准东煤的燃烧特性及对策分析

赵乐强

(中国电力规划设计协会，北京 100120)

准东煤的燃烧特性及对策分析

赵乐强

(中国电力规划设计协会，北京 100120)

准东煤为低灰份、低硫、低中灰熔点、高水分、高挥发份、中高热值、高Na、高Ca，属于强结焦性、强沾污性燃料。煤中的高钠含量是导致燃高钠煤锅炉受热面沾污、结渣的主要影响因素。在目前的锅炉设计技术下，采取适当优化措施，同时综合运用运行控制、原料预处理、增加添加剂等都方面的手段，初步可以解决准东煤在煤粉锅炉上燃用问题。

准东煤；沾污；结渣；控制措施。

1 概述

新疆准东地区煤炭由于历史成因和当地特殊的自然地理环境，准东煤碱金属氧化钠Na2O的含量(以灰分计，下同)总体都在2%以上，有的煤种Na2O的含量甚至高达10%，远高于其他地区动力用煤(中国国内动力煤氧化钠Na2O的含量都在1%以下)。而煤的高钠含量会导致燃用准东煤的锅炉出现结渣、沾污和积灰等问题，严重影响了锅炉的正常运行，主要表现在：水冷壁结渣严重，炉内吹灰器频繁吹灰，冲刷水冷壁，造成水冷壁减薄容易爆管；使高温过热器、高温再热器管壁腐蚀严重，影响受热面传热，同时易造成泄漏。

受炉膛结渣以及高温对流受热面沾污严重的影响，新疆地区在役电厂锅炉均采用掺烧的方法燃用该煤种，掺烧比例一般只能达到50%左右，大大限制了该煤种在煤粉锅炉中的使用。

2 准东煤煤质特性

不同矿区的煤质有着很大的区别，尤其是在煤灰成分的组成上面，差异很大。从煤的水分、挥发分和堆积密度轻等方面来推断，其燃烧特性接近于褐煤。从煤灰的成分含量来看，碱金属含量很高，且变化范围很大，其中氧化钙CaO的含量在6%～70%；氧化钠Na2O的含量总体在2%以上，最高可达10%以上，远高于其他国产动力煤1%以下的含量；二氧化硅SiO2的含量变化范围在6%～60%之间，三氧化二铝Al2O3的含量则在15%～25%之间。在部分煤矿(五彩湾和木垒煤矿)的灰分中，三氧化硫SO3的含量也高达20%～35%。

综合分析准东煤煤质具有如下特点：

(1)原煤水分相对较高，为中高水分(20%～30%)，高于国内常见烟煤的水分、低于褐煤的水分。随着开采水平的延伸，全水分有降低的趋势。煤阶低，含内水8%～12%，平均值9%。

(2)中等发热值。

(3)煤质堆积密度小。

(4)煤灰中碱金属含量较高，3%～8%，最高可以达到10%以上，具有强沾污性；不同矿区灰熔点波动较大，灰熔点最高可达到1500℃(按标准方法测定)。

(5)准东煤挥发分中等，收到基挥发分20%，干燥无灰基挥发分31%。特低灰分，收到基灰分通常在3%～10%之间，干基灰分4%～12%，平均值6%。含氧量相对较高。其煤质介于年轻烟煤与褐煤之间，偏向于褐煤。煤自身的燃烧性能较强，易着火，易燃尽。燃烧组织过程中一次风量和煤种含氧量即可满足大部分燃烧过程氧量的需求。

(6)煤灰中Ca含量相对较高，20%～40%，最大超过60%，含量波动范围较大。

(7)大部分准东煤属于低硫煤。

3 准东煤燃烧特性

准东煤属于低铝、高钙、高钠型煤种，与其它动力用煤相比，其灰中碱性成分含量很高。由于传统分析方法中的灰化温度下煤中的部分碱金属挥发逃逸，因此，常规方法测出的的碱金属含量(以灰分计)无法反映煤中碱金属的真实含量，也不能用之进行煤质沾污、结渣等判断。准东煤在一维火焰炉中的燃烧特性测试结果表明，试验用准东煤样在燃烧过程中其煤灰熔融时对应的温度(1080～1239℃)远低于按照国家标准测得的煤灰熔点温度(开始软化温度(Softening Temperature, ST)≈1330～1460℃)，而且新疆准东煤在锅炉内燃烧过程中存在着严重的结渣趋势(见图1)，这一点在锅炉设计和运行中必须予以足够重视。

图1 燃准东煤炉膛结渣情况

准东煤灰碱酸比B/A一般均大于1.5，B/A×Na2O一般大于10，属高沾污性煤种。燃烧试验表明，准东煤灰沾污一般发生在温度较低区域(1000℃以下)，且成灰致密，清灰处理困难。表1为一维火焰炉中受热面两侧的图谱分析，由图谱分析可以得出，燃烧准东煤锅炉受热面积灰分析中钠、氯、硫含量高，沾污严重。在200 kW试验台上的试烧结果也表明，在760～910℃炉膛出口烟温范围内，过热器的沾污始终属于“严重”等级，即使吹灰后其传热系数也只能恢复至清洁时的85%左右。以上试验结果与实际运行情况相符。因此，锅炉燃用准东煤时具有严重的沾污趋势，在设计和运行时需要采取适当的预防及应对措施。

表1 一维火焰炉中受热面两侧图谱分析

4 准东煤在电厂中应用现状

目前实际燃用准东煤的锅炉机组容量基本在330 MW及以下，而且现有锅炉基本上按照低钠含量的井工煤设计，采取的防结渣、防沾污措施较少。燃准东煤锅炉普遍存在锅炉负荷不足，主蒸汽、再热汽超温；炉膛、屏区、高再区域结渣严重，其它区域在停炉后检查发现沾污严重；制粉系统出力不足等各类问题。目前，锅炉控制结渣的手段一般有：控制炉膛出口烟温(燃烧调整、采用较细煤粉等)；变负荷、变制粉系统、变工况运行；吹灰；掺烧井工煤(灰分大效果更好)。锅炉控制沾污的手段较少，基本上采用掺烧、吹灰和定期停炉清灰等。

准东高钠煤在使用过程中存在的主要问题是结焦严重，从目前已投运燃用准东高钠煤锅炉运行情况来看，在燃烧器喷口、炉膛、高温对流受热面、中温对流受热面以及低温对流受热面均发现了比较严重的结焦现象，见图2。

图2 燃用准东高钠煤锅炉结焦情况

现役锅炉在燃用准东高钠煤过程中总体上呈现如下特征：

(1)掺烧比例突破50%难度较大，掺烧比例的高低同井工煤性能有直接关系；与锅炉负荷高低也有密切关系，一旦负荷超过某一临界负荷结焦发展速度非常迅速，准东煤掺烧能力大幅度下降。

(2) 炉膛结渣主要发生在燃烧器上方，为半熔融灰渣。

(3)水平烟道高温热面结渣沾污严重，主要发生在弯头向上1～2 m处。水平烟道底部易积灰。

(4)燃用准东煤过程中吹灰频率显著增加，大比例掺烧、高负荷运行情况下需要进行连续吹灰。

(5)即使对于灰熔点大于1350℃的准东煤，依然存在严重的结焦问题。

5 准东煤燃烧的解决方案

针对准东煤的燃烧特点，可以通过合理设计锅炉、控制燃烧、燃料增加添加剂及燃料预处理、合理配煤、换热面预处理等多种方式解决，主要解决方案如下。

5.1 锅炉设计

燃准东煤锅炉会发生严重沾污、结渣与积灰，且结渣质地致密，不易脱除，因此锅炉设计必须采取相应的措施。现阶段主要措施包括采用较大的炉膛断面和加大燃烧器横向和垂直间距，降低炉膛断面热负荷和燃烧器区壁面热负荷；控制屏底、炉膛出口和尾部烟道入口烟气温度；控制屏区受热面热量分配；采用更大的折焰角与炉膛深度比，以增强烟气沿炉膛宽度方向的均匀度，降低烟气尖峰温度，降低后屏底部高温区受辐射热的强度，减少高温烟灰对后屏底部高温区的直接冲击；控制后屏过热器至折焰角顶端距离；控制各管屏横向节距和管屏深度；采用最严重结焦、积灰类型吹灰器系统配置，必要时采用水力吹灰器。

燃烧设备应避免出现还原性气氛和防止火焰靠墙太近造成的局部高温区，主要方法有浓淡风燃烧技术、多切圆燃烧技术、变异周界风技术等。

浓淡风燃烧技术是指利用煤粉和气流的惯性不同把煤粉分成浓淡两部分分别引向各自管道喷入炉膛，将浓的煤粉气流部分喷向向火侧，而另外一部分喷向背火侧，在背火侧水冷壁附近形成比普通燃烧器更强的氧化性气氛；多切圆燃烧方式是炉膛中煤粉气流在高度上分成多层，以增加气流旋度，防止出现贴墙燃烧；变异周界风指的是从二次风中引出一小部分喷入存在还原性气氛的区域，从而改善燃烧气氛，同时还可以防止煤粉气流直接冲刷水冷壁管并且可使水冷壁管的温度得到一定程度的降低。

采用烟气再循环有利于减轻高温受热面的腐蚀主要有两方面作用：一方面由于部分低温烟气被循环到炉膛，能降低火焰中心和炉膛出口的烟气温度；另一方面由于温度和氧含量的降低，阻碍SO2氧化为SO3。但对于挥发份含量较低的煤可能造成着火不稳定，对高灰分煤会加重飞灰磨损程度。

对流受热面应适当加大面积且其易于除灰，以保证沾污后仍能达到设计的温度水平。在换热面设计上应尽可能清除流量偏差，使受热面冷却均匀，避免个别管子超温。减少锅炉底部漏风对炉膛烟温的控制，更有效地控制炉膛出口烟温，有利于降低尾部受热面的处于高温段的面积。

磨煤机出口采用动态煤粉分离器，可也更加灵活的调节煤粉均匀度和煤粉在炉膛的停留时间，进而更加有效的控制炉膛火焰中心与煤粉燃尽程度的调节。

5.2 运行控制

5.2.1 烟气流速控制

烟气流速对受热面上沉积物的形成具有重要的影响。当烟速超过一定速度时，大部分飞灰来不及撞击受热面即随烟气排出。同时，初粘在换热面上的颗粒在较大烟速的作用下也会重新回到烟气中，从而降低了换热面上的沉积。但烟速增加，磨损和阻力也随之增加，因而选择合理的烟速至关重要。

5.2.2 温度控制

准东煤的掺烧比例同锅炉负荷高低关系密切，一旦负荷超过某一临界负荷结焦发展速度非常迅速，准东煤掺烧能力大幅度下降。如果炉膛热负荷及炉膛出口烟温超过临界值，结渣、沾污加速。传热恶化导致结渣、沾污向下游迁移。此时应尽可能降低热负荷及炉膛出口烟温，及时清除炉膛结渣。

通常可通过掺入部分冷风或让部分低温烟气再循环的办法来降低炉膛出口过高的烟气温度，也可采取加大最上层燃烧器与屏式过热器底部的距离或调整受热面布置等措施。管壁温度在540～710℃之间，管壁上的粘结性灰会造成严重的沾污问题，所以可采用降低出口扭转残余、烟温偏差和控制给水品质等方法避免出现局部过高的壁温。降低出口扭转残余、烟温偏差主要是避免烟气在局部停留，影响传热。

5.2.3 保持受热面洁净

对于沾污性强的高钠煤，换热面上形成的粘结性灰相比于松散性积灰更难清除，但在沾污较轻的情况下，吹灰也可起到一定作用。由于蒸汽吹灰中的水分与烟气中的氧化钠反应生成粘性很强的NaOH，增加了在受热面上的粘结机率，因此，针对高钠煤沾污常用的除灰方法有振动除灰、声波吹灰、钢珠除灰以及比较新的激波吹灰等。

5.3 添加剂

高钠煤燃烧过程中钠在换热面的沉积是导致换热面沾污的重要原因，减少Na在气相中的浓度，将有益于减轻受热面沾污。国外曾经掺烧过的物质有白云石(dolomite、CaMgCO3)、硅藻土、活性矾土、MgO(Magnesium Oxide)、氨(Ammonia)等。研究表明活性矾土、二氧化硅、硅藻土以及燃煤飞灰等添加剂与烟气中的钠反应生成熔点较高的硅铝酸盐，可以避免Na在换热面上凝结呈熔融态造成沾污。

另一种更为有效的脱除碱金属蒸汽的方法是用吸附过滤床。添加剂主要有活性矾土、一氧化硅、硅藻土以及燃煤飞灰。活性矾土和二氧化硅对氯化钠有明显的吸收效果，燃煤飞灰可以使沉积物变得疏松，便于吹灰装置将其吹掉，可以有效地解决由沉积引起的热效率和腐蚀问题。

但是针对不同煤种，添加剂的不同，混合比例的不同，均会导致准东高钠煤的灰熔融特性恶化，不适当的掺烧物质反而形成低温共融体，降低煤灰熔融温度降低，加剧沾污、结渣程度看，并导致灰量增加。此时的掺烧不但起不到应有的改善准东高钠煤燃用锅炉沾污、结渣、积灰现象的作用，反而会加剧这种现象。

5.4 燃料预处理

通过高钠煤提质技术可使处理后的煤含Na量大大降低，从而减少煤在燃烧过程中钠的释放，减轻了高钠煤燃烧带来的沾污影响。

5.5 其它处理技术

掺烧技术：将沾污倾向弱的煤与高钠煤进行掺烧，可以减弱高钠煤燃烧过程中的沾污倾向。但掺烧只能减缓沾污，不能从根本上解决问题。掺烧分为磨前掺烧和磨后掺烧两种，相比之下磨前掺烧更为有效。

换热面处理技术：对受热面进行处理一般有两个途径：采用抗腐蚀高温合金材料和管壁涂层。抗腐蚀高温合金材料具有两方面的作用：一是形成结构致密的氧化膜来降低腐蚀剂氧化速率；二是通过刚体热膨胀从而减弱金属与积灰之间的粘结强度。由于高钠准东煤沾污的复杂性，因此寻找合适的涂层材料是该技术的关键。

6 结论

通过调研分析准东煤的挥发分较高，着火容易，煤阶介于褐煤和烟煤之间，具有良好的反应活性和燃尽性，新疆准东煤为低灰份、低硫、低中灰熔点、高水分、高挥发份、中高热值、低Al、低Si、高Fe、高Na、高Ca，属于强结焦性、强沾污性、强腐蚀性煤种。煤中的高钠含量是导致燃高钠煤锅炉受热面沾污、结渣的主要影响因素。在目前的锅炉设计技术下，采取适当的防结渣和防沾污措施，综合考虑运行控制、原料预处理、增加添加剂等都方面的手段后，初步可以解决准东煤在煤粉锅炉上燃用。

但是由于大容量燃用准东煤的项目较少，其相关技术措施的工程可行性尚需要通过工程验证。

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Combustion Characteristic and Countermeasure Analysis for Zhundong's Coal

ZHAO Le-qiang
(China Electic Power Planning & Engineering Association, Beijing 100120, China)

Zhundong coal is a kind of strong-cokeability and contamination fossil fuels, the characteristics of which are low-ash, low-sulfur, low-medium ash fusion point, high-moisture, high volatile, medium-high heat value, high Na and high Ca. The characteristic of high Na is the major factor which lead to the contamination and slagging on the heating surfaces. The problems can be preliminarily solved by the comprehensive application of optimizing Boiler design, operation control, using additive and pretreatment of coal.

zhundong coal; contamination; slagging; control measures.

TV12

：B

：1671-9913(2017)01-0026-05

2016-0

赵乐强(1983- )，男，山东济南人，工程师，从事火力发电厂机务工作和压力管通设计管理工作。