锅炉高效燃烧新疆高碱煤方法综述

靳雍华, 程智海, 娄中发

(上海电力大学 能源与机械工程学院, 上海 200090)

新疆高碱煤位于准噶尔盆地东部准东煤田,是我国最大的综合煤田,预测储量3 900亿t,累计探明煤炭资源储量2 136亿t,成煤面积1.4万km2,能满足中国100 a的煤炭需求[1-3]。新疆高碱煤具有优秀燃烧性能,但在锅炉燃烧中会结渣、沾污,严重时甚至炸膛[4-6]。这是因为煤中碱金属在高温下升华并随烟气至烟道、水冷壁和低温受热面,导致煤灰粘附在烟道管内、水冷壁及低温受热面而造成的[7-8]。文献[9]指出新疆高碱煤沉积是由于冷凝、热泳、惯性冲击和化学反应造成的,准东煤有严重烧结和沉积倾向。目前为止,虽然国内外学者对如何解决新疆高碱煤大规模结渣、沾污进行了研究,但仅能解决实验室规模设备结渣、沾污行为,在实际生产中几乎没有突破。本文通过介绍与分析新疆高碱煤结渣、沾污机理,提出了解决灰沉积问题的相关策略,为未来锅炉燃烧新疆高碱煤工业实践和科学研究提供参考。

1 新疆高碱煤结渣、沾污机理

在新疆高碱煤燃烧过程中,Na的释放可分为两个阶段:第一阶段,Na从水溶性转为酸溶性,当温度超过500 ℃时,碱金属开始升华释放,Na与其他化合物发生反应;第二阶段,当温度达到900 ℃时,Na转变为Na2SO4,再与SiO2、CaSO4和Fe2O3形成无定形共晶体。这些共晶体随烟气进入烟道[10]。

当烟气通过烟道时,烟道温度为569 ℃,这些化合物粘附性会随温度的降低而增加,部分化合物会粘附在道管或水冷壁,剩余部分同烟气生成沉积物粘附在低温受热面。这些沉积物受冷凝、扩散、热泳、惯性冲击和化学反应影响:首先,形成亚微米灰粒(<1 μm),亚微米灰粒在煤灰表面形成均匀薄层;其次,随过程的进行,部分亚微米灰粒聚集生成细灰颗粒(<10 μm),形成黏性涂层附着在煤灰表面,增加煤灰沉积[11]。

综上所述,新疆高碱煤结渣、沾污机理分为碱金属迁移与煤灰沉积两部分。碱金属迁移表现为Na存在形式的改变,在燃烧过程中Na从水溶性转向酸溶性,最后转化为含Na共晶体存在。煤灰沉积过程表现为煤细颗粒在冷凝、扩散、热泳、惯性冲击作用下堆积在沉积物表面,最终在锅炉低温受热面造成结渣、沾污。

2 新疆高碱煤结渣、沾污防治措施

2.1 防治措施

基于上述原理,可对煤与煤灰进行针对性防治。结渣、沾污防治措施如图1所示。

图1 新疆高碱煤结渣、沾污防治措施

2.2 燃烧前水浸出法

水浸出法利用浓度差将可溶矿物脱除,使碱金属在燃烧中不会与煤灰反应。文献[12]对比水洗前后燃烧结果发现,颗粒较未处理减少52%。

文献[13]指出,通过水洗可脱除73.2%Na和58.8%灰分。

提高水洗温度能加速浸出效率。文献[14]发现,随浸泡时间与水温的提高,Na去除速率明显提高。文献[15]发现,60 ℃水洗新疆高碱煤脱Na效率最高,超过70 ℃后,水洗速率有所下降。水洗时间越长,Na浸出率越高。文献[16]发现,足够长的时间有利于Na脱除,当水洗时间超18 h时,可脱除约80 % Na。文献[17-19]指出,酸溶性钠水浸出法效率不高,可利用碳酸除去酸溶性Na。文献[20]指出,采用CO2水洗浸出,脱Na效率达89.2%,较水洗浸出提高12%,且生成的细小灰颗粒有明显减少。

综上所述,虽然水浸出法在实验中能减少结渣、沾污,但时间消耗方面存在巨大问题,一般浸出时间为10～24 h。对难去除的矿物,需控制温度在20 ℃,且需重复2～5次才能保证浸出效果,浸出结束后需进行干燥。目前我国煤炭水洗价格为15元/t,以国能宁夏大坝有限公司三期600 MW锅炉为例,当日消耗煤炭约6 923 t时,水洗成本每日约10万元,同时这些煤种需至少40 h水洗时间且需控制温度,这意味着需至少准备6 923 t水洗煤炭,大大提高了电厂运行成本。因此,未来对水洗浸出研究应致力于新型水溶剂或多种方法混合,以降低时间和操作成本。

2.3 燃烧参数控制与优化

2.3.1 燃烧温度控制与优化

低温燃烧技术通过降低二次风温度及给煤高度,在不影响燃烧下减少结渣、沾污。文献[21]考虑受热面热负荷和运行,得出二次风温度在314 ℃和5级给煤方式下,能使屏式过热器进口烟温保持在1 250 ℃以下,缓解了受热面结渣问题。但该方法对结渣只起到缓解作用,因为在1 000 ℃以上时,该方法对碱金属释放速率影响较小,往往需其他技术配合才能取得较满意的除渣效果。与煤粉锅炉相比,也可考虑通过循环流化床锅炉燃烧新疆高碱煤。循环流化床锅炉燃烧温度在850～950 ℃,该温度区间煤燃尽时间有所增加,能减少Na挥发、迁移及灰分沉积,同时促进新疆高碱煤完全燃烧,减少不完全燃烧损失。但循环流化床锅炉在燃烧过程中产生的含钠化合物易与床料反应,导致较严重结渣现象。文献[22]发现,石英砂床料会在换热面增加一层传热介质,使换热面传热效率下降10%,通过改进高炉渣床料,发现在运行内没有团聚床料颗粒且换热面传热效率也没有明显变化。因此,循环流化床锅炉能减少、改善灰沉积问题,但床料与碱金属间反应仍需找到合适材料替代。

2.3.2 燃烧气氛控制与优化

目前富氧燃烧技术可减少SO2、NOx等燃煤污染物排放。在“双碳”背景下,由于富氧燃烧技术采用纯氧或循环烟气代替空气作为助燃气体,使排出烟气中的CO2体积分数提高,利于其直接封存和利用,因此富氧燃烧技术具有良好发展前景。

新疆高碱煤在富氧气氛下燃烧能减少NOx体积分数。文献[23]发现,新疆高碱煤在空气气氛下,NOx体积分数超170×10-6,而富氧气氛下仅80×10-6,且灰沉积倾向低于空气气氛。文献[24]发现,随着氧浓度的升高,固相中难熔相成分增加,气相中易挥发碱金属比例升高,因此需通过实验找到减少NOx体积分数、降低灰沉积倾向和灰熔融温度变化的平衡点,以便在实际中调控宏观参量,降低富氧气氛下积灰结渣影响,促进富氧燃烧技术改造。

综上所述,与空气燃烧相比,富氧燃烧技术是未来新疆高碱煤燃烧重要发展方向。下一步可继续对高碱煤在氧燃料燃烧下灰沉积特性进行研究,为提高高碱煤在锅炉高效燃烧和利用方面做好准备。

2.4 混合燃烧技术

2.4.1 与无机添加剂混燃技术

在混燃实验、实际生产中使用的添加剂多为高岭土、石灰、赤铁矿等。由于易获得且高温下对Na有良好化学与物理吸附,所以高岭土被广泛应用于实验研究中[25]。文献[26]发现,添加10%高岭土后,炉膛结渣有下降趋势。文献[27]发现,高岭土掺混比例呈先上升后下降趋势,在掺混比例6%时能有效缓解结渣,因此需对各地区新疆高碱煤采用不同掺混比例,以达到最佳效果。

高岭土除渣效果也受温度影响。文献[28-29]发现,1 000 ℃时煤灰颗粒减少,当温度超过1 300 ℃,煤灰颗粒有所增加。根据这一特性,考虑实际燃烧温度,可将高岭土与循环流化床结合,以提升除渣效率。在350 MW锅炉进行10个月实验发现,高岭土能极大提升机组安全及经济性。近年高岭土价格逐年升高、供不应求,针对该情况,文献[30]通过掺烧煤研石发现,该方法能减少结渣但掺混后煤种未燃尽损失达1.69%,与高岭土0.9%相比效果较差。综上所述,未来对无机添加剂的研究应从掺混比例、温度等影响因素中提高高岭土吸附性能和经济效益,同时积极寻找具有高吸附和经济性的无机添加剂。

2.4.2 与其他煤种混燃技术

混煤燃烧能使不同煤种在燃烧中发生反应,改变燃烧产物和灰烬颗粒成分影响灰沉积特性,最终实现缓解灰沉积问题的目的[31-33]。混煤一般采用低钠煤,在选取掺混煤种时需考虑煤种的着火温度、燃尽温度等燃烧性能[34]。

研究发现,随着不同煤种的加入,混煤碱金属含量明显下降,Na2O比例从6%降至1%以下,对Na向Na2SO4转化起明显抑制作用。混煤灰熔融温度呈上升趋势,软化温度由1 000 ℃提升至1 350 ℃,防止了煤灰进入烟道和低温受热面发生凝结而结渣。但有些混煤虽然碱金属含量下降,但软化温度降至1 190 ℃时,导致烟气中煤灰含量增加,反而加剧锅炉中结渣现象[31,33,35]。因此,需对混煤进行燃烧性能检测,确保其在实际锅炉运行中的安全性。尽管混煤燃烧可缓解新疆高碱煤灰沉积问题,但也存在运输成本问题。目前,我国铁路运煤成本为200～400元/t,以国能宁夏大坝有限公司三期600 MW锅炉为例,其日消耗煤炭约6 923 t,就意味仅日运输煤炭成本即高达138万元。

综上所述,混煤燃烧技术具有经济与稳定性,是燃烧新疆高碱煤重要措施之一。未来研究方向可积极寻找能与新疆高碱煤混合燃烧的低碱煤或将混煤与其他技术结合。

3 结 论

目前,火电仍是我国主要发电手段,寻找高效燃烧新疆高碱煤方法具有重要现实意义。针对上述措施,结合近年研究方向,下一步重点研究方向如下。

(1) 研究水洗过程中影响洗涤剂效率的因素,提高水浸出效率。目前水浸出法在实际生产中仍存在耗时长问题,如何减少水洗浸出的时间成本是未来研究重点。

(2) 与降低煤粉锅炉燃烧温度相比,循环流化床锅炉在燃烧新疆高碱煤方面具有优势。随着超临界和超超临界参数循环流化床锅炉技术的成熟,深入研究用于新疆高碱煤的循环流化床锅炉是未来可行的研究方向。

(3) 目前,添加剂研究主要集中在硅铝添加剂上。随着高岭土成本的不断提高,急需从物理和化学吸附方面进一步开发新型添加剂以降低成本,尽可能提高碱金属的捕获能力和效率。

(4) 根据含有碱金属的矿物在燃烧过程中的燃烧特性,可以在锅炉的特定点定向加入添加剂,也可以针对不同的温度范围加入不同种类的添加剂,以实现对碱金属的靶向去除。

(5) 富氧燃烧可能会加速碱金属的释放与沉积,在生产中如何解决新疆高碱煤在富氧气氛中燃烧是巨大挑战。

(6) 由于实际电站锅炉中新疆高碱煤积灰行为与实验台中有所区别,因此需对实际电站中新疆高碱煤沉积行为进行研究。