劉義斌，劉旋坤，宋剛，楊欣華，張縵，楊海瑞*

（1.新疆國泰新華礦業(yè)股份有限公司，新疆五彩灣 831799；2.清華大學(xué)山西清潔能源研究院，太原 030032；3.清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084；4.中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

準(zhǔn)東煤田是我國最大的整裝煤田，勘探資料表明準(zhǔn)東煤礦資源貯藏豐富，屬于特低灰分、特低硫、高熱值、低變質(zhì)程度的優(yōu)質(zhì)天然潔凈煤［1］。但是，準(zhǔn)東煤中含有較高的鈉、鈣等堿金屬，導(dǎo)致其在燃燒過程中生成的氣相化合物極易在對流受熱面上冷凝沾污。因此鍋爐燃用準(zhǔn)東煤需要將煤灰中的堿金屬含量降低至安全范圍，從而降低鍋爐沾污結(jié)焦的傾向。試驗發(fā)現(xiàn)，含有鋁和硅的礦物質(zhì)對堿金屬吸附能力強(qiáng)，可以有效固定堿金屬［2］。

研究表明，燃用準(zhǔn)東煤鍋爐在設(shè)計階段通常選用較低的容積熱負(fù)荷參數(shù)來減少爐膛沾污和結(jié)渣現(xiàn)象［3-4］，實(shí)際應(yīng)用中也嘗試通過摻燒低鈉煤來改善準(zhǔn)東煤的沾污特性［5-7］。目前新疆地區(qū)大部分鍋爐基本實(shí)現(xiàn)了80.0%準(zhǔn)東煤摻燒低鈉煤的混煤燃燒［8-10］，但是關(guān)于全燃準(zhǔn)東煤的運(yùn)行案例依舊較少。

本文以新疆國泰新華化工有限公司350 MW 超臨界煤粉鍋爐為例，以準(zhǔn)東煤為主燃料設(shè)計，通過試驗摻燒高嶺土和熱態(tài)調(diào)試，顯著減輕了準(zhǔn)東煤燃燒的結(jié)渣和沾污的傾向，實(shí)現(xiàn)了鍋爐全燃準(zhǔn)東煤。

1 鍋爐設(shè)備及運(yùn)行情況

新疆國泰新華化工有限公司#1 鍋爐是由東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的超臨界、單爐膛、一次中間再熱、對沖燃燒、平衡通風(fēng)、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π型布置燃煤直流爐。鍋爐最低穩(wěn)定燃燒負(fù)荷為30.0%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR），并能在此負(fù)荷下長期運(yùn)行；鍋爐爐膛尺寸14 694 mm×16 320 mm，四周為全焊式膜式水冷壁，上部布置有屏式過熱器；水平煙道中布置有高溫過熱器、高溫再熱器；尾部煙道由隔墻分為2部分，前室為低溫再熱器（低再），后室為低溫過熱器（低過）和省煤器，尾部配置布袋除塵器以及煙氣脫硫、脫硝裝置，具體參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the boiler

鍋爐燃煤以天池南礦煤（高鈉煤）為主，根據(jù)3.5∶1.0的質(zhì)量比摻燒低鈉煤，煤種參數(shù)見表2。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，燃燒器為外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器，按前墻3層、后墻3層、每層4只燃燒器布置。煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和中心風(fēng)4部分。在煤粉燃燒器上方分前后墻各設(shè)置了2 層燃盡風(fēng)，風(fēng)口中央部位為非旋轉(zhuǎn)氣流，直接穿透進(jìn)入爐膛中心；外圈氣流為旋轉(zhuǎn)氣流，用于和靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進(jìn)行混合。

表2 煤種參數(shù)Tab.2 Coal parameters

鍋爐在運(yùn)行初期水冷壁結(jié)渣嚴(yán)重，燃燒器和水冷壁部分管壁發(fā)生嚴(yán)重高溫腐蝕。并且由于屏式過熱器掛焦嚴(yán)重，須定期進(jìn)行大負(fù)荷擾動，導(dǎo)致大量尺寸較大的渣塊脫落，水封裝置內(nèi)存水被脫落的渣塊沖擊、汽化，產(chǎn)生大量蒸汽造成爐膛燃燒波動甚至滅火。對流受熱面沾污積灰嚴(yán)重，高負(fù)荷運(yùn)行期間折焰角后煙氣溫度達(dá)到1 000 ℃，低再、省煤器等煙氣溫度偏高，鍋爐排煙溫度達(dá)到150 ℃。

2 高嶺土摻燒試驗

2.1 試驗條件

天池南礦煤屬于高Na2O 煤種，摻燒硅鋁含量高、鈉含量低的物料可以緩解爐膛積灰結(jié)焦現(xiàn)象。本試驗摻燒五彩灣礦高嶺土，要求鍋爐在不結(jié)渣的前提下安全運(yùn)行。高嶺土成分分析結(jié)果見表3。

表3 高嶺土成分分析Tab.3 Component analysis of kaolin

試驗期間入爐煤質(zhì)相對穩(wěn)定，制粉系統(tǒng)以及輔機(jī)處于完好狀態(tài)，主要儀表投運(yùn)正常，各主要風(fēng)門、擋板操作靈活且開度指示正確，鍋爐日平均負(fù)荷率大于60.0%BMCR。摻燒高嶺土前后磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速、風(fēng)煤比、運(yùn)行方式、內(nèi)外二次風(fēng)旋流開度、中心風(fēng)開度、燃盡風(fēng)開度、各層二次風(fēng)門開度、運(yùn)行氧量、吹灰壓力等影響鍋爐運(yùn)行的參數(shù)均保持一致。

2.2 確定摻燒高嶺土比例

煤灰熔融特性是影響鍋爐結(jié)渣、受熱面沾污積灰的重要因素［11］，因此必須對摻混高嶺土后煤灰熔融特性重新進(jìn)行研究分析，指導(dǎo)添加劑摻混比例及鍋爐燃燒。

為了明確摻配高嶺土比例依據(jù)，首先將5.0%～7.0%高嶺土［12-14］與準(zhǔn)東煤進(jìn)行均勻混合制標(biāo)準(zhǔn)樣，然后進(jìn)行灰熔點(diǎn)測定。根據(jù)GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測定方法》標(biāo)準(zhǔn)，使用SDAF3000 型灰熔融性測試儀進(jìn)行檢測，結(jié)果見表4。

表4 摻燒不同比例高嶺土煤樣灰熔點(diǎn)測試結(jié)果Tab.4 Ash fusion temperatures of coal samples mixed with different proportions of kaolin

2.3 試驗內(nèi)容與結(jié)果

摻燒前維持機(jī)組常用煤種，按摻配6.5%高嶺土的比例逐漸累加，最終實(shí)現(xiàn)5 臺磨煤機(jī)全部摻配6.5%高嶺土的目標(biāo)。

首先，將D 倉準(zhǔn)東煤替換為準(zhǔn)東煤添加6.5%高嶺土的混煤（以下簡稱混煤）。觀察摻配高嶺土后磨煤機(jī)電流、振動、石子煤量等變化情況，在其安全、可靠運(yùn)行的前提下再繼續(xù)增加高嶺土的摻配比例。其次，將E倉準(zhǔn)東煤替換為混煤，若爐內(nèi)結(jié)渣與沾污未加重，且參數(shù)未顯示惡化跡象，再將C倉替換為混煤，若爐內(nèi)結(jié)渣與沾污未加重，且參數(shù)未顯示惡化跡象，將B 倉換為混煤，連續(xù)觀察試驗20 d（含300 MW負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行7 d）；若各負(fù)荷段爐內(nèi)結(jié)渣或沾污均未加重（包括D磨煤機(jī)停機(jī)情況）將A倉低鈉煤替換為混煤，若試驗過程爐內(nèi)結(jié)渣或沾污未加重，則進(jìn)行30 d摻燒試驗。

整個摻燒過程用時70 d，鍋爐全燒準(zhǔn)東煤累計運(yùn)行31 d，各項運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)與摻燒前指標(biāo)相比均滿足鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行要求，且有效緩解鍋爐積灰結(jié)渣情況。對摻燒前后吹灰掉焦進(jìn)行比較，摻燒前焦塊較大且堅硬，如圖1 所示；摻燒后焦塊疏松容易脫落，如圖2 所示。鍋爐運(yùn)行10 個月狀況良好，充分證明摻燒高嶺土能很好地解決準(zhǔn)東煤沾污問題。

圖1 摻燒前吹灰掉落的焦塊Fig.1 Focal block blown off by the soot blower before the co-combustion

圖2 摻燒后吹灰掉落的焦塊Fig.2 Focal block blown off by the soot blower after the co-combustion

摻燒后再熱器壁溫與出口蒸汽溫度如圖3 所示，蒸汽出口溫度維持在550 ℃左右，基本與設(shè)計要求溫度持平。

圖3 再熱器壁溫與出口蒸汽溫度Fig.3 Temperatures of the reheater wall and outlet steam

需要說明的是，摻燒高嶺土?xí)圃鼨C(jī)、輸灰管、空氣預(yù)熱器以及布袋除塵器的運(yùn)行造成一定影響。在鍋爐出力不變時，摻燒高嶺土后的撈渣機(jī)出渣量和倉泵的輸灰量有所提升，對鍋爐受熱面管束沖刷磨損加重，每kW·h 發(fā)電量標(biāo)煤耗增加，磨煤機(jī)、吹灰器的負(fù)荷增大，尾部煙道積灰增大，排煙溫度上升。因此，進(jìn)行了更為系統(tǒng)的摻燒優(yōu)化試驗。

3 鍋爐摻燒優(yōu)化試驗

為解決摻燒高嶺土后鍋爐出現(xiàn)的上述問題，同時為滿足環(huán)保要求［15］，降低鍋爐NOx的排放質(zhì)量濃度，對機(jī)組進(jìn)行了120 h 熱態(tài)調(diào)試，將鍋爐運(yùn)行狀態(tài)調(diào)至最佳。

3.1 鍋爐出口氧量及NOx標(biāo)定試驗

試驗開始前在空氣預(yù)熱器進(jìn)、出口煙道布置測點(diǎn)，分別采用煙氣分析儀在工況1（285 MW）和工況2（310 MW）測量鍋爐的出口氧量和NOx質(zhì)量濃度，根據(jù)測量結(jié)果對鍋爐進(jìn)行調(diào)試。鍋爐從B側(cè)到A 側(cè)燃盡風(fēng)、燃燒器二次風(fēng)開度記錄見表5。在2種工況下實(shí)際測試鍋爐出口煙氣成分與分散控制系統(tǒng)（DCS）數(shù)據(jù)比較見表6。

表5 二次風(fēng)系統(tǒng)擋板開度Tab.5 Opening of the baffle for secondary air system

表6 鍋爐出口煙氣成分及修正系數(shù)Tab.6 Composition and correction coefficient of the flue gas at boiler's outlet

從測試結(jié)果來看，鍋爐A 側(cè)比B 側(cè)氧量偏低；B側(cè)氧量DCS 數(shù)據(jù)與實(shí)測值較為接近，A 側(cè)DCS 數(shù)據(jù)則較實(shí)測值偏低；脫硝入口兩側(cè)NOx的DCS 數(shù)據(jù)均較實(shí)測值偏低。通過多次測量，對比實(shí)測值與DCS顯示值，確定了氧量和NOx的修正系數(shù)值，有利于更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行。

3.2 鍋爐出口氧量調(diào)平試驗

根據(jù)表6數(shù)據(jù)調(diào)整鍋爐燃盡風(fēng)及燃燒器手動擋板。將燃盡風(fēng)A 側(cè)最右側(cè)旋流從200 000 m3/h 開至350 000 m3/h；A1 燃燒器外二次風(fēng)開至60°；燃盡風(fēng)層風(fēng)箱擋板B 側(cè)開度15%，A 側(cè)開度30%。調(diào)整后負(fù)荷為285 MW，命名為工況3，相應(yīng)測得鍋爐出口氧量與CO 質(zhì)量濃度如圖4 所示。對比工況1 可知，通過調(diào)整燃盡風(fēng)手動門及燃盡風(fēng)層風(fēng)箱擋板可提高鍋爐A側(cè)低氧量區(qū)域的氧量，減小兩側(cè)氧量差異，同時降低CO排放，有利于提高鍋爐效率。

圖4 氧量調(diào)平前后對比Fig.4 Oxygen contents before and after the levelling

3.3 燃盡風(fēng)及二次風(fēng)調(diào)整試驗

為緩解鍋爐水平煙道的沾污、結(jié)渣以及尾部受熱面超溫，進(jìn)行配風(fēng)調(diào)整試驗降低水平煙道煙氣溫度，試驗選取鍋爐低再和低過的進(jìn)口煙溫作為參照。試驗在285 MW 負(fù)荷下布置工況4—6，對比3種工況燃盡風(fēng)層風(fēng)門開度及二次風(fēng)層風(fēng)門開度變化對煙氣溫度的影響。燃盡風(fēng)及二次風(fēng)風(fēng)門開度變化與排放情況見表7。

表7 燃盡風(fēng)及二次風(fēng)風(fēng)門開度變化與污染物排放Tab.7 Opening change of OFA and secondary air throttles and pollutant discharge

對比可知，各工況飛灰和大渣中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，但隨著燃盡風(fēng)關(guān)小，NOx排放質(zhì)量濃度明顯上升，從166.8 mg/m3上升至266.2 mg/m3。不同工況低再和低過進(jìn)口煙氣溫度如圖5所示。

圖5 工況4—6低再和低過進(jìn)口煙氣溫度對比Fig.5 Comparison of flue gas temperatures at inlets of low-temperature reheater and low-temperature superheater under working condition 4—6

對比工況4 與工況6，后者煙氣溫度較低，說明相同條件下，減小燃盡風(fēng)開度有利于降低煙氣溫度；對比工況4 與工況5，前者二次風(fēng)采用正寶塔形（上小下大）配風(fēng)方式，后者二次風(fēng)采用均等配風(fēng)方式，即使工況5 燃盡風(fēng)開度較低，其煙氣溫度仍最高，說明正寶塔形配風(fēng)方式更有利于降低煙溫。因此，在綜合考慮NOx排放質(zhì)量濃度情況下應(yīng)盡量降低燃盡風(fēng)層風(fēng)箱開度，維持二次風(fēng)上小下大的正寶塔形配風(fēng)方式。

3.4 變過量空氣系數(shù)試驗

在310 MW 負(fù)荷下選取工況7—9，該組工況下燃盡風(fēng)風(fēng)門開度及二次風(fēng)層風(fēng)門開度均保持一致，運(yùn)行氧量為2.4%（工況7），2.8%（工況8），3.2%（工況9），各工況低再和低過進(jìn)口煙溫度如圖6所示。

圖6 工況7—9低再和低過進(jìn)口煙氣溫度對比Fig.6 Comparison of flue gas temperatures at inlets of low-temperature reheater and low-temperature superheater under working condition 7—9

根據(jù)DCS 的NOx排放量可知，隨著鍋爐運(yùn)行過量空氣系數(shù)增大，NOx排放質(zhì)量濃度明顯上升；由圖6 可知，低再和低過的入口煙氣溫度明顯下降。綜合考慮NOx排放情況下，鍋爐在310 MW負(fù)荷下運(yùn)行氧量應(yīng)維持在2.8%～3.2%。

3.5 改變磨煤機(jī)數(shù)量試驗

工況1—9 均投運(yùn)6 臺磨煤機(jī)，現(xiàn)將負(fù)荷為310 MW 下的磨煤機(jī)投運(yùn)數(shù)量調(diào)整為5 臺，運(yùn)行氧量為3.0%，其他參數(shù)與工況9 保持一致。DCS 運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在投運(yùn)5 臺磨煤機(jī)時NOx排放質(zhì)量濃度明顯降低，從300 mg/m3降到200 mg/m3以下；低再和低過進(jìn)口煙溫也明顯降低；飛灰和大渣中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在0.6%以下；排煙溫度維持在140 ℃左右；鍋爐效率可達(dá)到94.5%。對比其他工況，該工況下鍋爐運(yùn)行狀態(tài)良好，為最優(yōu)運(yùn)行工況，同時建議在高負(fù)荷運(yùn)行時應(yīng)盡量優(yōu)先使用5 臺磨煤機(jī)同時運(yùn)行，且各磨煤機(jī)給煤量應(yīng)該按照上層磨煤機(jī)小、下層磨煤機(jī)大的正寶塔形分布。

4 結(jié)論

（1）通過摻燒6.5%高嶺土，實(shí)現(xiàn)了350 MW 超臨界煤粉鍋爐全燃準(zhǔn)東煤，并且累計運(yùn)行31 d，各項運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)均滿足鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行要求，且有效緩解了鍋爐積灰結(jié)渣的情況。

（2）通過120 h 熱態(tài)調(diào)試試驗，改善了鍋爐燃燒混煤后的運(yùn)行狀態(tài)，確定鍋爐最優(yōu)工況為310 MW以及該工況下運(yùn)行氧量應(yīng)維持在2.8%～3.2%；明確了在高負(fù)荷運(yùn)行時優(yōu)先使用5 臺磨煤機(jī)同時運(yùn)行，且各磨煤機(jī)給煤量應(yīng)該按照上層磨煤機(jī)小、下層磨煤機(jī)大的正寶塔形分布；提出了在綜合考慮NOx排放質(zhì)量濃度時，應(yīng)盡量降低燃盡風(fēng)層風(fēng)箱開度，維持二次風(fēng)上小下大的正寶塔形配風(fēng)方式。