煙氣激冷對準東煤沾污特性的影響

冉燊銘， 張秀昌， 史慧娟， 岳鵬飛， 王錦生，周 棋， 聶 立， 胡修奎

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001)

新疆煤炭資源儲量居全國之首，第三次煤田預(yù)測評估淺資源量(地下1 000 m以內(nèi))就有1.06×1012t，主要集中在準噶爾、吐哈-巴里坤、西天山和塔里木北緣等4個產(chǎn)煤區(qū)[1]。其中位于準噶爾盆地東部北緣的準東煤田是一個超大型的整裝煤田，準東煤的煤質(zhì)特點是中水分、低灰分、中高揮發(fā)分、低硫、低磷和低氯，被認為是優(yōu)質(zhì)動力煤，按照規(guī)劃準東煤田的主要功能之一是被用來建設(shè)大型煤電基地，實現(xiàn)“西電東送”，將集中建設(shè)大量大型坑口火電站[1-3]。

隨著準東煤在火電廠逐漸被使用，其煤灰中堿金屬鈉含量高的特點容易給鍋爐帶來嚴重的結(jié)渣、沾污積灰以及沾污引起的磨損等問題，在役機組鍋爐只能采用摻燒方式燃用準東煤且摻燒比例需受到嚴格控制[4-8]。

國外也有燃用高堿煤造成沾污積灰的報道[9-10]。研究表明，高鈉煤中的鈉在高溫燃燒環(huán)境下會升華，并與煙氣中其他成分(如SO2和FeO等)反應(yīng)生成Na3Fe(SO4)3、Na2SO4和Na2S2O7等低熔點化合物，這些氣相或熔融狀化合物會冷凝沉積在管子表面,并捕捉飛灰形成堅固的高溫黏結(jié)性積灰[9,11-12]。由于鈉及某些化合物的熔點較低，無論是煤粉鍋爐還是循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，純燒準東煤時都會出現(xiàn)受熱面沾污的問題。

試驗表明，沾污與煙氣溫度存在顯著的相關(guān)性，在煙氣溫度較低時沾污會明顯減輕[13]。根據(jù)電廠運行經(jīng)驗，燃用準東煤時中低溫受熱面沾污不明顯[8]，與試驗結(jié)果一致。因此，采用循環(huán)冷煙氣激冷的方式降低對流受熱面煙氣溫度，可能是一條解決準東煤沾污的有效途徑[12,14]。依托東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室3 MW綜合試驗臺，研究了不同的煙氣激冷溫度對受熱面沾污情況的影響。

1 試驗方案與試驗方法

1.1 試驗煤質(zhì)

試驗所用燃料為準東煤田五彩灣地區(qū)神華露天礦煤。煤質(zhì)分析和灰成分見表1和表2。

表1 煤質(zhì)工業(yè)分析和元素分析

表2 灰成分

1.2 試驗系統(tǒng)和試驗方法

在半工業(yè)規(guī)模的3 MW綜合試驗臺上進行試驗，該試驗臺包括煤粉鍋爐和CFB鍋爐2個試驗平臺。煤粉鍋爐試驗臺系統(tǒng)如圖1(a)所示，由燃燒系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、除塵器、送引風系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和冷煙氣循環(huán)系統(tǒng)組成，煤粉由一套儲倉式制粉系統(tǒng)制備，在燃燒試驗之前先啟動制粉系統(tǒng)并將煤粉儲備在煤粉倉中。CFB鍋爐試驗臺系統(tǒng)如圖1(b)所示，除與煤粉鍋爐試驗臺共用一套尾部煙道、空氣預(yù)熱器、除塵設(shè)備和引風機外，還有獨立的爐膛、送風系統(tǒng)、給料裝置、物料循環(huán)系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和冷煙氣循環(huán)系統(tǒng)。

(a)煤粉鍋爐試驗臺

(b)CFB鍋爐試驗臺

冷煙氣循環(huán)系統(tǒng)采用風機抽取除塵器后的部分冷煙氣(120 ℃左右)，并將其注入爐膛出口，與高溫煙氣混合，達到快速降低煙氣溫度的效果。采用自制的沾污測試管模擬鍋爐受熱面并考察其沾污情況(見圖2)。沾污測試管內(nèi)通入壓縮空氣冷卻，通過調(diào)節(jié)空氣量來控制沾污測試管壁溫，管內(nèi)集成4根k型熱電偶，其中2根熱電偶測量進出口空氣溫度，另外2根熱電偶測量壁溫。

圖2 沾污測試管

采用分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(IMP)以2 次/min的頻率同步采集沾污測試管的煙氣溫度、壁溫、進出口空氣溫度及空氣量，根據(jù)上述參數(shù)可求得沾污測試管的傳熱系數(shù)H。定義沾污測試管有效傳熱系數(shù)Rh為沾污后傳熱系數(shù)H與清潔時傳熱系數(shù)H0的比值：

(1)

根據(jù)Rh隨時間的變化曲線可定量分析沾污測試管段的沾污程度。

1.3 試驗工況

研究表明，煙氣溫度在700 ℃以上時，高堿煤沾污開始加重，800 ℃以上則會發(fā)生嚴重沾污[13]。選取800 ℃以上煙氣溫度作為對比的基礎(chǔ)工況，開啟冷煙氣循環(huán)系統(tǒng)，將沾污測試管前的煙氣溫度降至700 ℃和650 ℃作為驗證工況(即激冷工況)，分別在煤粉鍋爐試驗臺和CFB鍋爐試驗臺上進行激冷試驗。每次試驗之前對沾污測試管段表面進行清理，保證試驗開始時管段表面是清潔的。試驗中給煤量約為500 kg/h，煤粉粒徑R90為20%左右，各工況保持沾污測試管內(nèi)空氣量不變。試驗工況見表3。

表3 試驗工況

2 結(jié)果與分析

2.1 煙氣激冷對沾污的影響

為了確定沾污強弱的Rh的分界值，首先在試驗臺上對5種不同沾污特性的燃料進行了試驗研究。在不啟用煙氣激冷系統(tǒng)的情況下，測試850 ℃煙氣溫度下的Rh值，并與沾污特性判別指數(shù)進行對比，見表4。其中沾污特性判別指數(shù)采用灰成分綜合積灰指數(shù)Rul[15]：

(2)

其中,w(B)=w(CaO)+w(MgO)+w(Fe2O3) +w(K2O)+w(Na2O)，w(A)=w(SiO2)+w(Al2O3)+w(TiO2)。

Rul大于1的燃料被認為沾污傾向嚴重[15]，圖3給出了不同試驗煤種Rh與Rul的關(guān)系。由圖3可知，當Rul=1時，Rh≈0.9。因此，以Rh=0.9作為沾污強弱的分界值。

表4 不同試驗煤種Rh與Rul的關(guān)系

圖3 Rh與Rul的關(guān)系

圖4 煤粉鍋爐試驗臺Rh隨時間的變化

圖4給出了不同煙氣溫度下煤粉鍋爐試驗臺Rh隨時間的變化。由圖4可知，Rh與煙氣溫度具有明顯的相關(guān)性，隨著注入爐膛出口的冷煙氣量增加，煙氣溫度降低，Rh逐漸升高。當不投入煙氣激冷，煙氣溫度為850 ℃時，沾污測試管的Rh在4 h后降至0.8以下，6～7 h后降至0.75左右；煙氣溫度激冷至700 ℃時，Rh在6 h后仍維持在0.9以上；煙氣溫度激冷至650 ℃時，Rh始終維持在0.95左右。圖5給出了試驗過程中的沾污測試管照片，其中管子下方為迎煙面。由圖5可知，管子的沾污程度與Rh的變化一致，當煙氣溫度較低時，管子表面更干凈。

以Rh=0.9作為沾污強弱的分界值，結(jié)合上述結(jié)果，可認為煤粉鍋爐煙氣激冷至700 ℃以下可以解決準東煤沾污嚴重的問題。

(a)基礎(chǔ)工況850 ℃

(b)激冷至700 ℃

(c)激冷至650 ℃

圖6給出了CFB鍋爐試驗臺Rh隨時間的變化。由圖6可知，當不投入煙氣激冷系統(tǒng)，煙氣溫度為820 ℃時，沾污測試管的Rh持續(xù)降低，7 h后降至0.86，10 h后降至0.77；煙氣溫度激冷至700 ℃和650 ℃時，Rh下降速率變緩，10 h后分別為0.85和0.96。以Rh=0.9為沾污強弱分界值，則可認為解決CFB鍋爐燃燒準東煤的沾污問題時需將煙氣溫度激冷至650～700 ℃。

圖6 CFB鍋爐試驗臺Rh隨時間的變化

對比圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)，不投入煙氣激冷系統(tǒng)時，煤粉鍋爐Rh的下降速率快于CFB鍋爐，這是因為煤粉鍋爐的燃燒溫度比CFB鍋爐高，從而使煤中鈉化合物更多地發(fā)生揮發(fā)或分解進入氣態(tài)，由于升華進入氣態(tài)的鈉化合物是引起沾污的主要因素[12-13]，故煤粉鍋爐的Rh下降更快。對比圖5和圖6還可以發(fā)現(xiàn)，煤粉鍋爐的Rh波動更大，這可能是因為冷煙氣送入位置與沾污測試管的距離較近，煙氣的混合不夠充分，使流經(jīng)沾污測試管的煙氣溫度分布波動更大造成的。

2.2 沾污原因分析

對煤粉鍋爐沾污測試管表面的沾污物質(zhì)進行了分析，圖7為對沾污內(nèi)層的X射線衍射(XRD)分析結(jié)果，其成分主要為Na2SO4和CaSO4。這可能是由于煤樣燃燒生成灰的過程中會生成Na2O、Na2CO3和CaO等化合物，由常見鈉化合物的熔點(見表5)及分解溫度可知，Na2CO3在744 ℃時會發(fā)生分解生成Na2O和CO2，Na2O在400 ℃以上會發(fā)生分解生成Na2O2和Na，且Na2O在690 ℃時發(fā)生升華。分解生成的Na2O2與Na及Na2O的熔點很低，易揮發(fā)進入煙氣，并遇到煙氣中的SO2、SO3生成Na2SO4，Na2SO4遇到溫度較低的沾污測試管沉積在上面,形成具有黏性的沾污層，并吸附燃燒形成的灰，造成Rh顯著下降。CaSO4的熔點為1 450 ℃，是由灰中含CaO化合物與煙氣中SO2、SO3反應(yīng)產(chǎn)生的，被黏性層黏結(jié)而出現(xiàn)在沾污層中。

圖8為工況1下準東煤積灰的X射線熒光檢測(XRF)分析結(jié)果。由圖8可知，沾污內(nèi)層的Na和S質(zhì)量分數(shù)明顯比沾污外層偏高，這說明沾污內(nèi)層出現(xiàn)了Na2SO4富集，這與以往的研究結(jié)果一致[9]。李庚達等[16]在用25 kW下行爐研究準東煤的積灰時發(fā)現(xiàn)沾污內(nèi)層細灰比例高于沾污外層，且細灰中的Na和S質(zhì)量分數(shù)顯著高于粗灰，而Ca質(zhì)量分數(shù)則相反，與本文的研究結(jié)果相同，說明準東煤的初始沾污積灰層主要是由Na2SO4造成的，而CaSO4被尚未凝結(jié)的Na2SO4捕捉，引起沾污加劇。

綜上分析，當投入煙氣激冷系統(tǒng)后，煙氣溫度驟降至700 ℃以下時，在沾污積灰過程中起黏結(jié)劑作用的化合物(主要為Na2SO4)在接觸沾污測試管之前就已經(jīng)開始凝結(jié)，降低了其凝結(jié)在沾污測試管上的概率，使得在沾污發(fā)生過程中起關(guān)鍵作用的黏性底層的形成減弱，從而減緩了沾污的發(fā)生。煙氣溫度越低，Na2SO4的凝結(jié)量越高，沾污越弱。因此，在煙氣溫度激冷至700 ℃時，Rh下降趨勢減緩；在煙氣溫度激冷至650 ℃時，Rh趨于穩(wěn)定，始終維持在較高水平。此外，冷煙氣中Na2SO4濃度應(yīng)低于熱煙氣中Na2SO4濃度，摻混后煙氣中的Na2SO4濃度有所降低，可能對沾污也有減緩作用。

圖7 沾污測試管沾污內(nèi)層的XRD分析

鈉化合物的Na2ONa2O2NaOHNa3Fe(SO4)3Na3Al(SO4)3Na3CO3Na2S2O7Na2SO4熔點/℃611(690℃升華)460(657℃分解)318623646851(744℃分解)399884

圖8 準東煤積灰成分分析

3 結(jié) 論

(1)3 MW綜合試驗臺準東煤沾污試驗結(jié)果表明，無論是煤粉鍋爐還是CFB鍋爐，冷煙氣激冷均可以減輕受熱面的沾污。

(2)當煤粉鍋爐試驗臺不投入煙氣激冷系統(tǒng)，煙氣溫度為850 ℃時，沾污測試管的Rh在4 h后降至0.8以下，6～7 h后降至0.75左右；煙氣激冷至700 ℃時，Rh在6 h后仍維持在0.9以上；煙氣激冷至650 ℃時，Rh始終維持在0.95左右。

(3)當CFB鍋爐試驗臺不投入煙氣激冷系統(tǒng)，煙氣溫度為820 ℃時，Rh在7 h降至0.86，10 h后降至0.77；煙氣激冷至700 ℃時，Rh在10 h后為0.85；煙氣激冷至650 ℃時，Rh下降速率緩慢，10 h后Rh仍在0.96左右。

(4)XRD分析結(jié)果顯示，準東煤沾污內(nèi)層主要成分為Na2SO4和CaSO4。XRF分析結(jié)果顯示，沾污內(nèi)層存在Na、S富集，Ca的質(zhì)量分數(shù)低于沾污外層，準東煤的初始沾污積灰主要是由Na2SO4造成的，而CaSO4被尚未凝結(jié)的Na2SO4捕捉，引起沾污加劇。

(5)當投入煙氣激冷系統(tǒng)時，在沾污積灰過程中起黏結(jié)劑作用的Na2SO4在接觸沾污測試管之前就已開始凝結(jié)，使得其凝結(jié)在沾污測試管壁上的概率降低，減少了黏性層的生成，從而起到減緩沾污的作用。

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