液態排渣爐低鈉煤摻鹽試驗

許天瑤

（中電華創（蘇州）電力技術研究有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

液態排渣爐[1]是煤粉爐的一種，爐膛內部溫度高于固態排渣鍋爐，煤粉中的灰分在高溫下呈液態由爐膛底部的出渣口排出。雖然采用液態排渣的方式增加了熱損失，降低了鍋爐的效率，但液態排渣有許多優點，如：強化燃燒[2]、避免結焦、提高捕渣率、減少飛灰量和尾部受熱面磨損等。1999 年華能北京熱電廠一期工程4 臺830 t/h液態排渣塔式直流鍋爐投產使用，裝機容量770 MW，標志著我國液態排渣技術的成熟。

我國高堿煤儲量豐富，2005 年在新疆準東發現了一個巨大的煤田，估計儲量為3900 億噸，這是中國最大的整裝煤田，按目前我國煤炭年使用量計算，一個準東煤田就夠全國使用一百年[3]。但是高堿煤堿金屬含量高（主要是Na）[4,5]、酸性組分含量低[6]、熔點低[7]，且灰渣在高溫下黏度較低，因此，高堿煤在固態排渣爐中燃燒時會出現嚴重的積灰結渣現象[8]，甚至會導致安全事故。烏魯木齊某電廠在實際摻燒40%～70%的高堿煤后出現水冷壁結渣影響吸熱、爐膛出口煙氣溫度過高、受熱面沾污嚴重、飛灰堵塞煙道等問題[9]。高堿煤灰分含量低、灰熔點低，可以降低鍋爐運行溫度，適用于液態排渣鍋爐[10-12]。蘭德輝等[11]設計搭建了一臺液態排渣臥式旋風試驗爐，選取新疆沙爾湖高堿煤為實驗煤種進行燃燒試驗，結果表明：爐內溫度分布均勻，液渣對灰顆粒及Na等堿金屬有較強的捕集能力，液態排渣爐能夠有效緩解高堿煤燃燒中的沾污結渣問題。

本文在某燃煤電廠液態排渣鍋爐上進行低鈉煤摻Na 鹽（碳酸鈉）試驗，探索實際發電中液態排渣鍋爐全燒高堿煤的可行性。

1 試驗

1.1 鍋爐設備

鍋爐設備為2×300MW 燃煤發電機組，設計煤種為山西神木煤，鍋爐由德國BABCOCK 公司制造，與上海汽輪廠和美國西屋公司聯合制造的C300-16.7/538/538 汽輪機配套使用。鍋爐型式為：亞臨界、一次中間再熱、直吹式制粉系統、雙燃燒室（W 火焰）、100%飛灰復燃、液態排渣、塔式直流爐，主要設計參數見表1。鍋爐左右對稱布置兩個渣室、一個燃盡室和一個豎直煙道，形成雙U 形爐塔式結構。在每個渣室頂部，八臺低NOX旋流燃燒器錯開布置成兩排。一次風煤粉和二次風I、II 垂直下射著火，在熔渣室下方側墻水平噴入三次風I 后，大部分燃燒完成，高溫煙氣經捕渣屏后拐彎交匯流入燃盡室，由前后墻側加入三次風II，在完全燃燒后，上升到垂直煙道中，依次向上流經5 級過熱器、2 級再熱器和省煤器。煙道向下轉彎，經脫硝、回轉式空氣預熱器、靜電除塵器和脫硫后通過煙囪排入大氣。在渣室中安裝衛燃帶，以減少水冷壁的熱量吸收，并形成更高的燃燒溫度。部分灰燼形成液態渣，收集在渣室底部，通過排渣口進入渣池。

表1 300MW 液態排渣電站鍋爐參數

1.2 試驗煤種

低鈉煤摻鹽試驗在該液態排渣爐中進行，煤種選取為電廠常用煤種神華煤，工業分析和元素分析見表2，灰成分分析見表3。

表2 神華煤工業分析及元素分析

表3 神華煤灰成分分析

可見，電廠常用煤種神華煤Na 含量為2%，屬于低Na 煤，SO3含量極低，酸性組分（SiO2和Al2O3）含量很高，占到灰分的70%以上。堿性組分（CaO 和Fe2O3）含量很低，均在6%以內，屬于中等結渣煤。

1.3 試驗方案

神華煤摻鹽試驗的目的是為后續在液態排渣爐中全燒高堿煤做前期實驗，由于Na2SO4等Na鹽會產生高溫腐蝕，對鍋爐的安全運行不利，故選取碳酸鈉摻燒。通過現有液態排渣鍋爐的添加物摻燒系統將經研磨后的鈉鹽加入鍋爐中，實現鈉鹽摻燒。試驗在無摻燒、單渣室摻燒以及雙渣室摻燒三種工況下進行，摻混比例分別為0%、3.5%和5%，其中3.5%和5%均指添加量按折算后Na2O 在低溫灰中的質量分數。各工況在穩定燃燒一小時以后開始試驗，對機組原始工況進行監測記錄，并取灰渣樣品進行留存，持續試驗八小時。在省煤器出口撞擊式飛灰取樣處采集飛灰樣，確定試驗工況穩定后，每小時1 次；確定試驗工況穩定后，在撈渣機排放口使用流渣取樣器接取渣樣，30 分鐘1 次。收集到的灰渣樣品在實驗室用石英研缽破碎研磨至過200 目篩，得到的樣品分別進行XRD 物相分析、XRF 成分分析和FSEM 微觀形貌分析。通過上述分析可以確定液態排渣爐的灰渣中的主要礦物組成、主要元素占比等，根據三種工況下的分析結果可以了解煤中礦物的遷移轉化特性。

2 試驗結果與討論

2.1 灰渣礦物結構

采用X 射線衍射儀對三種工況下省煤器出口撞擊式飛灰取樣處飛灰與出渣口液渣樣品進行測試，測試結果圖如圖1 所示。由XRD 分析結果圖可知：無論是哪種工況下，液渣中礦物幾乎均以非定形物質形式存在，無明顯峰位可識別；飛灰中的礦物以二氧化硅、氧化鈣、碳酸鈣、硫酸鈣等礦物為主。無摻燒工況下出現了CaSO4的衍射峰，而單渣室與雙渣室摻燒工況下則未見CaSO4，取而代之的是CaCO3，這與唐明圖等[13]的研究結果一致。因此，推斷在加入碳酸鈉作為Na 源的條件下，碳酸鈉中的碳酸根離子與原煤中Ca 結合，生成了CaCO3，三種工況下的飛灰XRD 分析區別較小。根據神華煤低溫煤灰XRF結果，灰中二氧化硅含量達到57.67%，因此，三種工況下飛灰中的二氧化硅峰強度均很強。Ca 基礦物在飛灰中出現富集，另有少量硅鋁礦物。

圖1 神華煤摻鹽試驗XRD 分析

2.2 灰渣組分

運用波長色散型X 射線熒光光譜儀WD-XRF對三種工況下省煤器出口飛灰與出渣口液渣樣品進行測試，液渣及飛灰成分分析分別見表4和表5。由表4、表5 可知，灰樣中Na2O 的百分比隨著碳酸鈉摻混比例的增加而有所增加，根據前期實驗及文獻檢索可知，在高溫下（尤其在1400 ℃以上），渣樣中的Na 含量會大幅度降低，因此對于空白組而言，液態排渣的方式起到了很好的捕鈉效果。然而，隨著摻混比例的增加，渣樣中的Na 含量未能達到類似的增加效果。

表4 液渣成分分析

表5 飛灰成分分析

分析可能原因如下：(1)雖用碳酸鈉摻混使得煤中的Na 含量達到高堿煤中的含量，但碳酸鈉始終與高堿煤中的原生Na 不一樣。新疆高堿煤中原生Na 有硅酸鈉、硫酸鈉、霞石、鐵藍閃石等[14]，實際的反應機理與特性可能與高堿煤不一致；(2)文獻研究顯示，高堿煤灰捕捉Na 是可行的，但過多的Na也會使液渣的捕鈉能力達到飽和，因此，對于后兩組摻鹽樣品未能實現較好的捕鈉效果。(3)隨著Na 含量的增加，可能會有更多的氣相的Na 逃逸，未來得及和液渣反應便附著于飛灰之上離開了燃燒區域。

對比液渣的成分分析可知，飛灰中的Na 含量遠高于液渣中的Na 含量，且隨著摻燒比例的增加，飛灰中Na 含量也隨之急劇上升，這一現象與上述液渣的成分分析相吻合。碳酸鈉在1100℃開始快速揮發至氣相中，而液態排渣爐中的溫度超過1600 ℃，在高溫下，碳酸鈉極速揮發分解進入氣相中并附著于飛灰上，這也導致了飛灰中Na 的富集。

2.3 液渣微觀形貌與組分

選取三種工況下的液態渣進行FSEM 微觀形貌分析，結果如圖2 所示。可見，無摻燒工況下，渣樣表面較為光滑平整，零星散落一些白色碎屑，應為二氧化硅等難熔礦物形成；單渣室摻燒工況下，渣樣表面形貌未有明顯變化，出現片狀碎屑；雙渣室摻燒工況下，渣樣表面片狀碎屑與細小顆粒增多。

圖2 神華煤摻鹽試驗XRD 分析

可見表面的EDS 分析（僅分析Na 元素含量）如表6 所示。結果顯示，隨著摻燒比例由0%～5%逐漸增加，液態渣中Na 元素含量也隨之增高，這一結果與XRF 分析結果一致

表6 液渣微區能譜分析

3 結語

1) 液態排渣爐中，高溫下形成的液渣中礦物主要以非定形物質的形式存在，而飛灰中主要存在礦物以含Si、Ca 礦物為主，碳酸鈉的摻混促使硫酸鈣轉化為碳酸鈣，摻混碳酸鈉后XRD 分析中未見含Na 礦物。

2) 隨著摻鹽比例的增加，飛灰中Na 含量迅速升高，而液渣中Na 含量增加得不明顯，Na 富集在飛灰中，這與碳酸鈉高溫下易揮發的特性有關。

3) 液態排渣起到了一定的捕Na 效果，但摻鹽效果可能與實際高堿煤不一致，需要進一步試驗研究。