摻燒高堿金屬煤的超超臨界鍋爐設計改進及運行優化

(國電龍源電力技術工程有限責任公司,北京 100039)

0 前言

當前，新疆煤電優勢資源轉化已經進入到發展快車道。然而，新疆地區煤質較為特殊，尤其是哈密、準東這兩個地區的高鈉煤，煤質的堿金屬含量高，具有高水分、結焦及沾污嚴重的特點[1]。由于該地區煤存儲量大，開采簡單，運輸方便，相對于其他煤種有較大的價格優勢。因此周邊電廠普遍摻燒該品質的煤以降低運行成本。然而，電廠在摻燒或高比例摻燒(50%以上)高鈉煤時都存在受熱面嚴重沾污導致機組出力下降的問題[2-3]。

針對新疆地區高堿金屬含量的煤質在燃煤機組上的安全利用問題，國內外尚未有成功的設計和運行經驗，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]。美國依靠優化鍋爐設計、運行、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[7-9]。文獻[1]利用高鈉煤中堿金屬溶于高溫水來脫除煤中的鈉元素，然后將循環水與煤分離，并對煤加熱干燥。此外，一些研究發現采用計算機模擬結渣以及沾污特性指導鍋爐的設計也很重要。文獻[10]基于模糊數學理論提出灰色聚類綜合評判模型。該模型從燃燒介質本身的煤質特性出發，綜合考慮了各成分對結渣的影響，評判結果和實驗室試驗結果相符。但是，高鈉煤種如何應用于鍋爐設計，運行優化等方面仍值得進一步研究。

本文結合機理分析、數值模擬研究和試燒實驗研究成果，從煤質參數改變(添加劑)、鍋爐設計、運行優化等各個方面，研究總結能夠實現鍋爐在燃燒高鈉煤情況下安全經濟環保穩定運行的最優化綜合解決方案，對高效經濟安全利用新疆地區儲量豐富的高鈉高鉀煤具有重要意義。

1 實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行一段時間后，鍋爐整體結焦問題嚴重。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大面積結焦，爐內結渣“搭橋”現象嚴重，甚至在受熱面管道迎風側也大量出現沾污結焦現象，鍋爐爆管現象頻發，停爐后進入爐膛清理時發現，焦渣硬度高，難以處理。這種現象在國內電站鍋爐運行實踐中較為罕見，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渣、沾污和腐蝕方法，阻礙了高鈉煤在煤電工業的大規模使用。

1.2 全過程技術管理的綜合解決策略

針對上述問題，本文采用從工程設計到優化應用的全過程技術管理策略，取得了良好的應用效果。

(1)新疆燃用高堿煤機組調研及煤種采樣分析

對代表性煤種進行燃料煤質特性分析，并建立典型煤質特性分析數據庫。

對新疆燃燒高鈉煤典型機組的設計、運行及燃用煤種情況進行調研，尤其是對已發生嚴重結渣沾污事故并影響運行的機組；總結對比不同煤質和鍋爐設計、運行情況下，鍋爐受熱面的結渣沾污特征、灰渣性質與粘結強度、鍋爐結渣沾污對鍋爐運行、熱效率與污染物排放等方面的影響。

(2)高鈉煤鍋爐結渣沾污機理與灰渣特性研究

鍋爐結渣與積灰是復雜的物理和化學過程，其形成機理與形成的灰渣的物理化學性質與煤灰的礦物成分密切相關。通過計算機電子掃描電鏡、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分析手段，對煤中礦物質的種類、組成和存在形態等進行測量和分析，研究煤灰礦物質成分對煤灰熔融特性與灰渣性質的影響，為進一步開發有效緩解鍋爐結渣沾污趨勢的添加劑提供理論基礎[13-14]。

2 高鈉煤質燃燒特性分析

2.1 低溫灰化后典型煤樣的灰成分指標

傳統的國標法制灰過程中堿金屬元素會發生逃逸現象，影響煤灰的灰熔融溫度，導致煤樣的灰熔融溫度偏高，與實際的結渣傾向性無法耦合。因此，首先確定機組采購的煤種類別，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，并對灰樣進行灰成分分析。考慮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一修正到95%。如圖1所示，為煤樣常規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灰化的3.69%升高到了4.09%，升高了0.40%。

2.2 煤樣常規灰成分的結渣特性預測

根據煤灰成分進行預測，得到灰成分綜合預測指數HCFjz。灰成分綜合預測指數HCFjz的判別標準如表1所示。分析結果顯示：典型煤樣中以神華二礦煤的結渣傾向性相對最強，灰成分綜合預測指數HCFjz達到了4.0，有嚴重結渣傾向[15]。

表1灰成分綜合預測指數HCFjz的判別標準

等級≤2級2～4級>4級結渣傾向輕微結渣中等結渣嚴重結渣

若在預測中不考慮堿金屬的影響，則煤樣的HCFjz指數有所降低，如圖2所示。對于堿金屬含量較高的神華二礦煤樣而言，不考慮堿金屬時所表現出HCFjz指數可能會比考慮堿金屬時低0.3～0.4，表明煤種堿金屬含量對結渣的重要影響。

2.3 低溫灰化對灰成分結渣特性的影響

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指數也變化不大，其中潞新混1及潞新混煤低溫灰化預測指數比常規灰化時略有升高，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出的預測指數略有降低，即鐵鈣比的下降，但實際上由于神華二礦煤在常規灰成分中堿金屬含量既已表現出嚴重結渣的傾向，因此低溫灰化后堿金屬的增加并未反映在灰成分結渣指數中，因此，神華二礦煤低溫灰化后灰成分結渣預測指數反而略有降低。

2.4 低溫灰化對灰成分結渣特性的影響

如圖4所示，對于低溫灰化與常規灰化相比堿金屬含量變化不大的潞新系列煤而言，常規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灰化時均呈現出較明顯的降低，DT、ST、FT分別為1 140℃、1 150℃、1 160℃，比常規灰化的灰熔融溫度均低了50℃，這與試驗臺上的結渣表現相符。

3 超超臨界鍋爐選型設計及運行優化

3.1 低溫灰化對鍋爐燃用典型煤結渣的預測指導

結合表1所示，該型660 MW超超臨界機組鍋爐設計參數，可見：無論是燃用設計煤種還是校核煤種，BMCR或BRL工況時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，可以認為鍋爐在BMCR或BRL工況下燃用潞新類煤時鍋爐結渣的可能性不大，但在燃用神華二礦煤時結渣的可能性較大。同理，75%THA工況下燃用神華二礦煤時鍋爐仍存在結渣的可能性。

國電哈密大南湖項目的2×660 MW超超臨界鍋爐擬選用哈爾濱鍋爐廠有限責任公司研制的660 MW超超臨界變壓運行直流鍋爐。考慮到該地區煤種的特殊性，需要根據煤種對鍋爐設計進行優化。

表1國電哈密大南湖660MW機組鍋爐受熱面煙溫特性

受熱面設計煤種校核煤種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過熱器側省煤器出口377374339298378375再熱器側省煤器出口369366350338361376預熱器入口煙道374371347322375373

3.2 超超臨界鍋爐選型設計及運行優化

通過對機組擬燃用煤種結焦特性分析和沾污傾向的模擬預測，對鍋爐參數進一步優化：加大了爐膛尺寸，容積熱負荷降低至63.9 kW/m3，充分考慮折焰角位置結渣、對流受熱面縱向間距、分隔屏底部切角結構等的設計優化，增加末級過熱器入口等位置吹灰器布置。

綜合參考項目鍋爐設計參數及煤樣燃燒特性，進行運行優化調試試驗后預測：

(1)鍋爐在燃用潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤時正常情況下結渣傾向性不強，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試驗及制粉系統的調試工作，避免因煤粉氣流飛邊、煤粉粒度偏粗、爐內局部熱負荷過高、燃燒器一次風速偏低等原因導致的鍋爐局部結渣，并在鍋爐實際運行過程中密切關注減溫水、再熱汽溫等參數，必要時加強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，低溫灰化后表現出的灰熔融溫度較低，因此不適合在75%THA以上的負荷單獨燃用，建議通過進一步的電廠試驗研究確定神華二礦煤的合適摻燒比例和摻燒方式。

因此，國電哈密一體化項目鍋爐在燃用潞新煤種時結渣傾向性不強，潞新類煤可作為鍋爐的適用煤種使用，但需做好鍋爐冷態試驗及制粉系統調整等前期工作，并在運行過程中鍋爐減溫水、再熱汽溫等參數，必要時加強吹灰頻次。經哈密大南湖項目實際投產后的運行驗證，實現了大比例摻燒高鈉煤不結焦且污染物達標排放的既定目標。

4 結論及展望

針對新疆地區高堿金屬含量的煤質容易引發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渣沾污機理與灰渣特性研究，得到的結論如下：

(1)煤種堿金屬含量對結渣的重要影響。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鍋爐結渣的可能性不大，但在燃用神華二礦煤時結渣的可能性較大。但75%THA工況下燃用神華二礦煤時鍋爐仍存在結渣的可能性。

(2)在鍋爐設計及運行優化，根據煤種分析機理選取爐膛熱力參數，完善選型設計及運行優化，能實現大比例摻燒高鈉煤不結焦且污染物達標排放的目標。

此外，這對高效、經濟、安全利用新疆地區儲量豐富的高鈉高鉀煤具有重要意義。