趙樂(lè)強(qiáng)

(中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)，北京 100120)

準(zhǔn)東煤的燃燒特性及對(duì)策分析

趙樂(lè)強(qiáng)

(中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)，北京 100120)

準(zhǔn)東煤為低灰份、低硫、低中灰熔點(diǎn)、高水分、高揮發(fā)份、中高熱值、高Na、高Ca，屬于強(qiáng)結(jié)焦性、強(qiáng)沾污性燃料。煤中的高鈉含量是導(dǎo)致燃高鈉煤鍋爐受熱面沾污、結(jié)渣的主要影響因素。在目前的鍋爐設(shè)計(jì)技術(shù)下，采取適當(dāng)優(yōu)化措施，同時(shí)綜合運(yùn)用運(yùn)行控制、原料預(yù)處理、增加添加劑等都方面的手段，初步可以解決準(zhǔn)東煤在煤粉鍋爐上燃用問(wèn)題。

準(zhǔn)東煤；沾污；結(jié)渣；控制措施。

1 概述

新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤炭由于歷史成因和當(dāng)?shù)靥厥獾淖匀坏乩憝h(huán)境，準(zhǔn)東煤堿金屬氧化鈉Na2O的含量(以灰分計(jì)，下同)總體都在2%以上，有的煤種Na2O的含量甚至高達(dá)10%，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)動(dòng)力用煤(中國(guó)國(guó)內(nèi)動(dòng)力煤氧化鈉Na2O的含量都在1%以下)。而煤的高鈉含量會(huì)導(dǎo)致燃用準(zhǔn)東煤的鍋爐出現(xiàn)結(jié)渣、沾污和積灰等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了鍋爐的正常運(yùn)行，主要表現(xiàn)在：水冷壁結(jié)渣嚴(yán)重，爐內(nèi)吹灰器頻繁吹灰，沖刷水冷壁，造成水冷壁減薄容易爆管；使高溫過(guò)熱器、高溫再熱器管壁腐蝕嚴(yán)重，影響受熱面?zhèn)鳠幔瑫r(shí)易造成泄漏。

受爐膛結(jié)渣以及高溫對(duì)流受熱面沾污嚴(yán)重的影響，新疆地區(qū)在役電廠鍋爐均采用摻燒的方法燃用該煤種，摻燒比例一般只能達(dá)到50%左右，大大限制了該煤種在煤粉鍋爐中的使用。

2 準(zhǔn)東煤煤質(zhì)特性

不同礦區(qū)的煤質(zhì)有著很大的區(qū)別，尤其是在煤灰成分的組成上面，差異很大。從煤的水分、揮發(fā)分和堆積密度輕等方面來(lái)推斷，其燃燒特性接近于褐煤。從煤灰的成分含量來(lái)看，堿金屬含量很高，且變化范圍很大，其中氧化鈣CaO的含量在6%～70%；氧化鈉Na2O的含量總體在2%以上，最高可達(dá)10%以上，遠(yuǎn)高于其他國(guó)產(chǎn)動(dòng)力煤1%以下的含量；二氧化硅SiO2的含量變化范圍在6%～60%之間，三氧化二鋁Al2O3的含量則在15%～25%之間。在部分煤礦(五彩灣和木壘煤礦)的灰分中，三氧化硫SO3的含量也高達(dá)20%～35%。

綜合分析準(zhǔn)東煤煤質(zhì)具有如下特點(diǎn)：

(1)原煤水分相對(duì)較高，為中高水分(20%～30%)，高于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)煙煤的水分、低于褐煤的水分。隨著開(kāi)采水平的延伸，全水分有降低的趨勢(shì)。煤階低，含內(nèi)水8%～12%，平均值9%。

(2)中等發(fā)熱值。

(3)煤質(zhì)堆積密度小。

(4)煤灰中堿金屬含量較高，3%～8%，最高可以達(dá)到10%以上，具有強(qiáng)沾污性；不同礦區(qū)灰熔點(diǎn)波動(dòng)較大，灰熔點(diǎn)最高可達(dá)到1500℃(按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定)。

(5)準(zhǔn)東煤揮發(fā)分中等，收到基揮發(fā)分20%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分31%。特低灰分，收到基灰分通常在3%～10%之間，干基灰分4%～12%，平均值6%。含氧量相對(duì)較高。其煤質(zhì)介于年輕煙煤與褐煤之間，偏向于褐煤。煤自身的燃燒性能較強(qiáng)，易著火，易燃盡。燃燒組織過(guò)程中一次風(fēng)量和煤種含氧量即可滿足大部分燃燒過(guò)程氧量的需求。

(6)煤灰中Ca含量相對(duì)較高，20%～40%，最大超過(guò)60%，含量波動(dòng)范圍較大。

(7)大部分準(zhǔn)東煤屬于低硫煤。

3 準(zhǔn)東煤燃燒特性

準(zhǔn)東煤屬于低鋁、高鈣、高鈉型煤種，與其它動(dòng)力用煤相比，其灰中堿性成分含量很高。由于傳統(tǒng)分析方法中的灰化溫度下煤中的部分堿金屬揮發(fā)逃逸，因此，常規(guī)方法測(cè)出的的堿金屬含量(以灰分計(jì))無(wú)法反映煤中堿金屬的真實(shí)含量，也不能用之進(jìn)行煤質(zhì)沾污、結(jié)渣等判斷。準(zhǔn)東煤在一維火焰爐中的燃燒特性測(cè)試結(jié)果表明，試驗(yàn)用準(zhǔn)東煤樣在燃燒過(guò)程中其煤灰熔融時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度(1080～1239℃)遠(yuǎn)低于按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的煤灰熔點(diǎn)溫度(開(kāi)始軟化溫度(Softening Temperature, ST)≈1330～1460℃)，而且新疆準(zhǔn)東煤在鍋爐內(nèi)燃燒過(guò)程中存在著嚴(yán)重的結(jié)渣趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)，這一點(diǎn)在鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行中必須予以足夠重視。

圖1 燃準(zhǔn)東煤爐膛結(jié)渣情況

準(zhǔn)東煤灰堿酸比B/A一般均大于1.5，B/A×Na2O一般大于10，屬高沾污性煤種。燃燒試驗(yàn)表明，準(zhǔn)東煤灰沾污一般發(fā)生在溫度較低區(qū)域(1000℃以下)，且成灰致密，清灰處理困難。表1為一維火焰爐中受熱面兩側(cè)的圖譜分析，由圖譜分析可以得出，燃燒準(zhǔn)東煤鍋爐受熱面積灰分析中鈉、氯、硫含量高，沾污嚴(yán)重。在200 kW試驗(yàn)臺(tái)上的試燒結(jié)果也表明，在760～910℃爐膛出口煙溫范圍內(nèi)，過(guò)熱器的沾污始終屬于“嚴(yán)重”等級(jí)，即使吹灰后其傳熱系數(shù)也只能恢復(fù)至清潔時(shí)的85%左右。以上試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況相符。因此，鍋爐燃用準(zhǔn)東煤時(shí)具有嚴(yán)重的沾污趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防及應(yīng)對(duì)措施。

表1 一維火焰爐中受熱面兩側(cè)圖譜分析

4 準(zhǔn)東煤在電廠中應(yīng)用現(xiàn)狀

目前實(shí)際燃用準(zhǔn)東煤的鍋爐機(jī)組容量基本在330 MW及以下，而且現(xiàn)有鍋爐基本上按照低鈉含量的井工煤設(shè)計(jì)，采取的防結(jié)渣、防沾污措施較少。燃準(zhǔn)東煤鍋爐普遍存在鍋爐負(fù)荷不足，主蒸汽、再熱汽超溫；爐膛、屏區(qū)、高再區(qū)域結(jié)渣嚴(yán)重，其它區(qū)域在停爐后檢查發(fā)現(xiàn)沾污嚴(yán)重；制粉系統(tǒng)出力不足等各類問(wèn)題。目前，鍋爐控制結(jié)渣的手段一般有：控制爐膛出口煙溫(燃燒調(diào)整、采用較細(xì)煤粉等)；變負(fù)荷、變制粉系統(tǒng)、變工況運(yùn)行；吹灰；摻燒井工煤(灰分大效果更好)。鍋爐控制沾污的手段較少，基本上采用摻燒、吹灰和定期停爐清灰等。

準(zhǔn)東高鈉煤在使用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是結(jié)焦嚴(yán)重，從目前已投運(yùn)燃用準(zhǔn)東高鈉煤鍋爐運(yùn)行情況來(lái)看，在燃燒器噴口、爐膛、高溫對(duì)流受熱面、中溫對(duì)流受熱面以及低溫對(duì)流受熱面均發(fā)現(xiàn)了比較嚴(yán)重的結(jié)焦現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

圖2 燃用準(zhǔn)東高鈉煤鍋爐結(jié)焦情況

現(xiàn)役鍋爐在燃用準(zhǔn)東高鈉煤過(guò)程中總體上呈現(xiàn)如下特征：

(1)摻燒比例突破50%難度較大，摻燒比例的高低同井工煤性能有直接關(guān)系；與鍋爐負(fù)荷高低也有密切關(guān)系，一旦負(fù)荷超過(guò)某一臨界負(fù)荷結(jié)焦發(fā)展速度非常迅速，準(zhǔn)東煤摻燒能力大幅度下降。

(2) 爐膛結(jié)渣主要發(fā)生在燃燒器上方，為半熔融灰渣。

(3)水平煙道高溫?zé)崦娼Y(jié)渣沾污嚴(yán)重，主要發(fā)生在彎頭向上1～2 m處。水平煙道底部易積灰。

(4)燃用準(zhǔn)東煤過(guò)程中吹灰頻率顯著增加，大比例摻燒、高負(fù)荷運(yùn)行情況下需要進(jìn)行連續(xù)吹灰。

(5)即使對(duì)于灰熔點(diǎn)大于1350℃的準(zhǔn)東煤，依然存在嚴(yán)重的結(jié)焦問(wèn)題。

5 準(zhǔn)東煤燃燒的解決方案

針對(duì)準(zhǔn)東煤的燃燒特點(diǎn)，可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)鍋爐、控制燃燒、燃料增加添加劑及燃料預(yù)處理、合理配煤、換熱面預(yù)處理等多種方式解決，主要解決方案如下。

5.1 鍋爐設(shè)計(jì)

燃準(zhǔn)東煤鍋爐會(huì)發(fā)生嚴(yán)重沾污、結(jié)渣與積灰，且結(jié)渣質(zhì)地致密，不易脫除，因此鍋爐設(shè)計(jì)必須采取相應(yīng)的措施?，F(xiàn)階段主要措施包括采用較大的爐膛斷面和加大燃燒器橫向和垂直間距，降低爐膛斷面熱負(fù)荷和燃燒器區(qū)壁面熱負(fù)荷；控制屏底、爐膛出口和尾部煙道入口煙氣溫度；控制屏區(qū)受熱面熱量分配；采用更大的折焰角與爐膛深度比，以增強(qiáng)煙氣沿爐膛寬度方向的均勻度，降低煙氣尖峰溫度，降低后屏底部高溫區(qū)受輻射熱的強(qiáng)度，減少高溫?zé)熁覍?duì)后屏底部高溫區(qū)的直接沖擊；控制后屏過(guò)熱器至折焰角頂端距離；控制各管屏橫向節(jié)距和管屏深度；采用最嚴(yán)重結(jié)焦、積灰類型吹灰器系統(tǒng)配置，必要時(shí)采用水力吹灰器。

燃燒設(shè)備應(yīng)避免出現(xiàn)還原性氣氛和防止火焰靠墻太近造成的局部高溫區(qū)，主要方法有濃淡風(fēng)燃燒技術(shù)、多切圓燃燒技術(shù)、變異周界風(fēng)技術(shù)等。

濃淡風(fēng)燃燒技術(shù)是指利用煤粉和氣流的慣性不同把煤粉分成濃淡兩部分分別引向各自管道噴入爐膛，將濃的煤粉氣流部分噴向向火側(cè)，而另外一部分噴向背火側(cè)，在背火側(cè)水冷壁附近形成比普通燃燒器更強(qiáng)的氧化性氣氛；多切圓燃燒方式是爐膛中煤粉氣流在高度上分成多層，以增加氣流旋度，防止出現(xiàn)貼墻燃燒；變異周界風(fēng)指的是從二次風(fēng)中引出一小部分噴入存在還原性氣氛的區(qū)域，從而改善燃燒氣氛，同時(shí)還可以防止煤粉氣流直接沖刷水冷壁管并且可使水冷壁管的溫度得到一定程度的降低。

采用煙氣再循環(huán)有利于減輕高溫受熱面的腐蝕主要有兩方面作用：一方面由于部分低溫?zé)煔獗谎h(huán)到爐膛，能降低火焰中心和爐膛出口的煙氣溫度；另一方面由于溫度和氧含量的降低，阻礙SO2氧化為SO3。但對(duì)于揮發(fā)份含量較低的煤可能造成著火不穩(wěn)定，對(duì)高灰分煤會(huì)加重飛灰磨損程度。

對(duì)流受熱面應(yīng)適當(dāng)加大面積且其易于除灰，以保證沾污后仍能達(dá)到設(shè)計(jì)的溫度水平。在換熱面設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能清除流量偏差，使受熱面冷卻均勻，避免個(gè)別管子超溫。減少鍋爐底部漏風(fēng)對(duì)爐膛煙溫的控制，更有效地控制爐膛出口煙溫，有利于降低尾部受熱面的處于高溫段的面積。

磨煤機(jī)出口采用動(dòng)態(tài)煤粉分離器，可也更加靈活的調(diào)節(jié)煤粉均勻度和煤粉在爐膛的停留時(shí)間，進(jìn)而更加有效的控制爐膛火焰中心與煤粉燃盡程度的調(diào)節(jié)。

5.2 運(yùn)行控制

5.2.1 煙氣流速控制

煙氣流速對(duì)受熱面上沉積物的形成具有重要的影響。當(dāng)煙速超過(guò)一定速度時(shí)，大部分飛灰來(lái)不及撞擊受熱面即隨煙氣排出。同時(shí)，初粘在換熱面上的顆粒在較大煙速的作用下也會(huì)重新回到煙氣中，從而降低了換熱面上的沉積。但煙速增加，磨損和阻力也隨之增加，因而選擇合理的煙速至關(guān)重要。

5.2.2 溫度控制

準(zhǔn)東煤的摻燒比例同鍋爐負(fù)荷高低關(guān)系密切，一旦負(fù)荷超過(guò)某一臨界負(fù)荷結(jié)焦發(fā)展速度非常迅速，準(zhǔn)東煤摻燒能力大幅度下降。如果爐膛熱負(fù)荷及爐膛出口煙溫超過(guò)臨界值，結(jié)渣、沾污加速。傳熱惡化導(dǎo)致結(jié)渣、沾污向下游遷移。此時(shí)應(yīng)盡可能降低熱負(fù)荷及爐膛出口煙溫，及時(shí)清除爐膛結(jié)渣。

通常可通過(guò)摻入部分冷風(fēng)或讓部分低溫?zé)煔庠傺h(huán)的辦法來(lái)降低爐膛出口過(guò)高的煙氣溫度，也可采取加大最上層燃燒器與屏式過(guò)熱器底部的距離或調(diào)整受熱面布置等措施。管壁溫度在540～710℃之間，管壁上的粘結(jié)性灰會(huì)造成嚴(yán)重的沾污問(wèn)題，所以可采用降低出口扭轉(zhuǎn)殘余、煙溫偏差和控制給水品質(zhì)等方法避免出現(xiàn)局部過(guò)高的壁溫。降低出口扭轉(zhuǎn)殘余、煙溫偏差主要是避免煙氣在局部停留，影響傳熱。

5.2.3 保持受熱面潔凈

對(duì)于沾污性強(qiáng)的高鈉煤，換熱面上形成的粘結(jié)性灰相比于松散性積灰更難清除，但在沾污較輕的情況下，吹灰也可起到一定作用。由于蒸汽吹灰中的水分與煙氣中的氧化鈉反應(yīng)生成粘性很強(qiáng)的NaOH，增加了在受熱面上的粘結(jié)機(jī)率，因此，針對(duì)高鈉煤沾污常用的除灰方法有振動(dòng)除灰、聲波吹灰、鋼珠除灰以及比較新的激波吹灰等。

5.3 添加劑

高鈉煤燃燒過(guò)程中鈉在換熱面的沉積是導(dǎo)致?lián)Q熱面沾污的重要原因，減少Na在氣相中的濃度，將有益于減輕受熱面沾污。國(guó)外曾經(jīng)摻燒過(guò)的物質(zhì)有白云石(dolomite、CaMgCO3)、硅藻土、活性礬土、MgO(Magnesium Oxide)、氨(Ammonia)等。研究表明活性礬土、二氧化硅、硅藻土以及燃煤飛灰等添加劑與煙氣中的鈉反應(yīng)生成熔點(diǎn)較高的硅鋁酸鹽，可以避免Na在換熱面上凝結(jié)呈熔融態(tài)造成沾污。

另一種更為有效的脫除堿金屬蒸汽的方法是用吸附過(guò)濾床。添加劑主要有活性礬土、一氧化硅、硅藻土以及燃煤飛灰?；钚缘\土和二氧化硅對(duì)氯化鈉有明顯的吸收效果，燃煤飛灰可以使沉積物變得疏松，便于吹灰裝置將其吹掉，可以有效地解決由沉積引起的熱效率和腐蝕問(wèn)題。

但是針對(duì)不同煤種，添加劑的不同，混合比例的不同，均會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)東高鈉煤的灰熔融特性惡化，不適當(dāng)?shù)膿綗镔|(zhì)反而形成低溫共融體，降低煤灰熔融溫度降低，加劇沾污、結(jié)渣程度看，并導(dǎo)致灰量增加。此時(shí)的摻燒不但起不到應(yīng)有的改善準(zhǔn)東高鈉煤燃用鍋爐沾污、結(jié)渣、積灰現(xiàn)象的作用，反而會(huì)加劇這種現(xiàn)象。

5.4 燃料預(yù)處理

通過(guò)高鈉煤提質(zhì)技術(shù)可使處理后的煤含Na量大大降低，從而減少煤在燃燒過(guò)程中鈉的釋放，減輕了高鈉煤燃燒帶來(lái)的沾污影響。

5.5 其它處理技術(shù)

摻燒技術(shù)：將沾污傾向弱的煤與高鈉煤進(jìn)行摻燒，可以減弱高鈉煤燃燒過(guò)程中的沾污傾向。但摻燒只能減緩沾污，不能從根本上解決問(wèn)題。摻燒分為磨前摻燒和磨后摻燒兩種，相比之下磨前摻燒更為有效。

換熱面處理技術(shù)：對(duì)受熱面進(jìn)行處理一般有兩個(gè)途徑：采用抗腐蝕高溫合金材料和管壁涂層?？垢g高溫合金材料具有兩方面的作用：一是形成結(jié)構(gòu)致密的氧化膜來(lái)降低腐蝕劑氧化速率；二是通過(guò)剛體熱膨脹從而減弱金屬與積灰之間的粘結(jié)強(qiáng)度。由于高鈉準(zhǔn)東煤沾污的復(fù)雜性，因此尋找合適的涂層材料是該技術(shù)的關(guān)鍵。

6 結(jié)論

通過(guò)調(diào)研分析準(zhǔn)東煤的揮發(fā)分較高，著火容易，煤階介于褐煤和煙煤之間，具有良好的反應(yīng)活性和燃盡性，新疆準(zhǔn)東煤為低灰份、低硫、低中灰熔點(diǎn)、高水分、高揮發(fā)份、中高熱值、低Al、低Si、高Fe、高Na、高Ca，屬于強(qiáng)結(jié)焦性、強(qiáng)沾污性、強(qiáng)腐蝕性煤種。煤中的高鈉含量是導(dǎo)致燃高鈉煤鍋爐受熱面沾污、結(jié)渣的主要影響因素。在目前的鍋爐設(shè)計(jì)技術(shù)下，采取適當(dāng)?shù)姆澜Y(jié)渣和防沾污措施，綜合考慮運(yùn)行控制、原料預(yù)處理、增加添加劑等都方面的手段后，初步可以解決準(zhǔn)東煤在煤粉鍋爐上燃用。

但是由于大容量燃用準(zhǔn)東煤的項(xiàng)目較少，其相關(guān)技術(shù)措施的工程可行性尚需要通過(guò)工程驗(yàn)證。

[1] 楊忠燦，劉家利，何紅光．新疆準(zhǔn)東煤特性研究及其鍋爐選型 [J]．熱力發(fā)電，2010，(08)．

[2] 董明鋼．高鈉煤對(duì)鍋爐受熱面結(jié)渣、沾污和腐蝕的影響及預(yù)防措施 [J]．熱力發(fā)電，2008，(09)．

[3] 晏蓉，等．煤中礦物質(zhì)成分影響燃燒性能的實(shí)驗(yàn)研究 [J]．熱力發(fā)電，1996，(3)．

[4] 董明剛．高鈉煤對(duì)鍋爐受熱面結(jié)渣、沾污和腐蝕的影響及預(yù)防措施 [J]．熱力發(fā)電，2008，37(9)．

[5] 樊宏鐘，等．電站鍋爐過(guò)熱器高溫腐蝕成因分析[J]．工業(yè)加熱，2004，33(3)．

[6] 漢春利，等．固體吸收劑脫除高溫?zé)煔庵袎A金屬研究 [J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2001，(7)．

[7] 于強(qiáng)，張健強(qiáng)．燃用高鈉煤對(duì)鍋爐受熱面的影響[J]．鍋爐制造，2012，(04)．

[8] 郭魯陽(yáng)，等．鍋爐水冷壁高溫腐蝕原因分析及預(yù)防對(duì)策 [J]．中國(guó)電力，2000，(11)．

Combustion Characteristic and Countermeasure Analysis for Zhundong's Coal

ZHAO Le-qiang
(China Electic Power Planning & Engineering Association, Beijing 100120, China)

Zhundong coal is a kind of strong-cokeability and contamination fossil fuels, the characteristics of which are low-ash, low-sulfur, low-medium ash fusion point, high-moisture, high volatile, medium-high heat value, high Na and high Ca. The characteristic of high Na is the major factor which lead to the contamination and slagging on the heating surfaces. The problems can be preliminarily solved by the comprehensive application of optimizing Boiler design, operation control, using additive and pretreatment of coal.

zhundong coal; contamination; slagging; control measures.

TV12

：B

：1671-9913(2017)01-0026-05

2016-0

趙樂(lè)強(qiáng)(1983- )，男，山東濟(jì)南人，工程師，從事火力發(fā)電廠機(jī)務(wù)工作和壓力管通設(shè)計(jì)管理工作。