火電機(jī)組高鈉煤摻燒探討

鄧 山，呂海濤

(華能秦煤瑞金發(fā)電有限責(zé)任公司，江西贛州 341108)

燃煤成本占燃煤機(jī)組成本的70%～80%，當(dāng)前火電機(jī)組裝機(jī)容量過剩，煤價(jià)居高不下。高鈉煤存量大且價(jià)格低廉，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，很多電廠會(huì)摻燒高鈉煤。目前，較多研究?jī)H從鈉和鉀含量的影響來考慮受熱面沾污，而未關(guān)注煤灰中的SiO2含量對(duì)受熱面沾污的影響。

為了更全面地了解高鈉煤特性，提高鍋爐摻燒高鈉煤的安全性，筆者梳理某電廠摻燒高鈉煤經(jīng)驗(yàn)，開展摻燒試驗(yàn)，提煉總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 沾污現(xiàn)象

1.1 設(shè)備概況

該電廠有2臺(tái)機(jī)組，均采用國(guó)產(chǎn)超臨界350 MW鍋爐，型號(hào)是HG-1100/25.4-PM1型，為一次中間再熱、固態(tài)排渣П形鍋爐，設(shè)計(jì)煤種為貧煤。采用中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配5臺(tái)MPS200輥盤式中速磨煤機(jī)；采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，共布置5層燃燒器(前墻3層、后墻2層)，每層布置4個(gè)低NOx軸向旋流燃燒器。

通常，通過煤的變形溫度和軟化溫度(灰熔點(diǎn))判別煤的結(jié)焦特性。沾污[1]是指溫度低于灰熔點(diǎn)的灰顆粒在對(duì)流受熱面上的聚集。該電廠因運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，發(fā)生了一次嚴(yán)重沾污事件。

1.2 沾污情況

1.2.1 沾污前摻燒過程

該電廠不同時(shí)期采購(gòu)的印尼煤的品質(zhì)不同，為便于分析，采用編號(hào)區(qū)分各采購(gòu)時(shí)間的煤。A煤是2013年采購(gòu)的高鈉煤；B煤、C煤是2018年采購(gòu)的高鈉煤；D煤、E煤、F煤、G煤、H煤、I煤、J煤、K煤是2019年采購(gòu)的高鈉煤[2]。先到廠的D煤、E煤、F煤、G煤，在1臺(tái)鍋爐各負(fù)荷段保持2臺(tái)磨煤機(jī)摻燒，摻燒過程中鍋爐各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行正常。隨后，2號(hào)鍋爐的2臺(tái)磨煤機(jī)摻燒H煤，運(yùn)行7 d后，尾部受熱面發(fā)生嚴(yán)重沾污，鍋爐被迫停爐清焦。

1.2.2 高溫再熱器沾污

高溫再熱器沾污的具體表現(xiàn)為：

(1)出現(xiàn)堵塞跡象。2號(hào)鍋爐爐膛出口至引風(fēng)機(jī)入口煙道的各壓力測(cè)點(diǎn)的壓力降低，表明煙道有堵塞跡象。

(2)沾污惡化。2019年10月7日，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷受限，最大負(fù)荷為330 MW，1個(gè)煤倉(cāng)停止加H煤；2號(hào)鍋爐省煤器煤倉(cāng)泵出現(xiàn)高料位報(bào)警，檢查后發(fā)現(xiàn)其原因是煤倉(cāng)泵中存在較多硬塊狀焦渣(見圖1)。2019年10月8日，2號(hào)機(jī)組最大負(fù)荷只能在300 MW左右。因此，煤倉(cāng)停止加H煤，將2號(hào)機(jī)組負(fù)荷限制在200 MW以下。

圖1 2號(hào)鍋爐省煤器煤倉(cāng)泵排查的焦塊

1.2.3 停爐清焦情況

判斷鍋爐水平煙道內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重，申請(qǐng)1號(hào)機(jī)組調(diào)停7 d，進(jìn)行清焦。入爐發(fā)現(xiàn)高溫再熱器管屏結(jié)焦嚴(yán)重，特別是管壁中上部位3～4 m處(見圖2)；同時(shí)，省煤器有2個(gè)煤倉(cāng)泵嚴(yán)重堵塞。

圖2 2號(hào)鍋爐高溫再熱器的現(xiàn)場(chǎng)圖

2 沾污分析

近年來，外貿(mào)煤有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。該電廠因有港口地理位置優(yōu)勢(shì)，從2010年開始，每年購(gòu)入的外貿(mào)煤占總煤量的比可達(dá)到90%，特別是采購(gòu)了大量印尼煤。在國(guó)內(nèi)，高鈉煤主要集中在新疆地區(qū)[2]，該電廠至今未曾采購(gòu)。2018年前，進(jìn)口印尼煤量少；2019年，市場(chǎng)上部分印尼煤鈉含量較高。2019年前，該電廠雖然每年采購(gòu)大量的印尼煤，但基本均為低鈉、低灰熔點(diǎn)煤，電廠只重視煤的灰熔點(diǎn)，而忽略了煤灰特性；2019年，電廠采購(gòu)了大量的印尼高鈉煤，發(fā)生高溫再熱器沾污后，開始重視高鈉煤摻燒。

2.1 摻燒高鈉煤的危險(xiǎn)點(diǎn)分析

高鈉煤是一種極易造成鍋爐結(jié)渣及沾污的煤種，水平煙道受熱面處溫度達(dá)700～800 ℃，煤灰中的鉀與鈉易在水平煙道受熱面處升華，然后在溫度為500～600 ℃的水平及尾部煙道的受熱面遇冷凝華[3-4]，產(chǎn)生高黏性的致密層，不斷捕捉松散灰，最終導(dǎo)致受熱面沾污。

2.2 現(xiàn)有鍋爐適應(yīng)高鈉煤情況分析

從鍋爐固有的煙氣溫度特性看，鍋爐運(yùn)行負(fù)荷越高，爐膛出口煙氣溫度越高，水平煙道煙氣溫度越接近堿金屬鉀與鈉的升華溫度，高溫受熱面越容易沾污掛渣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)減小煙道流通面積，形成煙氣走廊[5]。

在新疆地區(qū)，燃用高鈉煤的鍋爐爐膛及受熱面均有特殊設(shè)計(jì)；在其他地區(qū)，燃煤鍋爐是針對(duì)常規(guī)煤種設(shè)計(jì)的，難以適應(yīng)燃用高鈉煤。

2.3 高溫再熱器沾污分析

對(duì)該電廠近年來?yè)綗母哜c煤的煤灰進(jìn)行化學(xué)分析，判斷其沾污特性，具體見表1。根據(jù)灰成分綜合指示判別[6-8]，得到所燃用的高鈉煤均為沾污特性傾向嚴(yán)重的煤種。

表1 近年摻燒的高鈉煤煤灰成分分析

通過對(duì)燃用煤的煤灰成分進(jìn)行分析，得到：

(1)摻燒高鈉低硅煤(煤灰中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于35%，將其視為低硅煤)是造成鍋爐尾部沾污的直接因素。高鈉煤是一種沾污性極強(qiáng)的煤種，在煙氣溫度低于凝華溫度的水平煙道放熱生成一層黏性的致密層[9]，致密層不斷吸附煙氣中疏松的灰，導(dǎo)致受熱面堵塞。通常，通過灰中堿金屬、SiO2、Al2O3及Fe2O3等成分的含量綜合判斷煤灰的沾污特性。目前，判別沾污的方法主要有飛灰類型判別，并且在上述基礎(chǔ)上引入活性炭成分進(jìn)行比較，以及引入當(dāng)量Na2O作為沾污指數(shù)進(jìn)行判別，還有灰成分綜合指示判別等。各種判別的適用范圍不同，只能將其作為初步判斷，必須經(jīng)過摻燒試驗(yàn)或長(zhǎng)期摻燒實(shí)踐才能最終判斷煤種的沾污特性。

灰成分綜合指示判別未考慮灰中SiO2對(duì)沾污的影響。灰中堿酸比高，煤的沾污性強(qiáng)。煤灰中的SiO2屬于堿性成分，可提高鈉鹽的熔點(diǎn)[8-9]。通過對(duì)多種煤沾污情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，判斷高鈉煤是否會(huì)沾污應(yīng)該綜合考慮煤灰成分中鈉及SiO2的含量。當(dāng)SiO2的含量較低時(shí)，高鈉煤沾污危險(xiǎn)才較大。

根據(jù)灰成分綜合指示判別，表1中的煤都屬于沾污傾向嚴(yán)重的煤種。實(shí)際摻燒情況是：燃用A煤及H煤時(shí)，鍋爐均發(fā)生嚴(yán)重沾污，原因是A煤及H煤屬于高鈉低硅煤；燃用除A煤及H煤以外的煤種時(shí)，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生沾污結(jié)焦。

(2)機(jī)組持續(xù)在高負(fù)荷運(yùn)行是鍋爐沾污的重要因素。尾部煙氣溫度主要與鍋爐負(fù)荷呈線性關(guān)系。機(jī)組在75%額定負(fù)荷及以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐膛出口煙氣溫度長(zhǎng)期處于較高水平，屏式過熱器、末級(jí)過熱器、高溫再熱器處的煙氣溫度在800～1 200 ℃，存在沾污可能。

(3)高鈉低硅煤摻燒量大也是鍋爐沾污的原因之一。大量摻燒高鈉低硅煤時(shí)，由于廠內(nèi)煤種硫含量高，2號(hào)鍋爐催化劑超期服役，空氣預(yù)熱器壓差上升，SO2易超排。為控制污染物排放，應(yīng)盡量減少摻燒硫含量過高的煤種，而2號(hào)鍋爐2臺(tái)磨煤機(jī)摻燒H煤，高溫再熱器發(fā)生沾污，摻燒量加大導(dǎo)致結(jié)焦加劇。

(4)高溫再熱器管屏間距較小是沾污的結(jié)構(gòu)影響因素。煙氣在水平煙道先后流經(jīng)屏式過熱器、末級(jí)過熱器、高溫再熱器及低溫再熱器。屏式過熱器及高溫過熱器的管屏間距為690 mm，受重力影響難形成大焦塊；而高溫再熱器的管屏間距只有230 mm，具有結(jié)大焦可能。

3 高鈉煤摻燒優(yōu)化

3.1 電廠存煤情況

I煤、J煤、K煤的煤灰成分分析見表2。電廠煤場(chǎng)剩余的煤(F煤、G煤、H煤、I煤、J煤、K煤)都是高鈉煤，根據(jù)灰成分綜合指示判別，這些煤均為沾污傾向嚴(yán)重的煤種。除H煤外，其他煤均為高鈉高硅煤，即煤灰中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在35%以上。SiO2含量較高，可有效降低沾污風(fēng)險(xiǎn)，但仍存在沾污可能。H煤為高鈉低硅煤，是造成2號(hào)鍋爐沾污的煤種，需要謹(jǐn)慎摻燒。

表2 I煤、J煤、K煤的煤灰成分分析

為進(jìn)一步消納高鈉煤，提高摻燒量，應(yīng)采取的合理方法[2,10]為：

(1)通過合理設(shè)計(jì)燃燒設(shè)備、采用煙氣再循環(huán)等措施降低爐膛出口煙氣溫度，避免同時(shí)出現(xiàn)高溫?zé)煔鈪^(qū)和高溫壁面區(qū)，迫使鈉和鉀提前凝華并固化在煤灰中，從而確保水平煙道及后續(xù)受熱面沾污概率大大降低。

(2)通過摻燒灰熔點(diǎn)高的煤，降低入爐煤灰中鈉和鉀的含量，改變煤灰的沾污特性，保持受熱面清潔。

3.2 摻燒試驗(yàn)措施

3.2.1 保證有一定量的低鈉煤

在當(dāng)前鍋爐設(shè)備狀況及運(yùn)行水平下，全燒或大量摻燒高鈉煤將無法有效控制鍋爐高溫再熱器受熱面的沾污[11-12]。因此，必須確保留有一定量的安全不沾污的低鈉煤。

3.2.2 控制入爐煤摻燒比例

根據(jù)鍋爐煙氣溫度特性，高溫受熱面沾污主要發(fā)生在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間[11]。因此，為確保鍋爐安全運(yùn)行，機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)必須減小高鈉煤的摻燒比例，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可加大高鈉煤的摻燒比例。機(jī)組在75%額定負(fù)荷及以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量將高鈉煤的摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在50%以下；機(jī)組在60%額定負(fù)荷及以下負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可將摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)提高至60%或更高，具體摻燒比例根據(jù)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況而定。

3.2.3 運(yùn)行方式

當(dāng)高溫再熱器沾污后，煙道阻力增加；同時(shí)，高溫再熱器受熱面的吸熱量減少，低溫過熱器與低溫再熱器的吸熱量會(huì)相應(yīng)增加，排煙溫度也會(huì)有所升高。在運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，若出現(xiàn)異常，需要及時(shí)降低高鈉煤的摻燒比例或降低機(jī)組負(fù)荷。

3.3 高鈉煤摻燒試驗(yàn)

在確保鍋爐受熱面不沾污的前提下，在1號(hào)、2號(hào)鍋爐開展高鈉煤摻燒試驗(yàn)，試驗(yàn)的高負(fù)荷、中負(fù)荷、低負(fù)荷分別是280～350 MW、210～280 MW、150～210 MW。

3.3.1 高鈉高硅煤與中煤摻燒的情況

中煤的鈉和鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%(主要是鈉)，中煤為低鈉煤。高鈉高硅煤與中煤摻燒的情況見表3。試驗(yàn)共進(jìn)行6天，3個(gè)煤倉(cāng)加高鈉高硅煤(2個(gè)煤倉(cāng)加G煤、1個(gè)煤倉(cāng)加I煤)，1個(gè)煤倉(cāng)加中煤。2臺(tái)機(jī)組經(jīng)歷了低負(fù)荷、中負(fù)荷、高負(fù)荷不同階段的持續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)期間均運(yùn)行正常，并且鍋爐煙氣系統(tǒng)壓力保持正常。機(jī)組在高負(fù)荷時(shí)，鍋爐摻燒70%高鈉高硅煤和30%低鈉煤，鍋爐運(yùn)行正常。

表3 高鈉高硅煤與中煤摻燒的情況

3.3.2 高鈉低硅煤與高鈉高硅煤摻燒的情況

(1)只燃用高鈉高硅煤的情況。

在1號(hào)、2號(hào)鍋爐的低、中負(fù)荷時(shí)，分時(shí)段上煤，全部燃用高鈉高硅煤進(jìn)行試驗(yàn)(2個(gè)煤倉(cāng)加G煤、1個(gè)煤倉(cāng)加I煤，1個(gè)煤倉(cāng)加J煤)，試驗(yàn)至第5天，煙道阻力變化微小，各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行正常，具體見表4。機(jī)組在中、低負(fù)荷時(shí)，只燃用高鈉高硅煤的鍋爐運(yùn)行正常。

表4 只燃用高鈉高硅煤的情況

(2)高鈉高硅煤與高鈉低硅煤摻燒的情況。

在1號(hào)、2號(hào)機(jī)組低負(fù)荷段，分時(shí)段上煤，采取在1個(gè)煤倉(cāng)加G煤、1個(gè)煤倉(cāng)加I煤、2個(gè)煤倉(cāng)加H煤的方式。試驗(yàn)共進(jìn)行6天，隨著摻燒比例增大，鍋爐煙道脫硝反應(yīng)器前煙氣增加壓力逐漸增大，但能穩(wěn)定在50 Pa以內(nèi)。試驗(yàn)期間，高鈉低硅煤摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至50%左右后未再增加。在2號(hào)鍋爐摻燒高鈉高硅煤與高鈉低硅煤的情況見表5。機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)，摻燒50%高鈉低硅煤和50%高鈉高硅煤，鍋爐運(yùn)行正常。

表5 高鈉高硅煤與高鈉低硅煤摻燒的情況

4 結(jié)語(yǔ)

通過高鈉煤摻燒試驗(yàn)和分析，可得出以下結(jié)論：

(1)高鈉煤是一種沾污性較強(qiáng)的煤，當(dāng)煤灰中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于35%時(shí)，高鈉煤沾污風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

(2)在高負(fù)荷時(shí)，摻燒70%高鈉高硅煤和30%低鈉煤，鍋爐運(yùn)行正常。在中、低負(fù)荷時(shí)，只燃用高鈉高硅煤，鍋爐運(yùn)行正常。在低負(fù)荷時(shí)，摻燒50%高鈉低硅煤和50%高鈉高硅煤時(shí)，鍋爐運(yùn)行正常。

(3)對(duì)于摻燒高鈉煤的機(jī)組，需要考慮到鍋爐的沾污情況，摻燒時(shí)應(yīng)嚴(yán)格限制機(jī)組負(fù)荷和摻燒比例，尤其是機(jī)組高負(fù)荷時(shí)，摻燒需要更加謹(jǐn)慎。