系數(shù)較小，但仍在鍋爐受熱面設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi).隨著烏冬煤摻燒比例的增大，吹灰后的有效傳熱系數(shù)有所增大，其沾污性能也有所減輕.這就需要在鍋爐燃用高摻燒比例五彩灣煤時(shí)考慮布置足夠的吹灰器，以保證受熱面的沾污和結(jié)焦能夠被及時(shí)清除.

圖3 燃燒3種混煤時(shí)水平煙道內(nèi)第一級(jí)過熱器的有效傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.3 Comparison of effective heat transfer coefficient of primary superheater in horizontal flue among three coal mixtures

由上述分析可以看出，試驗(yàn)煤樣屬于嚴(yán)重結(jié)渣、沾污煤種，其沾污形成的基本原理是煤燃燒時(shí)釋放出來的Na和K與煙氣中的SO3反應(yīng)生成氣態(tài)的Na2SO4和K2SO4，這些產(chǎn)物擴(kuò)散及凝結(jié)在溫度較低的管壁上.沾污層被長時(shí)間高溫?zé)Y(jié)形成致密的積灰層，具有較高的強(qiáng)度而變得難以清除.鍋爐過熱器或再熱器上的積灰一般由內(nèi)、外2層組成，內(nèi)層積灰中Na2O、K2O和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，它們對(duì)受熱面具有高溫腐蝕作用，而外層有著類似于飛灰的成分.進(jìn)一步分析表明，煤灰中Na和Ca對(duì)沾污的影響最大，其次是Si和Fe，而Al通?？梢詼p輕沾污.

根據(jù)溫度和時(shí)間對(duì)積灰燒結(jié)強(qiáng)度的影響，控制沾污和結(jié)渣的主要措施是避免爐膛出口煙氣溫度過高、兩側(cè)煙氣溫度偏差過大以及在沾污層變得難以清除前將其及時(shí)清除.在煤種一定的情況下，控制爐膛出口受熱面沾污的主要措施包括：（1）在屏區(qū)和高溫對(duì)流受熱面配備足夠的吹灰器，建議在高溫過熱器和低溫過熱器區(qū)域每3 m安裝一個(gè)長伸縮式蒸汽吹灰器；（2）選取較低的爐膛出口煙氣溫度和屏底煙氣溫度，控制爐膛出口兩側(cè)煙氣溫度偏差，避免某一側(cè)煙氣溫度過高而引起沾污和結(jié)渣；（3）建議運(yùn)行后通過試驗(yàn)確定合理的吹灰方式，并調(diào)整理想的吹灰器蒸汽壓力；（4）建議爐膛內(nèi)布置一定數(shù)量的短伸縮式吹灰器，并在對(duì)流受熱面及尾部煙道布置一定數(shù)量的長伸縮式吹灰器.

3 設(shè)計(jì)煤種和校核煤種的推薦

通過比較不同摻燒比例混煤的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為在燃用混煤1時(shí)，通過在沾污和結(jié)焦受熱面上加裝吹灰器，選擇合理的吹灰頻率，可以將各級(jí)受熱面的有效傳熱系數(shù)控制在可控范圍內(nèi).考慮到設(shè)計(jì)煤種選取了摻燒比例較大的五彩灣煤，為避免五彩灣煤中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)向高值波動(dòng)或配煤不均勻而導(dǎo)致的鍋爐嚴(yán)重結(jié)焦和沾污問題，推薦選取混煤3作為校核煤種.

表5給出了校核煤種與設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)偏差.根據(jù)原電力工業(yè)部1993年下發(fā)的《加強(qiáng)大型燃煤鍋爐燃燒管理的若干規(guī)定》（電安生［1993］540號(hào)）中的電廠燃煤允許偏差，該校核煤種與設(shè)計(jì)煤種的全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、收到基低位發(fā)熱量和可磨性指數(shù)等均在允許偏差范圍內(nèi).

表5 校核煤種與設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)偏差Tab.5 Coal quality deviation between checking and design coal

4 結(jié) 論

（1）五彩灣煤和烏東煤均為嚴(yán)重結(jié)渣煤種，兩者摻燒后的混煤仍具有嚴(yán)重結(jié)渣傾向.

（2）五彩灣煤中堿金屬（尤其是Na2O）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有嚴(yán)重沾污傾向，而烏東煤為低沾污傾向煤種，因此通過摻燒烏東煤可以減輕五彩灣煤的沾污.實(shí)際燃燒過程中需要布置適當(dāng)?shù)拇祷已b置以控制受熱面的沾污和結(jié)焦.

（3）推薦選用m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝7∶3的混煤1和m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝5∶5的混煤3分別作為設(shè)計(jì)煤種和校核煤種.

［1］中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 466—2004電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則［S］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 831—2002大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則［S］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］王云剛，趙欽新，馬海東，等.準(zhǔn)東煤灰熔融特性試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（11）：841－846.WANG Yungang，ZHAO Qinxin，MA Haidong，et al.Experimental study on ash fusion characteristics of Zhundong coal［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（11）：841－846.

［4］相大光，姚偉，高海寧.電廠用煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性研究及測試評(píng)價(jià)方法［R］.西安：電力工業(yè)部熱工研究院，1996.

［5］姚偉，相大光.半工業(yè)性試驗(yàn)與TPRI煤性試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系［R］.西安：西安熱工研究院有限公司，1997.