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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)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(zhǔn)噶爾、吐哈-巴里坤、西天山和塔里木北緣等4個(gè)產(chǎn)煤區(qū)[1]。其中位于準(zhǔn)噶爾盆地東部北緣的準(zhǔn)東煤田是一個(gè)超大型的整裝煤田，準(zhǔn)東煤的煤質(zhì)特點(diǎn)是中水分、低灰分、中高揮發(fā)分、低硫、低磷和低氯，被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)動力煤，按照規(guī)劃準(zhǔn)東煤田的主要功能之一是被用來建設(shè)大型煤電基地，實(shí)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(zhǔn)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(diǎn)容易給鍋爐帶來嚴(yán)重的結(jié)渣、沾污積灰以及沾污引起的磨損等問題，在役機(jī)組鍋爐只能采用摻燒方式燃用準(zhǔn)東煤且摻燒比例需受到嚴(yán)格控制[4-8]。

國外也有燃用高堿煤造成沾污積灰的報(bào)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(diǎn)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(jiān)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(diǎn)較低，無論是煤粉鍋爐還是循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，純燒準(zhǔn)東煤時(shí)都會出現(xiàn)受熱面沾污的問題。

試驗(yàn)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(shí)沾污會明顯減輕[13]。根據(jù)電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，燃用準(zhǔn)東煤時(shí)中低溫受熱面沾污不明顯[8]，與試驗(yàn)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(zhǔn)東煤沾污的有效途徑[12,14]。依托東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3 MW綜合試驗(yàn)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(yàn)方案與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)煤質(zhì)

試驗(yàn)所用燃料為準(zhǔn)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(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

在半工業(yè)規(guī)模的3 MW綜合試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)臺包括煤粉鍋爐和CFB鍋爐2個(gè)試驗(yàn)平臺。煤粉鍋爐試驗(yàn)臺系統(tǒng)如圖1(a)所示，由燃燒系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、除塵器、送引風(fēng)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(yàn)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(yàn)臺系統(tǒng)如圖1(b)所示，除與煤粉鍋爐試驗(yàn)臺共用一套尾部煙道、空氣預(yù)熱器、除塵設(shè)備和引風(fēng)機(jī)外，還有獨(dú)立的爐膛、送風(fēng)系統(tǒng)、給料裝置、物料循環(huán)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和冷煙氣循環(huán)系統(tǒng)。

(a)煤粉鍋爐試驗(yàn)臺

(b)CFB鍋爐試驗(yàn)臺

冷煙氣循環(huán)系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)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?zé)煔饣旌?，達(dá)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(jìn)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(jìn)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(shí)傳熱系數(shù)H0的比值：

(1)

根據(jù)Rh隨時(shí)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(yàn)工況

研究表明，煙氣溫度在700 ℃以上時(shí)，高堿煤沾污開始加重，800 ℃以上則會發(fā)生嚴(yán)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(yàn)證工況(即激冷工況)，分別在煤粉鍋爐試驗(yàn)臺和CFB鍋爐試驗(yàn)臺上進(jìn)行激冷試驗(yàn)。每次試驗(yàn)之前對沾污測試管段表面進(jìn)行清理，保證試驗(yàn)開始時(shí)管段表面是清潔的。試驗(yàn)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(yàn)工況見表3。

表3 試驗(yàn)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(qiáng)弱的Rh的分界值，首先在試驗(yàn)臺上對5種不同沾污特性的燃料進(jìn)行了試驗(yàn)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(jìn)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(rèn)為沾污傾向嚴(yán)重[15]，圖3給出了不同試驗(yàn)煤種Rh與Rul的關(guān)系。由圖3可知，當(dāng)Rul=1時(shí)，Rh≈0.9。因此，以Rh=0.9作為沾污強(qiáng)弱的分界值。

表4 不同試驗(yàn)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(yàn)臺Rh隨時(shí)間的變化

圖4給出了不同煙氣溫度下煤粉鍋爐試驗(yàn)臺Rh隨時(shí)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(dāng)不投入煙氣激冷，煙氣溫度為850 ℃時(shí)，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(shí)，Rh在6 h后仍維持在0.9以上；煙氣溫度激冷至650 ℃時(shí)，Rh始終維持在0.95左右。圖5給出了試驗(yàn)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(dāng)煙氣溫度較低時(shí)，管子表面更干凈。

以Rh=0.9作為沾污強(qiáng)弱的分界值，結(jié)合上述結(jié)果，可認(rèn)為煤粉鍋爐煙氣激冷至700 ℃以下可以解決準(zhǔn)東煤沾污嚴(yán)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(yàn)臺Rh隨時(shí)間的變化。由圖6可知，當(dāng)不投入煙氣激冷系統(tǒng)，煙氣溫度為820 ℃時(shí)，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(shí)，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(qiáng)弱分界值，則可認(rèn)為解決CFB鍋爐燃燒準(zhǔn)東煤的沾污問題時(shí)需將煙氣溫度激冷至650～700 ℃。

圖6 CFB鍋爐試驗(yàn)臺Rh隨時(shí)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(shí)，煤粉鍋爐Rh的下降速率快于CFB鍋爐，這是因?yàn)槊悍坼仩t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(jìn)入氣態(tài)，由于升華進(jìn)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?yàn)槔錈煔馑腿胛恢门c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(jìn)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(diǎn)(見表5)及分解溫度可知，Na2CO3在744 ℃時(shí)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(shí)發(fā)生升華。分解生成的Na2O2與Na及Na2O的熔點(diǎn)很低，易揮發(fā)進(jìn)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(diǎn)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(zhǔn)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?jǐn)?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(dá)等[16]在用25 kW下行爐研究準(zhǔn)東煤的積灰時(shí)發(fā)現(xiàn)沾污內(nèi)層細(xì)灰比例高于沾污外層，且細(xì)灰中的Na和S質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于粗灰，而Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相反，與本文的研究結(jié)果相同，說明準(zhǔn)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(dāng)投入煙氣激冷系統(tǒng)后，煙氣溫度驟降至700 ℃以下時(shí)，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(shí)，Rh下降趨勢減緩；在煙氣溫度激冷至650 ℃時(shí)，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(diǎn)/℃611(690℃升華)460(657℃分解)318623646851(744℃分解)399884

圖8 準(zhǔn)東煤積灰成分分析

3 結(jié) 論

(1)3 MW綜合試驗(yàn)臺準(zhǔn)東煤沾污試驗(yàn)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(dāng)煤粉鍋爐試驗(yàn)臺不投入煙氣激冷系統(tǒng)，煙氣溫度為850 ℃時(shí)，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(shí)，Rh在6 h后仍維持在0.9以上；煙氣激冷至650 ℃時(shí)，Rh始終維持在0.95左右。

(3)當(dāng)CFB鍋爐試驗(yàn)臺不投入煙氣激冷系統(tǒng)，煙氣溫度為820 ℃時(shí)，Rh在7 h降至0.86，10 h后降至0.77；煙氣激冷至700 ℃時(shí)，Rh在10 h后為0.85；煙氣激冷至650 ℃時(shí)，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(zhǔn)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?jǐn)?shù)低于沾污外層，準(zhǔn)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(dāng)投入煙氣激冷系統(tǒng)時(shí)，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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