(國電龍?jiān)措娏夹g(shù)工程有限責(zé)任公司,北京 100039)

0 前言

當(dāng)前，新疆煤電優(yōu)勢資源轉(zhuǎn)化已經(jīng)進(jìn)入到發(fā)展快車道。然而，新疆地區(qū)煤質(zhì)較為特殊，尤其是哈密、準(zhǔn)東這兩個(gè)地區(qū)的高鈉煤，煤質(zhì)的堿金屬含量高，具有高水分、結(jié)焦及沾污嚴(yán)重的特點(diǎn)[1]。由于該地區(qū)煤存儲量大，開采簡單，運(yùn)輸方便，相對于其他煤種有較大的價(jià)格優(yōu)勢。因此周邊電廠普遍摻燒該品質(zhì)的煤以降低運(yùn)行成本。然而，電廠在摻燒或高比例摻燒(50%以上)高鈉煤時(shí)都存在受熱面嚴(yán)重沾污導(dǎo)致機(jī)組出力下降的問題[2-3]。

針對新疆地區(qū)高堿金屬含量的煤質(zhì)在燃煤機(jī)組上的安全利用問題，國內(nèi)外尚未有成功的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，特別是在防止鍋爐受熱面高溫沾污和處理受熱面沾污問題的研究上，都沒有很好的措施[4-6]。美國依靠優(yōu)化鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行、及添加燃煤防焦劑等方法，基本解決了Na2O含量為1%～2%的PRB煤的燃燒問題，但對于更高堿金屬含量煤種的燃燒問題并沒有適用的解決方案。目前，被用來減輕煤中的含鈉問題的主要技術(shù)方法有兩種：使用離子交換試劑溶解濾去鈉鹽以及添加金屬化合物或礦物相與鈉和鈉化合物在燃燒過程中反應(yīng)[7-9]。文獻(xiàn)[1]利用高鈉煤中堿金屬溶于高溫水來脫除煤中的鈉元素，然后將循環(huán)水與煤分離，并對煤加熱干燥。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)采用計(jì)算機(jī)模擬結(jié)渣以及沾污特性指導(dǎo)鍋爐的設(shè)計(jì)也很重要。文獻(xiàn)[10]基于模糊數(shù)學(xué)理論提出灰色聚類綜合評判模型。該模型從燃燒介質(zhì)本身的煤質(zhì)特性出發(fā)，綜合考慮了各成分對結(jié)渣的影響，評判結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果相符。但是，高鈉煤種如何應(yīng)用于鍋爐設(shè)計(jì)，運(yùn)行優(yōu)化等方面仍值得進(jìn)一步研究。

本文結(jié)合機(jī)理分析、數(shù)值模擬研究和試燒實(shí)驗(yàn)研究成果，從煤質(zhì)參數(shù)改變(添加劑)、鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化等各個(gè)方面，研究總結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐在燃燒高鈉煤情況下安全經(jīng)濟(jì)環(huán)保穩(wěn)定運(yùn)行的最優(yōu)化綜合解決方案，對高效經(jīng)濟(jì)安全利用新疆地區(qū)儲量豐富的高鈉高鉀煤具有重要意義。

1 實(shí)際問題及解決策略概述

1.1 摻燒高堿金屬煤帶來的鍋爐燃燒問題

鍋爐在摻燒高鈉煤運(yùn)行一段時(shí)間后，鍋爐整體結(jié)焦問題嚴(yán)重。新疆某電廠在燃用高鈉煤后，從爐膛到水平煙道過熱器、再熱器，再到尾部受熱面等都出現(xiàn)大面積結(jié)焦，爐內(nèi)結(jié)渣“搭橋”現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至在受熱面管道迎風(fēng)側(cè)也大量出現(xiàn)沾污結(jié)焦現(xiàn)象，鍋爐爆管現(xiàn)象頻發(fā)，停爐后進(jìn)入爐膛清理時(shí)發(fā)現(xiàn)，焦渣硬度高，難以處理。這種現(xiàn)象在國內(nèi)電站鍋爐運(yùn)行實(shí)踐中較為罕見，未見公開研究中提供該問題的有效解決方案[11-12]。目前針對高堿金屬含量的煤種，主要以小比例摻燒的方式對其加以利用。提出高堿金屬煤的防結(jié)渣、沾污和腐蝕方法，阻礙了高鈉煤在煤電工業(yè)的大規(guī)模使用。

1.2 全過程技術(shù)管理的綜合解決策略

針對上述問題，本文采用從工程設(shè)計(jì)到優(yōu)化應(yīng)用的全過程技術(shù)管理策略，取得了良好的應(yīng)用效果。

(1)新疆燃用高堿煤機(jī)組調(diào)研及煤種采樣分析

對代表性煤種進(jìn)行燃料煤質(zhì)特性分析，并建立典型煤質(zhì)特性分析數(shù)據(jù)庫。

對新疆燃燒高鈉煤典型機(jī)組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及燃用煤種情況進(jìn)行調(diào)研，尤其是對已發(fā)生嚴(yán)重結(jié)渣沾污事故并影響運(yùn)行的機(jī)組；總結(jié)對比不同煤質(zhì)和鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行情況下，鍋爐受熱面的結(jié)渣沾污特征、灰渣性質(zhì)與粘結(jié)強(qiáng)度、鍋爐結(jié)渣沾污對鍋爐運(yùn)行、熱效率與污染物排放等方面的影響。

(2)高鈉煤鍋爐結(jié)渣沾污機(jī)理與灰渣特性研究

鍋爐結(jié)渣與積灰是復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，其形成機(jī)理與形成的灰渣的物理化學(xué)性質(zhì)與煤灰的礦物成分密切相關(guān)。通過計(jì)算機(jī)電子掃描電鏡、X射線衍射分析、熱重和差熱分析以及微分熱重分析等先進(jìn)分析手段，對煤中礦物質(zhì)的種類、組成和存在形態(tài)等進(jìn)行測量和分析，研究煤灰礦物質(zhì)成分對煤灰熔融特性與灰渣性質(zhì)的影響，為進(jìn)一步開發(fā)有效緩解鍋爐結(jié)渣沾污趨勢的添加劑提供理論基礎(chǔ)[13-14]。

2 高鈉煤質(zhì)燃燒特性分析

2.1 低溫灰化后典型煤樣的灰成分指標(biāo)

傳統(tǒng)的國標(biāo)法制灰過程中堿金屬元素會發(fā)生逃逸現(xiàn)象，影響煤灰的灰熔融溫度，導(dǎo)致煤樣的灰熔融溫度偏高，與實(shí)際的結(jié)渣傾向性無法耦合。因此，首先確定機(jī)組采購的煤種類別，具體包括神華二礦煤、潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤。

對上述四種煤樣分別在500℃下低溫灰化，并對灰樣進(jìn)行灰成分分析?？紤]到低溫灰化程度對灰成分絕對值的影響，為消除該影響，將低溫灰化后各煤樣灰成分的總和統(tǒng)一修正到95%。如圖1所示，為煤樣常規(guī)灰成分與低溫灰化灰成分對比。對于灰成分中堿金屬含量在1.8%～2.5%的潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤而言，低溫灰化后灰成分中堿金屬含量與常規(guī)灰化的灰成分堿金屬含量差別不大，其原因可能在于這幾個(gè)煤樣本身的堿金屬含量并不是太高。但對于堿金屬含量高達(dá)3.5%以上的神華二礦煤而言，低溫灰化后其堿金屬含量從常規(guī)灰化的3.69%升高到了4.09%，升高了0.40%。

2.2 煤樣常規(guī)灰成分的結(jié)渣特性預(yù)測

根據(jù)煤灰成分進(jìn)行預(yù)測，得到灰成分綜合預(yù)測指數(shù)HCFjz?；页煞志C合預(yù)測指數(shù)HCFjz的判別標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。分析結(jié)果顯示：典型煤樣中以神華二礦煤的結(jié)渣傾向性相對最強(qiáng)，灰成分綜合預(yù)測指數(shù)HCFjz達(dá)到了4.0，有嚴(yán)重結(jié)渣傾向[15]。

表1灰成分綜合預(yù)測指數(shù)HCFjz的判別標(biāo)準(zhǔn)

等級≤2級2～4級>4級結(jié)渣傾向輕微結(jié)渣中等結(jié)渣嚴(yán)重結(jié)渣

若在預(yù)測中不考慮堿金屬的影響，則煤樣的HCFjz指數(shù)有所降低，如圖2所示。對于堿金屬含量較高的神華二礦煤樣而言，不考慮堿金屬時(shí)所表現(xiàn)出HCFjz指數(shù)可能會比考慮堿金屬時(shí)低0.3～0.4，表明煤種堿金屬含量對結(jié)渣的重要影響。

2.3 低溫灰化對灰成分結(jié)渣特性的影響

如圖3所示，對于潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤而言，由于低溫灰化對煤樣的灰成分堿金屬含量影響不大，其HCFjz指數(shù)也變化不大，其中潞新混1及潞新混煤低溫灰化預(yù)測指數(shù)比常規(guī)灰化時(shí)略有升高，潞新煤泥則略有降低。對于神華二礦煤而言，低溫灰化后灰成分所表現(xiàn)出的預(yù)測指數(shù)略有降低，即鐵鈣比的下降，但實(shí)際上由于神華二礦煤在常規(guī)灰成分中堿金屬含量既已表現(xiàn)出嚴(yán)重結(jié)渣的傾向，因此低溫灰化后堿金屬的增加并未反映在灰成分結(jié)渣指數(shù)中，因此，神華二礦煤低溫灰化后灰成分結(jié)渣預(yù)測指數(shù)反而略有降低。

2.4 低溫灰化對灰成分結(jié)渣特性的影響

如圖4所示，對于低溫灰化與常規(guī)灰化相比堿金屬含量變化不大的潞新系列煤而言，常規(guī)灰化法所得的灰熔融溫度與低溫灰化法所得的灰熔融溫度相比差別不大，潞新混1及潞新煤泥的低溫灰化灰熔融溫度反而略有升高。但對于低溫灰化后堿金屬含量總體升高了0.40%的神華二礦煤而言，低溫灰化后的灰熔融溫度相比常規(guī)灰化時(shí)均呈現(xiàn)出較明顯的降低，DT、ST、FT分別為1 140℃、1 150℃、1 160℃，比常規(guī)灰化的灰熔融溫度均低了50℃，這與試驗(yàn)臺上的結(jié)渣表現(xiàn)相符。

3 超超臨界鍋爐選型設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化

3.1 低溫灰化對鍋爐燃用典型煤結(jié)渣的預(yù)測指導(dǎo)

結(jié)合表1所示，該型660 MW超超臨界機(jī)組鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)，可見：無論是燃用設(shè)計(jì)煤種還是校核煤種，BMCR或BRL工況時(shí)下爐膛出口處的煙溫水平均在1 260～1 270℃之間；由圖4可見，神華二礦煤低溫灰化后的灰熔融溫度ST比該下爐膛出口煙溫低了約110～120℃，而潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤的低溫灰化后的灰熔融溫度則與該下爐膛出口煙溫接近或略低，可以認(rèn)為鍋爐在BMCR或BRL工況下燃用潞新類煤時(shí)鍋爐結(jié)渣的可能性不大，但在燃用神華二礦煤時(shí)結(jié)渣的可能性較大。同理，75%THA工況下燃用神華二礦煤時(shí)鍋爐仍存在結(jié)渣的可能性。

國電哈密大南湖項(xiàng)目的2×660 MW超超臨界鍋爐擬選用哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司研制的660 MW超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐。考慮到該地區(qū)煤種的特殊性，需要根據(jù)煤種對鍋爐設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

表1國電哈密大南湖660MW機(jī)組鍋爐受熱面煙溫特性

受熱面設(shè)計(jì)煤種校核煤種1校核煤種2BMCRBRL75%THA50%THABMCRBMCR爐膛出口975973901811975973下爐膛出口1 2681 2701 2031 0891 2691 266分隔屏過熱器出口1 0751 0749998961 0781 072末級過熱器出口975973901811975973末級再熱器出口851848787720849849水平低溫再熱器出口464459449450453472水平低溫過熱器出口460457418377456465過熱器側(cè)省煤器出口377374339298378375再熱器側(cè)省煤器出口369366350338361376預(yù)熱器入口煙道374371347322375373

3.2 超超臨界鍋爐選型設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化

通過對機(jī)組擬燃用煤種結(jié)焦特性分析和沾污傾向的模擬預(yù)測，對鍋爐參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化：加大了爐膛尺寸，容積熱負(fù)荷降低至63.9 kW/m3，充分考慮折焰角位置結(jié)渣、對流受熱面縱向間距、分隔屏底部切角結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)優(yōu)化，增加末級過熱器入口等位置吹灰器布置。

綜合參考項(xiàng)目鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)及煤樣燃燒特性，進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化調(diào)試試驗(yàn)后預(yù)測：

(1)鍋爐在燃用潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤時(shí)正常情況下結(jié)渣傾向性不強(qiáng)，潞新系列煤可作為鍋爐的適用煤種使用，但需做好鍋爐的冷態(tài)試驗(yàn)及制粉系統(tǒng)的調(diào)試工作，避免因煤粉氣流飛邊、煤粉粒度偏粗、爐內(nèi)局部熱負(fù)荷過高、燃燒器一次風(fēng)速偏低等原因?qū)е碌腻仩t局部結(jié)渣，并在鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中密切關(guān)注減溫水、再熱汽溫等參數(shù)，必要時(shí)加強(qiáng)吹灰頻次及檢查吹灰器的有效性；

(2)神華二礦煤由于堿金屬含量較高，低溫灰化后表現(xiàn)出的灰熔融溫度較低，因此不適合在75%THA以上的負(fù)荷單獨(dú)燃用，建議通過進(jìn)一步的電廠試驗(yàn)研究確定神華二礦煤的合適摻燒比例和摻燒方式。

因此，國電哈密一體化項(xiàng)目鍋爐在燃用潞新煤種時(shí)結(jié)渣傾向性不強(qiáng)，潞新類煤可作為鍋爐的適用煤種使用，但需做好鍋爐冷態(tài)試驗(yàn)及制粉系統(tǒng)調(diào)整等前期工作，并在運(yùn)行過程中鍋爐減溫水、再熱汽溫等參數(shù)，必要時(shí)加強(qiáng)吹灰頻次。經(jīng)哈密大南湖項(xiàng)目實(shí)際投產(chǎn)后的運(yùn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了大比例摻燒高鈉煤不結(jié)焦且污染物達(dá)標(biāo)排放的既定目標(biāo)。

4 結(jié)論及展望

針對新疆地區(qū)高堿金屬含量的煤質(zhì)容易引發(fā)受熱面高溫沾污以及沾污處理困難的問題。本文通過煤種分析及結(jié)渣沾污機(jī)理與灰渣特性研究，得到的結(jié)論如下：

(1)煤種堿金屬含量對結(jié)渣的重要影響。綜合多種煤樣對比，潞新煤系煤種與該爐膛出口煙溫接近，因此鍋爐在BMCR或BRL工況下燃用潞新類煤時(shí)鍋爐結(jié)渣的可能性不大，但在燃用神華二礦煤時(shí)結(jié)渣的可能性較大。但75%THA工況下燃用神華二礦煤時(shí)鍋爐仍存在結(jié)渣的可能性。

(2)在鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化，根據(jù)煤種分析機(jī)理選取爐膛熱力參數(shù)，完善選型設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化，能實(shí)現(xiàn)大比例摻燒高鈉煤不結(jié)焦且污染物達(dá)標(biāo)排放的目標(biāo)。

此外，這對高效、經(jīng)濟(jì)、安全利用新疆地區(qū)儲量豐富的高鈉高鉀煤具有重要意義。