五彩湾煤燃烧特性的试验研究

李 红， 王桂芳

（1.中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011；2.西安热工研究院有限公司，西安 710032）

新疆五彩湾煤具有水分高、灰分低、热值中等及煤灰中碱金属（尤其是CaO和Na2O）含量高等特性，近几年由于该煤种煤矿储量大、价格较低而在新疆地区现有锅炉中逐步得到使用.其燃用结果表明，由于与实际锅炉设计煤种存在较大差异，受制粉系统出力、炉膛结渣以及受热面沾污等影响，锅炉只能部分掺烧该煤种，目前国内尚无完全燃用该煤种的锅炉设计与运行经验.

对于新建锅炉，在确保其安全、经济和环保的基础上，如何选择设计煤种和校核煤种且尽可能地提高五彩湾煤的掺烧比例，并使新设计锅炉在燃用混煤时达到炉膛结渣倾向降低到保证锅炉满负荷、长期、连续安全运行而不致影响其可靠性的要求，具有重要的研究价值和意义.笔者依据相关标准，利用国内最先进的试验装置对五彩湾煤、乌东煤及其混煤进行详尽的煤质特性试验、燃烧及结渣性能试验，并在200 k W沾污试验台上开展了沾污性能试验，最后确定了设计煤种和校核煤种.这些工作的开展对相关锅炉设备与磨煤机的选型、设计和制造提供了必要的依据和参考.

1 试验研究内容与结果分析

按照相关标准和原则［1－4］，通过对五彩湾煤和乌东煤煤质组分及基本特性的分析，确定对五彩湾煤、乌东煤及其不同掺烧比例的混煤共5种试验煤样进行全面的常规和非常规试验分析.5种试验煤样为五彩湾煤、混煤1（m（五彩湾煤）∶m（乌东煤）＝7∶3）、混煤2（m（五彩湾煤）∶m（乌东煤）＝6∶4）、混煤3（m（五彩湾煤）∶m（乌东煤）＝5∶5）和乌东煤.

煤样的试验分析按照DL/T 831—2002《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》［2］的要求进行，主要试验内容包括：

（1）煤样的物理化学特性：煤的基本性能测试和环保评价指标.煤的基本性能测试包括工业分析、元素分析、发热量、可磨性（HGI）、灰熔点、灰成分、煤的真实密度、堆积密度和煤灰的堆积密度；环保评价指标包括煤中游离二氧化硅、煤中微量元素以及有害元素的含量；

（2）一维火焰炉燃烧与结渣试验：燃尽率Bp、着火距离L、结渣指数Sc、火焰和燃烧分布曲线以及煤种着火、燃尽和结渣性能测试；

（3）煤粉气流着火温度的测试：煤粉气流着火温度；

（4）磨损指数测试：磨损指数Ke和磨煤机选型用指标；

（5）200 k W沾污试验台的沾污性能试验：混煤煤样的沾污性能和沾污机理；

（6）其他试验：比电阻测试、半工业性磨煤机试验及1 MW半工业性燃烧试验等.

1.1 试验煤样的物理化学特性

五彩湾煤和乌东煤以及两者混煤的煤质特性数据见表1.由表1可知，五彩湾煤属于高水分、低灰分、中高热值的长焰煤，而乌东煤则属于低水分、中等灰分、高热值的烟煤.五彩湾煤与乌东煤最大的差异在于灰成分指标，五彩湾煤的Fe2O3、CaO、MgO和Na2O等碱金属的质量分数高，而乌东煤的碱金属质量分数低，尤其是Na2O的质量分数仅为0.68%，这使得掺烧乌东煤对减轻高温对流受热面沾污非常有效.

由表1还可以看出，2种煤掺烧后，随着乌东煤掺烧比例的增大，混煤的主要特点表现为：水分质量分数降低，有利于提高磨煤机干燥出力；而灰分、硫分质量分数则略有升高，但不用过多考虑；发热量增大；可磨性指数降低，需要考虑由此带来的对磨煤机研磨出力的影响；着火温度略有升高，燃尽率则略有降低.由于2种煤均为燃烧性能优良的煤种，其混煤仍属于燃烧性能优良的煤种.

1.2 燃烧及结渣性能分析

1.2.1 着火性能

采用工业分析指标、煤粉气流着火温度及一维火焰炉着火距离L1和L2等指标来判别试验煤样的着火特性，通过对试验数据的整理和分析，最终判别结果显示试验煤样均为极易着火煤种，均具有优良的着火性能.图1给出了五彩湾煤掺烧乌东煤后煤粉气流着火温度的变化.由图1可知，乌东煤的着火性能较五彩湾煤差，随着乌东煤掺烧比例的增大，混煤的煤粉气流着火温度呈升高趋势.

图1 乌东煤掺烧比例对混煤煤粉气流着火温度的影响Fig.1 Effects of Wudong coal blending ratio on ignition temperature of the coal mixture

1.2.2 燃尽性能

采用工业分析指标、一维火焰炉着火燃尽率等指标来判别试验煤样的燃尽特性，通过对试验数据的整理，最终判别结果显示试验煤样均为易或极易燃尽煤种，试验煤样具有优良的燃尽性能.图2给出了五彩湾煤掺烧乌东煤后燃尽率Bp的变化.由图2可知，乌东煤的燃尽性能较五彩湾煤略差，随着乌东煤掺烧比例的增大，混煤的燃尽率呈下降趋势，但总体而言，试验煤样的燃尽率均在98%以上.

表1 2种煤及其混煤的煤质特性Tab.1 Properties of Wucaiwan coal，Wudong coal and their mixtures

图2 乌东煤掺烧比例对混煤燃尽率的影响Fig.2 Effects of Wudong coal blending ratio on burnout rate of the coal mixture

1.2.3 结渣性能

采用灰熔点、灰成分类型结渣指数及一维火焰炉结渣指数等指标来判别试验煤样的结渣性能，通过对试验数据的整理和研究，判别结果显示试验煤样均为严重结渣煤种，锅炉设计中需重点考虑防结渣措施.

表2给出了试验煤样在一维火焰炉中的结渣试验结果，其中沿炉膛内烟气流动方向上分别布置6个测点.由表2可知，试验煤样在1 200℃左右的烟气温度下就出现了最为严重的熔融渣型，锅炉设计中需引起足够重视.

1.2.4 专家系统对试验煤样主要特性的最终评价

通过煤性－炉型耦合专家系统对试验煤样煤质质量标准划分结果和试验煤样沾污、腐蚀、磨损性能以及试验煤样燃烧与结渣特性的最终评价，可以得到试验煤样的煤质特性如下：五彩湾煤由于煤灰中碱金属（尤其是Na2O）的质量分数较高，具有严重沾污倾向，而乌东煤为低沾污倾向煤种，因此可通过掺烧乌东煤来减轻五彩湾煤的沾污.

表2 试验煤样在一维火焰炉中结渣试验结果Tab.2 Experimental slagging results of coal samples in a one－dimensional furnace

2 200 k W沾污试验台沾污性能试验

煤中碱金属质量分数较高，锅炉对流受热面容易沾污、积灰，形成烟气走廊及造成管道磨损泄漏等，最终导致锅炉受热面传热能力下降、排烟温度升高、锅炉热效率降低.沾污严重时将造成局部烟道堵塞，甚至出现磨损爆管，影响锅炉的安全运行.

2.1 已有煤灰沾污性能判别指标的判定

目前，已有的煤灰沾污性能判别指标主要有以下2种.

（1）按照国内外的研究经验，采用煤中当量Na作为煤灰沾污性能判别准则.煤中当量Na的计算公式［3，5］如下

式中：w（Na2O）和w（K2O）分别为煤灰中Na2O和K2O的质量分数，%；w（Ad）为煤的干燥基灰分质量分数，%.

煤中当量Na作为煤灰沾污性能判别指标的判断分级界限见表3.试验中混煤3的煤中当量Na为0.5%，根据表3可知该指标属于高沾污等级.

（2）另外一种常用的判别指标为［5］

式中：w（B）＝ w（CaO）＋w（MgO）＋w（Fe2O3）＋w（K2O）＋w（Na2O），w（A）＝ w（SiO2）＋w（Al2O3）＋w（TiO2），上述均为各种成分在煤灰中的质量分数，%；Rul为沾污指数，%.

表3 煤灰沾污性能判别准则1Tab.3 Criterion 1 for contamination evaluation of coal ash

Rul作为煤灰沾污性能判别指标的判断分级界限见表4.试验中混煤1的Rul为1.559%，该数值已达到严重沾污的判别等级，表明混煤1具有严重沾污倾向.

表4 煤灰沾污性能判别准则2Tab.4 Criterion 2 for contamination evaluation of coal ash

上述2种判别指标均显示混煤1具有严重沾污倾向，因此锅炉选型中的重中之重就是考虑防沾污.

2.2 200 k W沾污试验台试验结果

在西安热工研究院有限公司（TPRI）的200 k W沾污试验台上对五彩湾煤掺烧30%、40%和50%乌东煤的混煤进行了沾污性能测试.通过对过热器上积灰的观察发现积灰主要发生在水平烟道第一级过热器上，而沿着烟气流程以后的过热器上积灰相对较少.

图3给出了燃烧3种混煤时水平烟道内的有效传热系数随时间的变化，其中在120 min时进行吹灰操作.由图3可知，随着煤粉在炉内燃烧过程的进行，有效传热系数越来越小，沾污越来越严重.随着乌东煤掺烧比例的增大，混煤的有效传热系数有增大的趋势，并且吹灰后的有效传热系数增大得更明显.混煤1吹灰后的有效传热系数为0.918，有效传热系数较小，但仍在锅炉受热面设计允许范围内.随着乌冬煤掺烧比例的增大，吹灰后的有效传热系数有所增大，其沾污性能也有所减轻.这就需要在锅炉燃用高掺烧比例五彩湾煤时考虑布置足够的吹灰器，以保证受热面的沾污和结焦能够被及时清除.

图3 燃烧3种混煤时水平烟道内第一级过热器的有效传热系数随时间的变化Fig.3 Comparison of effective heat transfer coefficient of primary superheater in horizontal flue among three coal mixtures

由上述分析可以看出，试验煤样属于严重结渣、沾污煤种，其沾污形成的基本原理是煤燃烧时释放出来的Na和K与烟气中的SO3反应生成气态的Na2SO4和K2SO4，这些产物扩散及凝结在温度较低的管壁上.沾污层被长时间高温烧结形成致密的积灰层，具有较高的强度而变得难以清除.锅炉过热器或再热器上的积灰一般由内、外2层组成，内层积灰中Na2O、K2O和SO3的质量分数高，它们对受热面具有高温腐蚀作用，而外层有着类似于飞灰的成分.进一步分析表明，煤灰中Na和Ca对沾污的影响最大，其次是Si和Fe，而Al通常可以减轻沾污.

根据温度和时间对积灰烧结强度的影响，控制沾污和结渣的主要措施是避免炉膛出口烟气温度过高、两侧烟气温度偏差过大以及在沾污层变得难以清除前将其及时清除.在煤种一定的情况下，控制炉膛出口受热面沾污的主要措施包括：（1）在屏区和高温对流受热面配备足够的吹灰器，建议在高温过热器和低温过热器区域每3 m安装一个长伸缩式蒸汽吹灰器；（2）选取较低的炉膛出口烟气温度和屏底烟气温度，控制炉膛出口两侧烟气温度偏差，避免某一侧烟气温度过高而引起沾污和结渣；（3）建议运行后通过试验确定合理的吹灰方式，并调整理想的吹灰器蒸汽压力；（4）建议炉膛内布置一定数量的短伸缩式吹灰器，并在对流受热面及尾部烟道布置一定数量的长伸缩式吹灰器.

3 设计煤种和校核煤种的推荐

通过比较不同掺烧比例混煤的试验结果，认为在燃用混煤1时，通过在沾污和结焦受热面上加装吹灰器，选择合理的吹灰频率，可以将各级受热面的有效传热系数控制在可控范围内.考虑到设计煤种选取了掺烧比例较大的五彩湾煤，为避免五彩湾煤中Na质量分数向高值波动或配煤不均匀而导致的锅炉严重结焦和沾污问题，推荐选取混煤3作为校核煤种.

表5给出了校核煤种与设计煤种的煤质偏差.根据原电力工业部1993年下发的《加强大型燃煤锅炉燃烧管理的若干规定》（电安生［1993］540号）中的电厂燃煤允许偏差，该校核煤种与设计煤种的全水分质量分数、收到基低位发热量和可磨性指数等均在允许偏差范围内.

表5 校核煤种与设计煤种的煤质偏差Tab.5 Coal quality deviation between checking and design coal

4 结 论

（1）五彩湾煤和乌东煤均为严重结渣煤种，两者掺烧后的混煤仍具有严重结渣倾向.

（2）五彩湾煤中碱金属（尤其是Na2O）的质量分数较高，具有严重沾污倾向，而乌东煤为低沾污倾向煤种，因此通过掺烧乌东煤可以减轻五彩湾煤的沾污.实际燃烧过程中需要布置适当的吹灰装置以控制受热面的沾污和结焦.

（3）推荐选用m（五彩湾煤）∶m（乌东煤）＝7∶3的混煤1和m（五彩湾煤）∶m（乌东煤）＝5∶5的混煤3分别作为设计煤种和校核煤种.

［1］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 466—2004电站磨煤机及制粉系统选型导则［S］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 831—2002大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则［S］.北京：中国电力出版社，2002.

［3］王云刚，赵钦新，马海东，等.准东煤灰熔融特性试验研究［J］.动力工程学报，2013，33（11）：841－846.WANG Yungang，ZHAO Qinxin，MA Haidong，et al.Experimental study on ash fusion characteristics of Zhundong coal［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（11）：841－846.

［4］相大光，姚伟，高海宁.电厂用煤煤质评价指标相关性研究及测试评价方法［R］.西安：电力工业部热工研究院，1996.

［5］姚伟，相大光.半工业性试验与TPRI煤性试验评价体系［R］.西安：西安热工研究院有限公司，1997.