低溫燃燒法在燃用準(zhǔn)東煤鍋爐上的應(yīng)用

李鵬，曾琦，張大德，俞立洋

(新疆新特能源股份公司自備電廠，烏魯木齊 830011)

1 問題的提出

準(zhǔn)東煤田是近年來在新疆探明的特大型煤田，煤炭資源預(yù)測儲(chǔ)量達(dá)3900億t，是我國目前最大的整裝煤田。準(zhǔn)東煤田東到木壘縣老君廟，南接古爾班通古特沙漠北緣，西起昌吉回族自治州阜康市東界，北到昌吉回族自治州北部卡拉麥里山南麓，東西長220 km，南北寬60 km，煤田產(chǎn)區(qū)面積約12000～14000 km2。準(zhǔn)東地區(qū)煤炭儲(chǔ)量大，煤層開采方便，運(yùn)輸相對便捷，屬于優(yōu)良的工業(yè)以及發(fā)電用煤。準(zhǔn)東煤具有揮發(fā)分高、熱值高、灰熔點(diǎn)低、易結(jié)焦的特性，但它還有水分高、中等發(fā)熱值、強(qiáng)沾污性、強(qiáng)結(jié)焦性、堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高(尤其是氧化鈣、氧化鈉)的特點(diǎn)，上述特點(diǎn)極大地限制了準(zhǔn)東煤在發(fā)電企業(yè)的應(yīng)用。新疆地區(qū)電廠燃用準(zhǔn)東煤后普遍出現(xiàn)爐膛結(jié)焦、受熱面沾污、對流換熱面積灰等問題，部分電廠甚至出現(xiàn)了被迫停爐的事故，嚴(yán)重威脅鍋爐安全運(yùn)行。隨著摻燒準(zhǔn)東煤比例的增大，結(jié)焦情況就越發(fā)嚴(yán)重。本文以新疆新特能源股份公司自備電廠(以下簡稱自備電廠)正在運(yùn)用的低溫燃燒法為基礎(chǔ)，將其作為防止準(zhǔn)東煤結(jié)焦和受熱面污染的主要手段。

2 準(zhǔn)東煤結(jié)焦機(jī)制分析

2.1 堿金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響

由于歷史成因和當(dāng)?shù)靥厥獾淖匀坏乩憝h(huán)境，新疆準(zhǔn)東煤的一個(gè)顯著特點(diǎn)是煤灰中堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，堿金屬氧化鈉Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以灰分計(jì))總體都在2%以上。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果煤中Na2SO4和NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，就會(huì)有嚴(yán)重的結(jié)渣傾向。為有一個(gè)統(tǒng)一的對比尺度，通常將各種鈉鹽折算成Na2O，總體按Na2O給出。

堿金屬形成的硫酸鹽容易在高溫過熱器受熱面上冷凝形成沾污。受熱面沾污后換熱效果下降，使管壁上污染物的溫度升高，如果不能及時(shí)清除該沾污層，就會(huì)為進(jìn)一步結(jié)渣提供條件，容易發(fā)生結(jié)渣。當(dāng)溫度為800～1000℃時(shí)，鈉成分能和硅酸鹽反應(yīng)，并參與煤中礦物的反應(yīng)，生成堿金屬化合物。堿金屬化合物在水冷壁管表面與金屬互相作用，形成有黏性的硫酸鹽及復(fù)雜的堿性硫酸鐵。在沾污過程中，金屬鈉對沾污結(jié)渣的影響如圖1所示。

圖1 金屬鈉對沾污結(jié)渣的影響

鍋爐內(nèi)在高溫火焰的作用下，堿金屬會(huì)升華，燃燒溫度越高，可升華的成分就越多。堿金屬與SO3結(jié)合在一起，形成易熔的鈉鉀化合物，構(gòu)成了易黏附灰垢的基礎(chǔ)。當(dāng)金屬壁溫高于600℃時(shí)，熔融狀態(tài)的K2SO4和Na2SO4會(huì)發(fā)生高溫腐蝕。K2O，Na2O和KCl，NaCl在灰中所占份額一般很少，但對灰熔點(diǎn)會(huì)有明顯的影響。酸性灰渣中每添加1%的Na2O/K2O，可使灰的熔化溫度下降17.7℃。

2.2 運(yùn)行參數(shù)控制

對于四角切圓燃燒方式煤粉鍋爐，在熱態(tài)情況下，由于補(bǔ)氣條件不同而造成射流偏離，實(shí)際燃燒切圓直徑將是冷態(tài)下的假想切圓直徑的7～10倍。維持合理的二次風(fēng)與一次風(fēng)合理的動(dòng)量流率比，能有效地阻止熱態(tài)切圓的擴(kuò)大程度，從而防止燃燒火焰刷墻，減緩刷墻造成的水冷壁結(jié)焦。在運(yùn)行中，應(yīng)采取合適的措施，對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制，以預(yù)防鍋爐結(jié)焦。

(1)一次風(fēng)壓過高，會(huì)降低煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間，使煤粉無法完全燃盡，這樣，部分熔融狀態(tài)的灰焦將黏附在受熱面上，加劇結(jié)焦。同時(shí)使得假想切圓擴(kuò)大，增加煤粉掃墻的幾率。一次風(fēng)壓過低且攜帶煤粉的能力下降，會(huì)使運(yùn)行磨煤機(jī)的出力降低，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致運(yùn)行磨煤機(jī)堵塞。

(2)如果燃燒準(zhǔn)東煤時(shí)氧量過大，會(huì)使?fàn)t內(nèi)附近的氧化主燃燒區(qū)氣氛過濃，主燃燒區(qū)溫度燃燒加強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致局部過熱使結(jié)焦加劇。如果鍋爐運(yùn)行氧量偏低，爐內(nèi)還原性氣氛較強(qiáng)，煤的灰熔點(diǎn)就會(huì)下降，鍋爐也容易結(jié)焦。

2.3 相關(guān)電廠的實(shí)踐

(1)借鑒湖北宜化電廠在入爐煤中摻混高嶺土的經(jīng)驗(yàn)。準(zhǔn)東煤中原始礦物質(zhì)以石英、高嶺石和方解石為主。煤中 CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，摻入高嶺土(Al2O3－2SiO2－2H2O)后，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，煤中富余的 Al2O3消耗準(zhǔn)東煤中的 CaO生成鈣礬石，繼而形成鈣鋁榴石等高熔點(diǎn)物質(zhì)，可提高準(zhǔn)東煤灰熔點(diǎn)。這種方式的缺點(diǎn)是摻入高嶺土后增加了排渣量，大量的高嶺土也會(huì)對磨煤機(jī)和爐膛內(nèi)部磨損加劇。

(2)入爐煤洗鈉。利用一定溫度和壓力的水溶液對準(zhǔn)東煤沖洗，由于準(zhǔn)東煤中的鈉多且以可溶性形式存在于煤中，其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，這些都有利于洗滌溶液進(jìn)入煤炭主體內(nèi)部對煤中的鈉進(jìn)行脫除，實(shí)際鈉脫除效率可達(dá)50%。該方法的缺點(diǎn)是需增加1套洗鈉設(shè)備，成本費(fèi)用會(huì)顯著增加且在大量洗鈉過程中消耗大量的水。

(3)爐內(nèi)噴除焦劑。除焦劑主要成分是助燃劑、膨化劑、催化劑、固硫劑等化學(xué)成分。鍋爐除焦劑的工作原理是與結(jié)焦起化學(xué)作用，先使結(jié)焦松化并使之完全燃燒，最后化成輕灰，由煙道排出。在鍋爐運(yùn)行中，除焦劑由觀測孔向火焰區(qū)噴入，在結(jié)焦分次剝落的同時(shí)，防止運(yùn)行中結(jié)焦。該方法的缺點(diǎn)是除焦劑使用量較大，除焦劑成本費(fèi)用較為昂貴。

(4)煤中加藥法。在入爐煤中混入一些特殊的化學(xué)藥品。這種藥品可以降低入爐煤的結(jié)焦特性，能減緩結(jié)焦，屬于一種比較新穎的方法，實(shí)際應(yīng)用的成功案例不多。

3 低溫燃燒法

在實(shí)驗(yàn)室采用國家標(biāo)準(zhǔn)測量的灰熔點(diǎn)與實(shí)際鍋爐燃燒準(zhǔn)東煤結(jié)焦溫度相差較大。分析其原因主要是由于制灰過程中鈉的逃逸。與低溫制灰相比，常用的國際法在制灰過程中Na2O和K2O的逃逸率高達(dá)27.36%和84.27%，導(dǎo)致采用國家標(biāo)準(zhǔn)制灰中的堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)比實(shí)際煤樣中的低，灰熔融溫度會(huì)比實(shí)際升高。因此，需要對現(xiàn)行煤質(zhì)報(bào)告中的灰熔點(diǎn)需重新估算。資料表明，隨著爐膛出口煙溫升高，結(jié)焦特性將呈幾何級數(shù)增長。爐膛出口煙溫每降低50℃，結(jié)焦率就會(huì)大幅降低。爐內(nèi)溫度一旦高于灰熔點(diǎn)，結(jié)焦將急劇惡化。通過試驗(yàn)摸索，結(jié)合煙溫測量的實(shí)際情況，爐膛出口煙溫在1050～1100℃時(shí)，鍋爐運(yùn)行情況較好，沒有流焦，也不會(huì)使結(jié)焦惡化。

目前，自備電廠主要通過控制對爐內(nèi)溫度有重要影響的變量來控制鍋爐結(jié)焦，控制爐膛出口煙溫在1150℃以下，鍋爐能夠滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行并且結(jié)焦可控。降低爐膛溫度的方式包括以下幾點(diǎn):

(1)控制一次風(fēng)率。如圖2所示，隨著一次風(fēng)率的降低，一次風(fēng)的動(dòng)量流率隨之降低，相應(yīng)的二次風(fēng)動(dòng)量流率上升，加強(qiáng)了二次風(fēng)“風(fēng)包粉”的效果，減小了實(shí)際燃燒切圓，使?fàn)t膛燃燒更為集中，體現(xiàn)為燃燒溫度的上升，同時(shí)，還減緩了火焰刷墻趨勢。最上層噴燃器和鍋爐分離燃盡風(fēng)(SOFA)之上高度的爐膛煙溫均隨著一次風(fēng)率的降低而有所降低。因?yàn)橐淮物L(fēng)率降低后，二次風(fēng)比例增加，在爐膛下部燃燒加強(qiáng)，降低了燃料燃盡高度，爐膛煙溫的降低會(huì)明顯減緩爐內(nèi)的結(jié)焦速度，因此，降低一次風(fēng)率是有利于鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的。通過試驗(yàn)，選取合適的一次風(fēng)壓數(shù)值，以8.0 kPa為宜。

圖2 一次風(fēng)率對爐內(nèi)溫度的影響

(2)氧量控制。燃用準(zhǔn)東煤時(shí)，若氧量過大會(huì)使?fàn)t內(nèi)的氧化氣氛過濃，主燃燒區(qū)燃燒加劇，容易導(dǎo)致局部過熱造成結(jié)焦。如果氧量過低，使燃燒區(qū)還原性氣氛過濃，部分煤粉在爐膛區(qū)未燃盡，會(huì)在爐膛頂部和過熱器區(qū)域燃燒放熱，導(dǎo)致過熱器、再熱器結(jié)焦。

(3)煤粉細(xì)度與著火距離的關(guān)系。煤粉細(xì)度與著火距離的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3的煤粉細(xì)度與著火距離關(guān)系曲線可以看出，隨著煤粉平均粒徑增大，著火推遲。若煤粉粒徑太小，則著火并沒有顯著提前。通過實(shí)踐，分離器擋板開度在35%時(shí)，煤粉細(xì)度較為合理。

圖3 煤粉細(xì)度與著火距離的關(guān)系曲線

(4)提高磨煤機(jī)的出口溫度。由于準(zhǔn)東煤的全水分為27.2%，磨煤機(jī)干燥出力無法滿足要求，主要原因是磨煤機(jī)出口溫度較低。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，磨煤機(jī)出口溫度應(yīng)盡量保持在高位運(yùn)行。磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，磨煤機(jī)出口溫度控制在70℃左右，此時(shí)熱風(fēng)門開度在70%以上，冷風(fēng)門在30%以下調(diào)節(jié)磨煤機(jī)出口溫度。進(jìn)入磨煤機(jī)的總風(fēng)量與煤量的比值維持在2∶1。磨煤機(jī)入口風(fēng)量過大，可能會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)局部燃燒劇烈而過熱。

(5)分倉上煤。自備電廠#1，#2鍋爐的入爐煤主要由天池能源煤礦表層礦供給，輔助井供摻混煤。露天煤的特性是易燃燒、難燃盡。燃用準(zhǔn)東煤的灰渣極易沾污水冷壁以及對流受熱面，造成鍋爐結(jié)焦。為了緩解鍋爐的結(jié)焦，自備電廠采用分倉上煤，鍋爐設(shè)計(jì)煤低位發(fā)熱量為18.6 MJ/kg，設(shè)計(jì)軟化溫度為1040℃，天池能源露天礦的煤質(zhì)低位發(fā)熱量雖然和設(shè)計(jì)入爐煤接近，但其灰熔點(diǎn)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)煤種的灰熔點(diǎn)溫度。采用分倉上煤的方式，將易結(jié)焦的天池能源露天礦煤在下層原煤倉上煤，將不易結(jié)焦的井工煤在上層原煤倉上煤。從整體上降低入爐煤的熱值達(dá)到18 MJ/kg，來實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，其理論燃燒溫度約為1400～1600℃，爐膛實(shí)際燃燒溫度在1100℃左右，采用低溫燃燒方法作為防止準(zhǔn)東煤結(jié)焦和受熱面污染的主要手段。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 鍋爐概況

自備電廠2臺(tái)鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的超臨界鍋爐，鍋爐型號為HG－1176/25.4－HM2。自備電廠鍋爐的主要參數(shù)見表1。

目前自備電廠的主力煤源為新疆天池能源南露天礦煤，天池能源煤質(zhì)化學(xué)成分見表2。

準(zhǔn)東煤的固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，全水分較高，揮發(fā)分較高，而且堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，上述因素給準(zhǔn)東煤摻燒帶來極大的困難。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果顯示出準(zhǔn)東煤摻燒比例對爐增加膛煙溫分布的影響

在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇基準(zhǔn)氧量4%、一次風(fēng)壓8.0 kPa、束腰型配風(fēng)方式和煤粉細(xì)度25%(R90)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，磨煤機(jī)組合方式為 A，B，C，D，F(xiàn)磨煤機(jī)運(yùn)行，E磨煤機(jī)備用，在不同的工況下，保證上煤方式穩(wěn)定。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 天池能源煤質(zhì)化學(xué)成分

工況1:準(zhǔn)東煤的摻燒比例為50%，A，B，C，D磨煤機(jī)上準(zhǔn)東露天煤與井工煤混煤(準(zhǔn)東煤與井工煤比例為1∶1)，E，F(xiàn)磨煤機(jī)上準(zhǔn)東煤與井工煤混煤(準(zhǔn)東煤與井工煤比例為1∶1)。

工況2:準(zhǔn)東煤的摻燒比例為70%，A，B，C，D磨煤機(jī)上準(zhǔn)東露天煤與井工煤混煤(準(zhǔn)東煤與井工煤比例為6∶4)，E，F(xiàn)磨煤機(jī)上準(zhǔn)東煤與井工煤混煤(準(zhǔn)東煤與井工煤比例為1∶1)。

工況3:準(zhǔn)東煤的摻燒比例約為80%，A，B，C，D磨煤機(jī)上準(zhǔn)東露天煤與井工煤混煤(準(zhǔn)東煤與井工煤比例為8∶2)，E，F(xiàn)磨煤機(jī)上準(zhǔn)東煤與井工煤混煤(準(zhǔn)東煤與井工煤比例為1∶1)。

爐膛煙溫分布試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在圖4中，編號1，2對應(yīng)#1角位置，編號3，4對應(yīng)#2角位置，編號5，6對應(yīng)#3角位置，編號7，8對應(yīng)#4角位置。

圖4 爐膛煙溫分布試驗(yàn)情況

由圖4可知，工況1的整體溫度最低，其次是工況2，工況3總體溫度分布范圍最大。工況2與工況3的局部溫度差較大。其中工況3摻燒比例已經(jīng)為80%，在爐內(nèi)SOFA之上溫度分布很不均勻，易發(fā)生局部過熱。局部溫度超過灰熔點(diǎn)，爐膛結(jié)焦。

摻燒比例提高后，進(jìn)入爐膛的準(zhǔn)東煤量增加，主燃燒區(qū)域上移且爐內(nèi)溫度增加。煤粉很難在SOFA以下燃盡，很多未燃盡的煤粉在SOFA及以上區(qū)域繼續(xù)燃燒放熱。爐膛出口溫度上升明顯。爐膛上部即EF層噴燃器以上的溫度也隨摻燒比的提高明顯升高。如果對此種燃燒工況不采取降低燃燒溫度的措施，爐膛會(huì)發(fā)生大量結(jié)焦和沾污。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

鍋爐進(jìn)行了為期1周的大負(fù)荷試驗(yàn):(1)機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行(額定1120 t/h，運(yùn)行在1150 t/h)，摻配比例維持在80%;(2)2臺(tái)鍋爐無流焦，撈渣機(jī)渣量、渣塊的顏色正常;(3)#1，#2機(jī)組先后降負(fù)荷至230MW，穩(wěn)定運(yùn)行4 h，鍋爐未發(fā)生大量掉焦。

通過試驗(yàn)摸索，#1鍋爐的準(zhǔn)東煤摻燒比例由40%提高至80%，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，#1鍋爐在額定負(fù)荷條件下?lián)綗?0%準(zhǔn)東煤是完全可行的，在井工煤性能穩(wěn)定的條件下，也具備了90%摻燒準(zhǔn)東煤的可行性。

5 結(jié)論

根據(jù)西安熱工研究院對準(zhǔn)東煤的研究結(jié)果:“燃用準(zhǔn)東煤結(jié)焦是不可避免的。”在關(guān)鍵技術(shù)沒有獲得突破之前，對于火電廠來說，控制爐膛各處溫度低于灰熔點(diǎn)溫度是低溫燃燒法的關(guān)鍵。采用各種手段，控制爐膛截面熱負(fù)荷和容積熱負(fù)荷是現(xiàn)階段燃用準(zhǔn)東煤的關(guān)鍵。通過驗(yàn)證，找出了一些在鍋爐設(shè)計(jì)上可以進(jìn)行優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)，如增加吹灰器、密布爐膛溫度測點(diǎn)、加大爐膛高度、分層燃燒器布置等措施都是低溫燃燒法的關(guān)鍵點(diǎn)。

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