135 MW循環(huán)流化床鍋爐純?nèi)紲?zhǔn)東煤改造策略與運(yùn)行技術(shù)研究

王洪健，王海洋，孔皓，周托，張縵，楊海瑞*

（1.新疆東方希望有色金屬有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 昌吉回族自治州 831700；2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系)，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

我國(guó)是富煤、貧油、少氣的國(guó)家，煤炭一直是國(guó)家能源的“頂梁柱”。2012年9月，基于準(zhǔn)東地區(qū)豐富的煤儲(chǔ)量，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立國(guó)家級(jí)新疆準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，該開發(fā)區(qū)是依托準(zhǔn)東煤田進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)的大型煤電煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，也是國(guó)家第14個(gè)煤炭基地(新疆)的重要組成部分，這里所產(chǎn)的煤即準(zhǔn)東煤。

準(zhǔn)東煤田占地面積約13 000 km2，預(yù)測(cè)煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)3 900億t，占新疆煤炭?jī)?chǔ)量的17.8%、全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的7%。截至2009年6月底，已探明煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)到2 136億t，可采煤層平均厚度為43 m，最厚煤層可達(dá)到80 m，煤層豐厚處煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)到5 000萬(wàn)t/km2，是新疆最大，也是中國(guó)乃至世界上最大的整裝煤田。準(zhǔn)東煤的煤質(zhì)穩(wěn)定且資源儲(chǔ)量豐富，理論上可以大量應(yīng)用于煤電產(chǎn)業(yè)，但實(shí)際利用過程中卻仍存在不少難題。

準(zhǔn)東地區(qū)多家電廠均是煤粉爐，必須通過摻燒一定比例的井工煤或高嶺土抑制沾污問題，導(dǎo)致大量準(zhǔn)東煤資源無(wú)法有效利用，還會(huì)增加電廠的運(yùn)營(yíng)成本。因此，很多企業(yè)嘗試采用循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)[1-2]燃燒的方式改善相關(guān)問題。CFB是一種清潔煤燃燒技術(shù)，其在可循環(huán)利用的床料中對(duì)燃料進(jìn)行加熱流化燃燒，可以有效利用各種低品質(zhì)燃料，與傳統(tǒng)煤粉爐相比，燃燒溫度較低，且有更少的污染物排放和更低的燃燒成本。在燃煤發(fā)電仍占據(jù)我國(guó)電力行業(yè)主導(dǎo)地位的今天，為了更好地燃燒利用劣質(zhì)煤和其他低熱值燃料，CFB燃燒技術(shù)是我國(guó)必須要大力發(fā)展的燃燒技術(shù)，對(duì)我國(guó)高效清潔利用煤炭資源具有重要意義[3]。

準(zhǔn)東煤雖然具有高揮發(fā)分、低灰、低硫和反應(yīng)性好等特點(diǎn)，理論上很適合燃燒發(fā)電，但在實(shí)際用作鍋爐發(fā)電的動(dòng)力煤時(shí)，燃燒過程中會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的沾污和結(jié)渣等問題。其原因一方面在于準(zhǔn)東煤本身的特性，其含有大量鈉、鉀、鈣氧化物，屬于高堿金屬煤種[4]，燃燒時(shí)極易產(chǎn)生嚴(yán)重的沾污、結(jié)渣問題，即使在CFB鍋爐內(nèi)燃燒也很難避免，這也是大量準(zhǔn)東煤資源難以得到高效利用的根本原因。另一方面則是因?yàn)闇?zhǔn)東煤燃燒的相關(guān)研究很少，現(xiàn)有研究也多停留在實(shí)驗(yàn)室中的機(jī)理研究層面，如：文獻(xiàn)[5-6]對(duì)準(zhǔn)東煤結(jié)渣特性進(jìn)行了研究；孫洪民[7]對(duì)準(zhǔn)東煤的結(jié)渣機(jī)理進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[8-9]對(duì)準(zhǔn)東煤燃燒時(shí)Na元素的遷移規(guī)律進(jìn)行了研究。這些研究都是從機(jī)理出發(fā)解釋準(zhǔn)東煤在燃燒時(shí)出現(xiàn)沾污、結(jié)渣現(xiàn)象的原因，但并未針對(duì)實(shí)際工程案例提出相應(yīng)的解決方案，如針對(duì)實(shí)際鍋爐的運(yùn)行沾污情況，如何通過CFB鍋爐結(jié)構(gòu)改造等手段，實(shí)現(xiàn)高效率、低沾污地全燒準(zhǔn)東煤過程。因此，準(zhǔn)東煤燃燒時(shí)的沾污治理屬于理論研究無(wú)法適用于實(shí)際工況的典型范例。

當(dāng)前CFB燃燒準(zhǔn)東煤時(shí)也會(huì)采取一些減少結(jié)渣、沾污問題的措施，如：摻燒高嶺土，利用高嶺土中的硅鋁元素固堿來削弱結(jié)渣問題；通過加大受熱面蛇形管束間距來控制積灰，減少煙灰沾污；大幅增加吹灰器數(shù)量，以減少尾部對(duì)流受熱面沾污等。但以上方法中有些會(huì)帶來很高的鍋爐運(yùn)行成本負(fù)擔(dān)；有些著眼于積灰控制，卻無(wú)法從原理上解決問題，缺少?gòu)恼次蹤C(jī)理出發(fā)且貼合鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況的準(zhǔn)東煤燃燒優(yōu)化方案。

本文以新疆某2×135 MW CFB鍋爐燒準(zhǔn)東煤的實(shí)際情況為例，分析了該鍋爐在燒準(zhǔn)東煤時(shí)受熱面積灰的過程，研究了沾污的具體原因并提出了解決和預(yù)防措施，旨在改善目標(biāo)鍋爐的運(yùn)行狀況，為其他CFB鍋爐燒準(zhǔn)東煤時(shí)的沾污治理和經(jīng)濟(jì)效益提升提供參考。

1 CFB鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況

1.1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行情況

某2×135 MW CFB鍋爐位于新疆吉木薩爾縣準(zhǔn)東五彩灣煤電煤化工基地，系東方鍋爐廠生產(chǎn)的型號(hào)為DG440/13.7—Ⅱ2的超高壓一次中間再熱CFB鍋爐。該鍋爐采取超高壓一次中間再熱、單汽包、自然循環(huán)、CFB燃燒方式，呈島式半露天(采用全封閉)布置，并配有高溫汽冷式旋風(fēng)分離器、非機(jī)械式回料裝置以及水冷風(fēng)室。表1、2分別為鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)和鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的典型參數(shù)。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of boiler

表2 鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行典型參數(shù)Tab.2 Typical parameters at boiler full load

該2×135 MW CFB鍋爐原建于河南省義馬市并用于傳統(tǒng)煙煤燃燒，后考慮到新疆準(zhǔn)東地區(qū)豐厚的煤炭?jī)?chǔ)量，遷建到新疆準(zhǔn)東五彩灣地區(qū)并改燒準(zhǔn)東高堿煤，但是運(yùn)行一段時(shí)間后受熱面沾污嚴(yán)重，汽溫下降，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)鍋爐廠運(yùn)行的數(shù)據(jù)，主蒸汽溫度每降低1℃，煤耗會(huì)增加0.059 g/(kW·h)，因此必須進(jìn)行優(yōu)化改造。

鑒于準(zhǔn)東煤具有嚴(yán)重的結(jié)渣和沾污傾向，新疆準(zhǔn)東地區(qū)各電廠一般會(huì)將五彩灣、天池南礦和天池將二礦等多個(gè)礦區(qū)的煤種一起摻配燃燒，并嚴(yán)格控制入爐煤的鈉元素含量。在這些煤種里，來自將二礦的煤種堿含量最高，表3以將二礦的煤種為例，給出了煤種工業(yè)分析和元素分析的相關(guān)結(jié)果，表4對(duì)比分析了5個(gè)礦區(qū)的典型準(zhǔn)東煤灰成分參數(shù)。

表3 煤種(將二B5礦)工業(yè)分析和元素分析結(jié)果Tab.3 Results of industrial and elemental analyses of coal types(Jianger B5 Mine)

表4 典型準(zhǔn)東煤灰成分參數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of ash composition parameters of typical Zhundong coals

無(wú)論通過灰熔點(diǎn)、灰成分，還是一維爐結(jié)渣指數(shù)分析，準(zhǔn)東煤都屬于嚴(yán)重結(jié)渣煤。若采用傳統(tǒng)的煤灰熔融評(píng)價(jià)方法，由于灰中的鈉、鉀元素會(huì)在升溫過程中揮發(fā)掉，導(dǎo)致測(cè)得準(zhǔn)東煤的灰熔點(diǎn)為1 170℃，即認(rèn)為1 170℃時(shí)才開始發(fā)生煤灰的熔融變形。但若采用礦物質(zhì)定量灰熔融熱分析方法，考慮到堿金屬的存在，可以認(rèn)為準(zhǔn)東煤在750℃時(shí)就已經(jīng)開始熔融，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了準(zhǔn)東煤的沾污結(jié)渣特性。

1.2 沾污機(jī)理分析

1.2.1 主要沾污機(jī)理和積灰成分分析

準(zhǔn)東煤屬于高堿煤，含有大量堿金屬元素，在一定溫度下會(huì)出現(xiàn)升華、凝華現(xiàn)象，灰就容易結(jié)渣粘在鍋爐受熱面上。在燃燒過程中煤里的鈉會(huì)以蒸汽的形式析出，并與煙氣中的硫化物反應(yīng)生成硫酸鈉鹽，這些硫酸鈉鹽容易在受熱面上匯集，形成黏稠的熔融態(tài)冷凝膜，捕捉煙氣中的固體灰顆粒，加速管壁沾污。沾污后造成煙氣換熱不足，各級(jí)過熱器、再熱器汽溫逐步下降，影響正常運(yùn)行。通過對(duì)受熱面沾污灰樣化學(xué)成分進(jìn)行X射線熒光光譜(X-ray fluorescence，XRF)分析得知，沉積灰內(nèi)層中的CaO、Na2O和SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達(dá)22.36%、14.77%和39.80%，而其他成分的含量相對(duì)較少，這說明鈣鈉硫酸鹽是沉積灰形成的主要原因。

1.2.2 鈉沉積機(jī)理

在準(zhǔn)東煤中鈉以水溶鈉(大部分為NaCl，還有少量的NaSO4)為主要形式存在，在400~800℃的溫度段內(nèi)，水溶鈉會(huì)不斷熱解并在煤表面釋放，然后在高溫下與煤中的SiO2發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生水不溶性的鈉鹽，反應(yīng)方程式[10]如下：

在鍋爐結(jié)渣過程中，Na2SO4(K2SO4)常常起關(guān)鍵作用，其主要在高溫燃燒過程中通過以下方式產(chǎn)生：

而在低溫?zé)峤膺^程中，由于氧、硫含量很低，反應(yīng)(3)很難進(jìn)行，因此阻礙了Na2SO4的生成。

1.2.3 CaO的助熔作用

CaO的含量在整個(gè)燃燒過程中基本不發(fā)生變化，但它的存在也促進(jìn)了結(jié)渣現(xiàn)象的發(fā)生，因?yàn)镃aO容易與其他形式的礦物質(zhì)形成低熔點(diǎn)的共熔體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CaO會(huì)與煤質(zhì)中的硅、鋁元素發(fā)生反應(yīng)，生成硅鈣石(3Ca·SiO2)、鈣黃長(zhǎng)石(2CaO·Al2O3·SiO2)和鈣長(zhǎng)石(CaO·Al2O3·6SiO2)等礦物質(zhì)，這些物質(zhì)之間會(huì)發(fā)生低溫共熔現(xiàn)象，因此，當(dāng)CaO含量增加時(shí)，生成的低熔點(diǎn)硅酸鹽含量相應(yīng)增加，灰熔點(diǎn)就會(huì)降低，也就更容易出現(xiàn)結(jié)渣問題[11]。

1.3 鍋爐沾污情況

雖然準(zhǔn)東煤含堿量高，燃燒時(shí)容易沾污、結(jié)渣，但是在CFB鍋爐中燃燒時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)煤粉爐會(huì)有一些改善：首先CFB鍋爐燃燒溫度低，相對(duì)煤粉爐一般維持在1 200℃左右的燃燒溫度，現(xiàn)在CFB鍋爐燃燒溫度通常在850~900℃，只要燃燒溫度控制得當(dāng)，就可以避開堿金屬生成硫酸鹽的溫度區(qū)，防止液態(tài)冷凝膜的產(chǎn)生。同時(shí)在更低的燃燒溫度下，進(jìn)入尾部受熱面的煙氣中鈉元素含量會(huì)降低，且灰中低熔點(diǎn)的硅鋁酸鹽達(dá)不到熔融溫度，也會(huì)減低沾污結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。而且CFB鍋爐的水冷壁從不發(fā)生沾污，不僅因?yàn)樗浔谑軣崦姹跍氐?，還因?yàn)镃FB鍋爐獨(dú)特的燃燒方式，使水冷壁在爐內(nèi)物料的反復(fù)持續(xù)沖刷下反而變得非常干凈。因此，CFB鍋爐的水冷壁不會(huì)像煤粉爐一樣沾污、結(jié)渣嚴(yán)重。

但從實(shí)際來看，未經(jīng)改造的CFB鍋爐沾污還是會(huì)發(fā)生在前爐膛屏式過熱器和屏式再熱器，以及后堅(jiān)井低溫再熱器和高溫過熱器的受熱面上，現(xiàn)場(chǎng)沾污情況如圖1所示，其中圖1(a)和圖1(b)分別是鍋爐后豎井低溫再熱器(煙氣溫度814℃左右)和前爐膛屏式過熱器(煙氣溫度893℃左右)受熱面的沾污情況。

圖1 不同位置受熱面沾污情況Fig.1 Staining of heating surfaces at different locations

通過對(duì)CFB鍋爐受熱面沾污和結(jié)渣的灰樣進(jìn)行成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)灰樣中堿性氧化物含量較高，酸性氧化物含量較低，屬于典型高鈉煤燃燒后的灰分組成特征。XRF分析顯示，沉積灰中的CaO、Na2O和SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達(dá)22.36%、14.77%和39.80%，說明沉積灰的主要成分是鈉和鈣的硫酸鹽。而其他元素的含量相對(duì)較少，說明鈣鈉硫酸鹽是沉積灰內(nèi)層形成的主要原因。通過對(duì)沉積灰中的礦物組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沉積灰主要以硫酸鈣(CaSO4)和無(wú)水芒硝(Na2SO4)為主，這與上述XRF分析結(jié)果一致。通過能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，積灰中的鈉、鈣和硫元素含量較高，這與XRF和X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)分析結(jié)果一致，也進(jìn)一步證實(shí)低熔點(diǎn)硫酸鈉和硫酸鈣的存在是沉積灰初始層形成的主要原因。

2 準(zhǔn)東煤純?nèi)几脑旆桨?/h2>

2.1 改造方向分析

通過以上的研究不難發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行燃燒改造時(shí)，對(duì)前爐膛溫度和尾部對(duì)流受熱面煙氣中大顆粒灰分含量的控制，是降低爐膛受熱面和尾部煙道受熱面灰渣沾污的有效手段。通過控制爐膛溫度在指定區(qū)間，可以有效避開堿金屬生成硫酸鹽的溫度區(qū)，從而減弱因形成硫酸鹽冷凝膜而帶來的沾污影響，改善爐膛受熱面沾污情況；或者通過其他方式直接減少煙氣中大顆?；曳诌M(jìn)入尾部煙道的量，從源頭減少尾部對(duì)流受熱面沾污問題的產(chǎn)生。

針對(duì)目標(biāo)鍋爐的沾污情況，本文提出了以下鍋爐改造策略：1）通過分離器提效改善系統(tǒng)物料平衡[12-13]，提高系統(tǒng)循環(huán)流率，顯著降低爐膛溫度[14-15]，并且降低飛灰份額；2）適當(dāng)增加爐膛內(nèi)受熱面積也是降低爐膛溫度的直接手段；3）結(jié)合當(dāng)前大多數(shù)CFB鍋爐機(jī)組通過摻燒高嶺土[16-17]或高灰分劣質(zhì)煤種來減緩準(zhǔn)東煤尾部受熱面沾污的經(jīng)驗(yàn)[18]，可以摻燒其他煤粉鍋爐的灰渣，增加外循環(huán)灰量，提高外循環(huán)效率，在降低爐膛溫度的同時(shí)，通過稀釋灰渣中堿金屬濃度來進(jìn)一步降低純?nèi)紲?zhǔn)東煤的沾污傾向。

2.2 分離器提效

新疆準(zhǔn)東煤的揮發(fā)分含量一般較高，通常能達(dá)到30%以上，高溫燃燒時(shí)很容易結(jié)渣、沾污，而為了提高早期的流化床鍋爐燃燒效率，會(huì)設(shè)計(jì)較高的燃燒溫度，一定程度上“助長(zhǎng)”了沾污問題的發(fā)生。這是因?yàn)閴A金屬硫酸鹽在造成沾污問題時(shí)，主要是其中的硫酸鈉附著在受熱面上產(chǎn)生的液態(tài)冷凝膜的影響。若把爐膛溫度控制得相對(duì)較低(一般控制在870℃左右，剛好在硫酸鈉的熔點(diǎn)884℃以下)，就可以避開堿金屬生成硫酸鹽，達(dá)到減少沾污的目的。

低溫燃燒雖然對(duì)飛灰、底渣含碳量有不利的影響，但在運(yùn)行過程中只要合理配風(fēng)，CFB鍋爐分離器效率足夠高，就可以把煙氣中未完全燃盡的量控制在可接受的范圍內(nèi)。同時(shí)進(jìn)入后豎井的煙氣中含塵量應(yīng)越少越好，因?yàn)闊煔庵械墓腆w顆?；曳质钦次鄣母緛碓?，所以進(jìn)入后豎井的煙氣中固體顆?；曳值暮勘仨毧刂?，這也要求提高分離器的效率。因此，把分離器提效作為改造的第一步工作，分離器的改造設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)場(chǎng)改造情況如圖2所示。

圖2 分離器入口改造情況Fig.2 Retrofit of separator inlet

旋風(fēng)分離器的離心力主要來自于旋風(fēng)帶動(dòng)顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí)提供的動(dòng)量，因此分離器的入口流速對(duì)分離器效率有決定性影響。在此前的鍋爐運(yùn)行過程中，旋風(fēng)分離器的入口流速并不能達(dá)到要求，明顯降低了循環(huán)灰的分離效率。經(jīng)校驗(yàn)核算，原分離器入口流速僅為21 m/s。為提高入口流速，可以對(duì)分離器的入口進(jìn)行優(yōu)化整形處理，故對(duì)左右側(cè)水平煙道澆注料厚度按核算加厚100 mm，這樣在縮小煙氣流通面積的同時(shí)，也可以改變?nèi)肟跓煔饬飨颍罱K將煙氣流速提高至25 m/s以上。在上述改造之后，按原負(fù)荷重新運(yùn)行鍋爐，通過粒度分布(激光粒徑分析法)對(duì)返料灰進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)循環(huán)灰量增加，且返料灰中細(xì)粒度灰比例明顯增大，說明改造之后分離效率確實(shí)得到了提高，同時(shí)循環(huán)灰量的增加也達(dá)到了提升爐內(nèi)換熱效率、降低爐內(nèi)床溫的目的。

由于分離器效率得到提升，因此進(jìn)入后豎井煙氣中的固體顆粒含量也顯著減少，有效避免了熔融態(tài)硫酸鈉鹽冷凝膜因捕捉煙氣中的固體顆粒而造成沾污的情況。同時(shí)爐內(nèi)循環(huán)灰量增加，循環(huán)次數(shù)和屏式受熱面受沖刷的次數(shù)也大大增加，可以加強(qiáng)自身清理屏式受熱面沾污；此外，由于水冷壁受到的沖擊加強(qiáng)，因此需要考慮進(jìn)行磨損治理。

2.3 爐膛降溫措施

為把爐膛燃燒溫度控制得相對(duì)低，除分離器改造外，還可以采用增加爐膛內(nèi)受熱面積的方案。因?yàn)闋t內(nèi)受熱面布置的多少直接影響爐內(nèi)吸熱量，所以在鍋爐已經(jīng)成型的情況下，直接增大受熱面的面積，就可以達(dá)到降低爐膛溫度的效果。

首先可以直接在水冷壁后墻上擴(kuò)展原有的水冷屏式受熱面，采取肋片狀的布置方式，增大換熱面積和吸熱效果。由于新增加水冷屏的水需要從集中下降管引入，并借用原水冷壁的引出管接到汽包，所以其自身的水動(dòng)力安全性及其對(duì)原水冷壁水動(dòng)力安全性的影響都必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和計(jì)算，以保證整體水動(dòng)力安全。經(jīng)過核算，最終的設(shè)計(jì)方案確定為：沿爐寬均勻布置10片擴(kuò)展水冷屏(管材型號(hào)Φ76 mm×8 mm，材質(zhì)20 G)，這樣就能達(dá)到均勻降低爐膛溫度的目的，且不影響原有的水動(dòng)力安全特性。

在采取分離器改造和增大水冷屏受熱面積的措施之后，由于爐膛內(nèi)煙氣的整體溫度降低，導(dǎo)致屏式過熱器和再熱器的吸熱量減少。通過對(duì)鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析可知，目前再熱器的余量相對(duì)充足，而過熱器的余量很小，改造后會(huì)面臨主汽溫度達(dá)不到額定值的問題。因此，為了保證主汽溫度，還需要在爐膛內(nèi)額外增加屏式過熱器受熱面。

增加屏式過熱器受熱面與增加水冷屏受熱面效果一樣，也可以一定程度上達(dá)到降低爐膛溫度的效果，但是需要考慮受熱面?zhèn)鳠岚踩膯栴}，確保新增加的受熱面和原受熱面壁溫保持在安全溫度范圍以內(nèi)，這同樣需要詳細(xì)的校核計(jì)算。經(jīng)過核算，最終確定的改造方案為：在原屏式過熱器左右兩側(cè)各新增1片受熱面(管材型號(hào)Φ51 mm×7 mm，材質(zhì)12Cr1MoVG)，新增的水冷屏和屏式過熱器布置情況如圖3所示。

圖3 爐膛內(nèi)新增的水冷屏和屏式過熱器Fig.3 New water-cooled screen and platen superheater in the furnace chamber

通過對(duì)比改造前后鍋爐的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)可知，改造后爐膛內(nèi)的煙溫降低了70~80℃，爐膛中下部的煙溫可以控制在800℃左右，有效減少了堿金屬生成硫酸鹽，從而降低了受熱面沾污的風(fēng)險(xiǎn)。表5為鍋爐改造(指同時(shí)進(jìn)行分離器提效和爐膛受熱面改造)前后120 MW負(fù)荷下具有代表性的煙溫參數(shù)。

表5 鍋爐改造前后受熱面積和下爐膛中部煙溫變化Tab.5 Variation of heating surface area and flue gas temperature in middle part of lower furnace before and after boiler retrofit

2.4 燃燒優(yōu)化調(diào)整

雖然對(duì)分離器效率進(jìn)行了提升，但是還不能保證鍋爐具有足夠的循環(huán)灰量，這是因?yàn)樾陆疁?zhǔn)東煤熱量高、灰分少，難以形成內(nèi)循環(huán)，所以必須對(duì)入爐煤進(jìn)行摻配。利用CFB鍋爐燃料適應(yīng)性廣、摻燒性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，可以向爐內(nèi)摻燒一些比例的添加劑，如高嶺土、鋁礦土、蛭石、鋁粉、二氧化硅、部分廠家提供的商業(yè)添加劑等。通過添加這些固體顆粒可以將煤中的鈉元素固定起來，有效減少進(jìn)入煙氣中鈉的濃度，并提高爐內(nèi)灰的灰熔融溫度，從而減緩結(jié)渣和沾污。

在以往的燃燒工況中，常用高嶺土摻混燃燒，利用高嶺土中豐富的硅、鋁元素來有效固定堿金屬，并通過改變摻燒比例來改變灰熔點(diǎn)，達(dá)到減少受熱面沾污的目的，還能保證完整的內(nèi)循環(huán)過程[19]。但從實(shí)際來看，高嶺土的價(jià)格昂貴，大量摻燒高嶺土?xí)砗苤氐陌l(fā)電成本負(fù)擔(dān)。若按一般添加比例(高嶺土質(zhì)量占入爐總煤質(zhì)量的8%)來計(jì)算，新疆某350 MW鍋爐每日僅高嶺土的花費(fèi)就要增加發(fā)電成本2.6萬(wàn)元，因此必須要考慮更加廉價(jià)易得的摻燒原料。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在該CFB鍋爐燒準(zhǔn)東煤時(shí)，摻配同電廠的煤粉鍋爐(燒同種準(zhǔn)東煤)排出的爐渣效果也非常好，可以形成內(nèi)循環(huán)，且爐渣中二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦與高嶺土含量相差無(wú)幾，是高嶺土很好的替代品。所以在本鍋爐的運(yùn)行過程中，采取摻燒煤粉爐渣的方式，按照質(zhì)量比100∶6∶18的比例對(duì)準(zhǔn)東煤、高嶺土和煤粉爐渣進(jìn)行摻配，然后入爐燃燒。經(jīng)過核算，摻配后入爐煤的發(fā)熱量約14.8 MJ/kg，在保證循環(huán)灰量的同時(shí)可以降低燃燒溫度和床溫約9℃，有效減緩受熱面沾污。

煤粉爐渣和高嶺土的主要成分對(duì)比如表6所示?？梢钥闯?，兩者的主要成分接近，故煤粉爐渣完全可以代替高嶺土進(jìn)行摻燒，而且這些爐渣取自同一個(gè)電廠的煤粉鍋爐，可以省下?lián)脚淞系倪M(jìn)口成本，這也為煤粉鍋爐爐渣的處理利用提供了新思路。

表6 煤粉爐渣和高嶺土成分對(duì)比Tab.6 Comparison of pulverized coal boiler slag and kaolin composition %

2.5 運(yùn)行效果對(duì)比

根據(jù)上述方案進(jìn)行鍋爐改造后，在相同的負(fù)荷(120 MW)下進(jìn)行準(zhǔn)東煤的燃燒工作測(cè)試，連續(xù)運(yùn)行240 d后，重新停爐檢查后豎井和前爐膛受熱面沾污和結(jié)渣情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各級(jí)受熱面沒有明顯沾污，且前爐膛的屏式再熱器和屏式過熱器表面上原沾污層在循環(huán)床料的不斷沖刷下逐漸減少，如圖4所示。與圖1相比，鍋爐改造后沾污情況得到了極大的改善，也在一定程度上證明該鍋爐具備長(zhǎng)期純燒準(zhǔn)東煤的條件，各級(jí)受熱面不會(huì)再出現(xiàn)沾污問題。

圖4 改造后的鍋爐受熱面沾污情況Fig.4 Contamination of heating surface of retrofitted boiler

3 結(jié)論

1）爐膛溫度高是導(dǎo)致新疆準(zhǔn)東煤易結(jié)渣的原因之一，CFB鍋爐可以通過分離器入口提速改造，提高分離器效率，一方面可以增加循環(huán)灰量、降低爐內(nèi)床溫，進(jìn)而減少堿金屬硫酸鹽的生成；另一方面也可以增加循環(huán)次數(shù)，使屏式受熱面受沖刷加強(qiáng)，改善沾污問題。

2）在爐膛內(nèi)部增加屏式受熱面，通過增加水冷屏和屏式過熱器的受熱面積，可均勻降低同負(fù)荷下的爐膛溫度，降低沾污風(fēng)險(xiǎn)。

3）利用摻混料中的硅、鋁元素固定堿金屬元素，可以稀釋準(zhǔn)東煤中的堿金屬含量，在保證內(nèi)循環(huán)的同時(shí)降低堿金屬硫酸鹽的生成量，以此減少結(jié)渣、沾污問題。新疆準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)多家電廠一般添加比例為8%的高嶺土進(jìn)行摻燒，防結(jié)渣效果顯著，基本不會(huì)影響入爐煤的著火和燃盡特性。

4）摻燒高嶺土是目前常用的摻燒方案，但在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)本廠燒同種準(zhǔn)東煤的煤粉爐渣成分與高嶺土接近，可以作為廉價(jià)易得的替代品。利用CFB鍋爐燃料適應(yīng)性廣的優(yōu)勢(shì)，摻燒本身不存在難度，這種方法也為煤粉鍋爐發(fā)電后的爐渣提供了新的應(yīng)用空間。