低温燃烧法在燃用准东煤锅炉上的应用

李鹏，曾琦，张大德，俞立洋

(新疆新特能源股份公司自备电厂，乌鲁木齐 830011)

1 问题的提出

准东煤田是近年来在新疆探明的特大型煤田，煤炭资源预测储量达3900亿t，是我国目前最大的整装煤田。准东煤田东到木垒县老君庙，南接古尔班通古特沙漠北缘，西起昌吉回族自治州阜康市东界，北到昌吉回族自治州北部卡拉麦里山南麓，东西长220 km，南北宽60 km，煤田产区面积约12000～14000 km2。准东地区煤炭储量大，煤层开采方便，运输相对便捷，属于优良的工业以及发电用煤。准东煤具有挥发分高、热值高、灰熔点低、易结焦的特性，但它还有水分高、中等发热值、强沾污性、强结焦性、碱金属质量分数高(尤其是氧化钙、氧化钠)的特点，上述特点极大地限制了准东煤在发电企业的应用。新疆地区电厂燃用准东煤后普遍出现炉膛结焦、受热面沾污、对流换热面积灰等问题，部分电厂甚至出现了被迫停炉的事故，严重威胁锅炉安全运行。随着掺烧准东煤比例的增大，结焦情况就越发严重。本文以新疆新特能源股份公司自备电厂(以下简称自备电厂)正在运用的低温燃烧法为基础，将其作为防止准东煤结焦和受热面污染的主要手段。

2 准东煤结焦机制分析

2.1 碱金属的质量分数影响

由于历史成因和当地特殊的自然地理环境，新疆准东煤的一个显著特点是煤灰中碱金属质量分数较高，碱金属氧化钠Na2O的质量分数(以灰分计)总体都在2%以上。根据经验，如果煤中Na2SO4和NaCl的质量分数较高时，就会有严重的结渣倾向。为有一个统一的对比尺度，通常将各种钠盐折算成Na2O，总体按Na2O给出。

碱金属形成的硫酸盐容易在高温过热器受热面上冷凝形成沾污。受热面沾污后换热效果下降，使管壁上污染物的温度升高，如果不能及时清除该沾污层，就会为进一步结渣提供条件，容易发生结渣。当温度为800～1000℃时，钠成分能和硅酸盐反应，并参与煤中矿物的反应，生成碱金属化合物。碱金属化合物在水冷壁管表面与金属互相作用，形成有黏性的硫酸盐及复杂的碱性硫酸铁。在沾污过程中，金属钠对沾污结渣的影响如图1所示。

图1 金属钠对沾污结渣的影响

锅炉内在高温火焰的作用下，碱金属会升华，燃烧温度越高，可升华的成分就越多。碱金属与SO3结合在一起，形成易熔的钠钾化合物，构成了易黏附灰垢的基础。当金属壁温高于600℃时，熔融状态的K2SO4和Na2SO4会发生高温腐蚀。K2O，Na2O和KCl，NaCl在灰中所占份额一般很少，但对灰熔点会有明显的影响。酸性灰渣中每添加1%的Na2O/K2O，可使灰的熔化温度下降17.7℃。

2.2 运行参数控制

对于四角切圆燃烧方式煤粉锅炉，在热态情况下，由于补气条件不同而造成射流偏离，实际燃烧切圆直径将是冷态下的假想切圆直径的7～10倍。维持合理的二次风与一次风合理的动量流率比，能有效地阻止热态切圆的扩大程度，从而防止燃烧火焰刷墙，减缓刷墙造成的水冷壁结焦。在运行中，应采取合适的措施，对运行参数进行控制，以预防锅炉结焦。

(1)一次风压过高，会降低煤粉在炉内的停留时间，使煤粉无法完全燃尽，这样，部分熔融状态的灰焦将黏附在受热面上，加剧结焦。同时使得假想切圆扩大，增加煤粉扫墙的几率。一次风压过低且携带煤粉的能力下降，会使运行磨煤机的出力降低，严重时导致运行磨煤机堵塞。

(2)如果燃烧准东煤时氧量过大，会使炉内附近的氧化主燃烧区气氛过浓，主燃烧区温度燃烧加强，可能会导致局部过热使结焦加剧。如果锅炉运行氧量偏低，炉内还原性气氛较强，煤的灰熔点就会下降，锅炉也容易结焦。

2.3 相关电厂的实践

(1)借鉴湖北宜化电厂在入炉煤中掺混高岭土的经验。准东煤中原始矿物质以石英、高岭石和方解石为主。煤中 CaO质量分数较高，掺入高岭土(Al2O3－2SiO2－2H2O)后，随着Al2O3质量分数的增加，煤中富余的 Al2O3消耗准东煤中的 CaO生成钙矾石，继而形成钙铝榴石等高熔点物质，可提高准东煤灰熔点。这种方式的缺点是掺入高岭土后增加了排渣量，大量的高岭土也会对磨煤机和炉膛内部磨损加剧。

(2)入炉煤洗钠。利用一定温度和压力的水溶液对准东煤冲洗，由于准东煤中的钠多且以可溶性形式存在于煤中，其孔隙结构发达，这些都有利于洗涤溶液进入煤炭主体内部对煤中的钠进行脱除，实际钠脱除效率可达50%。该方法的缺点是需增加1套洗钠设备，成本费用会显著增加且在大量洗钠过程中消耗大量的水。

(3)炉内喷除焦剂。除焦剂主要成分是助燃剂、膨化剂、催化剂、固硫剂等化学成分。锅炉除焦剂的工作原理是与结焦起化学作用，先使结焦松化并使之完全燃烧，最后化成轻灰，由烟道排出。在锅炉运行中，除焦剂由观测孔向火焰区喷入，在结焦分次剥落的同时，防止运行中结焦。该方法的缺点是除焦剂使用量较大，除焦剂成本费用较为昂贵。

(4)煤中加药法。在入炉煤中混入一些特殊的化学药品。这种药品可以降低入炉煤的结焦特性，能减缓结焦，属于一种比较新颖的方法，实际应用的成功案例不多。

3 低温燃烧法

在实验室采用国家标准测量的灰熔点与实际锅炉燃烧准东煤结焦温度相差较大。分析其原因主要是由于制灰过程中钠的逃逸。与低温制灰相比，常用的国际法在制灰过程中Na2O和K2O的逃逸率高达27.36%和84.27%，导致采用国家标准制灰中的碱金属质量分数比实际煤样中的低，灰熔融温度会比实际升高。因此，需要对现行煤质报告中的灰熔点需重新估算。资料表明，随着炉膛出口烟温升高，结焦特性将呈几何级数增长。炉膛出口烟温每降低50℃，结焦率就会大幅降低。炉内温度一旦高于灰熔点，结焦将急剧恶化。通过试验摸索，结合烟温测量的实际情况，炉膛出口烟温在1050～1100℃时，锅炉运行情况较好，没有流焦，也不会使结焦恶化。

目前，自备电厂主要通过控制对炉内温度有重要影响的变量来控制锅炉结焦，控制炉膛出口烟温在1150℃以下，锅炉能够满负荷稳定运行并且结焦可控。降低炉膛温度的方式包括以下几点:

(1)控制一次风率。如图2所示，随着一次风率的降低，一次风的动量流率随之降低，相应的二次风动量流率上升，加强了二次风“风包粉”的效果，减小了实际燃烧切圆，使炉膛燃烧更为集中，体现为燃烧温度的上升，同时，还减缓了火焰刷墙趋势。最上层喷燃器和锅炉分离燃尽风(SOFA)之上高度的炉膛烟温均随着一次风率的降低而有所降低。因为一次风率降低后，二次风比例增加，在炉膛下部燃烧加强，降低了燃料燃尽高度，炉膛烟温的降低会明显减缓炉内的结焦速度，因此，降低一次风率是有利于锅炉稳定运行的。通过试验，选取合适的一次风压数值，以8.0 kPa为宜。

图2 一次风率对炉内温度的影响

(2)氧量控制。燃用准东煤时，若氧量过大会使炉内的氧化气氛过浓，主燃烧区燃烧加剧，容易导致局部过热造成结焦。如果氧量过低，使燃烧区还原性气氛过浓，部分煤粉在炉膛区未燃尽，会在炉膛顶部和过热器区域燃烧放热，导致过热器、再热器结焦。

(3)煤粉细度与着火距离的关系。煤粉细度与着火距离的关系曲线如图3所示。从图3的煤粉细度与着火距离关系曲线可以看出，随着煤粉平均粒径增大，着火推迟。若煤粉粒径太小，则着火并没有显著提前。通过实践，分离器挡板开度在35%时，煤粉细度较为合理。

图3 煤粉细度与着火距离的关系曲线

(4)提高磨煤机的出口温度。由于准东煤的全水分为27.2%，磨煤机干燥出力无法满足要求，主要原因是磨煤机出口温度较低。实践经验表明，磨煤机出口温度应尽量保持在高位运行。磨煤机运行时，磨煤机出口温度控制在70℃左右，此时热风门开度在70%以上，冷风门在30%以下调节磨煤机出口温度。进入磨煤机的总风量与煤量的比值维持在2∶1。磨煤机入口风量过大，可能会导致炉内局部燃烧剧烈而过热。

(5)分仓上煤。自备电厂#1，#2锅炉的入炉煤主要由天池能源煤矿表层矿供给，辅助井供掺混煤。露天煤的特性是易燃烧、难燃尽。燃用准东煤的灰渣极易沾污水冷壁以及对流受热面，造成锅炉结焦。为了缓解锅炉的结焦，自备电厂采用分仓上煤，锅炉设计煤低位发热量为18.6 MJ/kg，设计软化温度为1040℃，天池能源露天矿的煤质低位发热量虽然和设计入炉煤接近，但其灰熔点温度远远低于设计煤种的灰熔点温度。采用分仓上煤的方式，将易结焦的天池能源露天矿煤在下层原煤仓上煤，将不易结焦的井工煤在上层原煤仓上煤。从整体上降低入炉煤的热值达到18 MJ/kg，来实现低温燃烧，其理论燃烧温度约为1400～1600℃，炉膛实际燃烧温度在1100℃左右，采用低温燃烧方法作为防止准东煤结焦和受热面污染的主要手段。

4 试验验证

4.1 锅炉概况

自备电厂2台锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造的超临界锅炉，锅炉型号为HG－1176/25.4－HM2。自备电厂锅炉的主要参数见表1。

目前自备电厂的主力煤源为新疆天池能源南露天矿煤，天池能源煤质化学成分见表2。

准东煤的固定碳的质量分数较高，全水分较高，挥发分较高，而且碱金属质量分数也较高，上述因素给准东煤掺烧带来极大的困难。

4.2 试验结果显示出准东煤掺烧比例对炉增加膛烟温分布的影响

在已有经验的基础上，选择基准氧量4%、一次风压8.0 kPa、束腰型配风方式和煤粉细度25%(R90)为试验数据，磨煤机组合方式为 A，B，C，D，F磨煤机运行，E磨煤机备用，在不同的工况下，保证上煤方式稳定。

表1 锅炉主要设计参数

表2 天池能源煤质化学成分

工况1:准东煤的掺烧比例为50%，A，B，C，D磨煤机上准东露天煤与井工煤混煤(准东煤与井工煤比例为1∶1)，E，F磨煤机上准东煤与井工煤混煤(准东煤与井工煤比例为1∶1)。

工况2:准东煤的掺烧比例为70%，A，B，C，D磨煤机上准东露天煤与井工煤混煤(准东煤与井工煤比例为6∶4)，E，F磨煤机上准东煤与井工煤混煤(准东煤与井工煤比例为1∶1)。

工况3:准东煤的掺烧比例约为80%，A，B，C，D磨煤机上准东露天煤与井工煤混煤(准东煤与井工煤比例为8∶2)，E，F磨煤机上准东煤与井工煤混煤(准东煤与井工煤比例为1∶1)。

炉膛烟温分布试验结果如图4所示。在图4中，编号1，2对应#1角位置，编号3，4对应#2角位置，编号5，6对应#3角位置，编号7，8对应#4角位置。

图4 炉膛烟温分布试验情况

由图4可知，工况1的整体温度最低，其次是工况2，工况3总体温度分布范围最大。工况2与工况3的局部温度差较大。其中工况3掺烧比例已经为80%，在炉内SOFA之上温度分布很不均匀，易发生局部过热。局部温度超过灰熔点，炉膛结焦。

掺烧比例提高后，进入炉膛的准东煤量增加，主燃烧区域上移且炉内温度增加。煤粉很难在SOFA以下燃尽，很多未燃尽的煤粉在SOFA及以上区域继续燃烧放热。炉膛出口温度上升明显。炉膛上部即EF层喷燃器以上的温度也随掺烧比的提高明显升高。如果对此种燃烧工况不采取降低燃烧温度的措施，炉膛会发生大量结焦和沾污。

4.3 试验验证

锅炉进行了为期1周的大负荷试验:(1)机组超负荷运行(额定1120 t/h，运行在1150 t/h)，掺配比例维持在80%;(2)2台锅炉无流焦，捞渣机渣量、渣块的颜色正常;(3)#1，#2机组先后降负荷至230MW，稳定运行4 h，锅炉未发生大量掉焦。

通过试验摸索，#1锅炉的准东煤掺烧比例由40%提高至80%，经过试验验证，#1锅炉在额定负荷条件下掺烧80%准东煤是完全可行的，在井工煤性能稳定的条件下，也具备了90%掺烧准东煤的可行性。

5 结论

根据西安热工研究院对准东煤的研究结果:“燃用准东煤结焦是不可避免的。”在关键技术没有获得突破之前，对于火电厂来说，控制炉膛各处温度低于灰熔点温度是低温燃烧法的关键。采用各种手段，控制炉膛截面热负荷和容积热负荷是现阶段燃用准东煤的关键。通过验证，找出了一些在锅炉设计上可以进行优化的关键点，如增加吹灰器、密布炉膛温度测点、加大炉膛高度、分层燃烧器布置等措施都是低温燃烧法的关键点。

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