掺烧高碱金属煤的超超临界锅炉设计改进及运行优化

(国电龙源电力技术工程有限责任公司,北京 100039)

0 前言

当前，新疆煤电优势资源转化已经进入到发展快车道。然而，新疆地区煤质较为特殊，尤其是哈密、准东这两个地区的高钠煤，煤质的碱金属含量高，具有高水分、结焦及沾污严重的特点[1]。由于该地区煤存储量大，开采简单，运输方便，相对于其他煤种有较大的价格优势。因此周边电厂普遍掺烧该品质的煤以降低运行成本。然而，电厂在掺烧或高比例掺烧(50%以上)高钠煤时都存在受热面严重沾污导致机组出力下降的问题[2-3]。

针对新疆地区高碱金属含量的煤质在燃煤机组上的安全利用问题，国内外尚未有成功的设计和运行经验，特别是在防止锅炉受热面高温沾污和处理受热面沾污问题的研究上，都没有很好的措施[4-6]。美国依靠优化锅炉设计、运行、及添加燃煤防焦剂等方法，基本解决了Na2O含量为1%～2%的PRB煤的燃烧问题，但对于更高碱金属含量煤种的燃烧问题并没有适用的解决方案。目前，被用来减轻煤中的含钠问题的主要技术方法有两种：使用离子交换试剂溶解滤去钠盐以及添加金属化合物或矿物相与钠和钠化合物在燃烧过程中反应[7-9]。文献[1]利用高钠煤中碱金属溶于高温水来脱除煤中的钠元素，然后将循环水与煤分离，并对煤加热干燥。此外，一些研究发现采用计算机模拟结渣以及沾污特性指导锅炉的设计也很重要。文献[10]基于模糊数学理论提出灰色聚类综合评判模型。该模型从燃烧介质本身的煤质特性出发，综合考虑了各成分对结渣的影响，评判结果和实验室试验结果相符。但是，高钠煤种如何应用于锅炉设计，运行优化等方面仍值得进一步研究。

本文结合机理分析、数值模拟研究和试烧实验研究成果，从煤质参数改变(添加剂)、锅炉设计、运行优化等各个方面，研究总结能够实现锅炉在燃烧高钠煤情况下安全经济环保稳定运行的最优化综合解决方案，对高效经济安全利用新疆地区储量丰富的高钠高钾煤具有重要意义。

1 实际问题及解决策略概述

1.1 掺烧高碱金属煤带来的锅炉燃烧问题

锅炉在掺烧高钠煤运行一段时间后，锅炉整体结焦问题严重。新疆某电厂在燃用高钠煤后，从炉膛到水平烟道过热器、再热器，再到尾部受热面等都出现大面积结焦，炉内结渣“搭桥”现象严重，甚至在受热面管道迎风侧也大量出现沾污结焦现象，锅炉爆管现象频发，停炉后进入炉膛清理时发现，焦渣硬度高，难以处理。这种现象在国内电站锅炉运行实践中较为罕见，未见公开研究中提供该问题的有效解决方案[11-12]。目前针对高碱金属含量的煤种，主要以小比例掺烧的方式对其加以利用。提出高碱金属煤的防结渣、沾污和腐蚀方法，阻碍了高钠煤在煤电工业的大规模使用。

1.2 全过程技术管理的综合解决策略

针对上述问题，本文采用从工程设计到优化应用的全过程技术管理策略，取得了良好的应用效果。

(1)新疆燃用高碱煤机组调研及煤种采样分析

对代表性煤种进行燃料煤质特性分析，并建立典型煤质特性分析数据库。

对新疆燃烧高钠煤典型机组的设计、运行及燃用煤种情况进行调研，尤其是对已发生严重结渣沾污事故并影响运行的机组；总结对比不同煤质和锅炉设计、运行情况下，锅炉受热面的结渣沾污特征、灰渣性质与粘结强度、锅炉结渣沾污对锅炉运行、热效率与污染物排放等方面的影响。

(2)高钠煤锅炉结渣沾污机理与灰渣特性研究

锅炉结渣与积灰是复杂的物理和化学过程，其形成机理与形成的灰渣的物理化学性质与煤灰的矿物成分密切相关。通过计算机电子扫描电镜、X射线衍射分析、热重和差热分析以及微分热重分析等先进分析手段，对煤中矿物质的种类、组成和存在形态等进行测量和分析，研究煤灰矿物质成分对煤灰熔融特性与灰渣性质的影响，为进一步开发有效缓解锅炉结渣沾污趋势的添加剂提供理论基础[13-14]。

2 高钠煤质燃烧特性分析

2.1 低温灰化后典型煤样的灰成分指标

传统的国标法制灰过程中碱金属元素会发生逃逸现象，影响煤灰的灰熔融温度，导致煤样的灰熔融温度偏高，与实际的结渣倾向性无法耦合。因此，首先确定机组采购的煤种类别，具体包括神华二矿煤、潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤。

对上述四种煤样分别在500℃下低温灰化，并对灰样进行灰成分分析。考虑到低温灰化程度对灰成分绝对值的影响，为消除该影响，将低温灰化后各煤样灰成分的总和统一修正到95%。如图1所示，为煤样常规灰成分与低温灰化灰成分对比。对于灰成分中碱金属含量在1.8%～2.5%的潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤而言，低温灰化后灰成分中碱金属含量与常规灰化的灰成分碱金属含量差别不大，其原因可能在于这几个煤样本身的碱金属含量并不是太高。但对于碱金属含量高达3.5%以上的神华二矿煤而言，低温灰化后其碱金属含量从常规灰化的3.69%升高到了4.09%，升高了0.40%。

2.2 煤样常规灰成分的结渣特性预测

根据煤灰成分进行预测，得到灰成分综合预测指数HCFjz。灰成分综合预测指数HCFjz的判别标准如表1所示。分析结果显示：典型煤样中以神华二矿煤的结渣倾向性相对最强，灰成分综合预测指数HCFjz达到了4.0，有严重结渣倾向[15]。

表1灰成分综合预测指数HCFjz的判别标准

等级≤2级2～4级>4级结渣倾向轻微结渣中等结渣严重结渣

若在预测中不考虑碱金属的影响，则煤样的HCFjz指数有所降低，如图2所示。对于碱金属含量较高的神华二矿煤样而言，不考虑碱金属时所表现出HCFjz指数可能会比考虑碱金属时低0.3～0.4，表明煤种碱金属含量对结渣的重要影响。

2.3 低温灰化对灰成分结渣特性的影响

如图3所示，对于潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤而言，由于低温灰化对煤样的灰成分碱金属含量影响不大，其HCFjz指数也变化不大，其中潞新混1及潞新混煤低温灰化预测指数比常规灰化时略有升高，潞新煤泥则略有降低。对于神华二矿煤而言，低温灰化后灰成分所表现出的预测指数略有降低，即铁钙比的下降，但实际上由于神华二矿煤在常规灰成分中碱金属含量既已表现出严重结渣的倾向，因此低温灰化后碱金属的增加并未反映在灰成分结渣指数中，因此，神华二矿煤低温灰化后灰成分结渣预测指数反而略有降低。

2.4 低温灰化对灰成分结渣特性的影响

如图4所示，对于低温灰化与常规灰化相比碱金属含量变化不大的潞新系列煤而言，常规灰化法所得的灰熔融温度与低温灰化法所得的灰熔融温度相比差别不大，潞新混1及潞新煤泥的低温灰化灰熔融温度反而略有升高。但对于低温灰化后碱金属含量总体升高了0.40%的神华二矿煤而言，低温灰化后的灰熔融温度相比常规灰化时均呈现出较明显的降低，DT、ST、FT分别为1 140℃、1 150℃、1 160℃，比常规灰化的灰熔融温度均低了50℃，这与试验台上的结渣表现相符。

3 超超临界锅炉选型设计及运行优化

3.1 低温灰化对锅炉燃用典型煤结渣的预测指导

结合表1所示，该型660 MW超超临界机组锅炉设计参数，可见：无论是燃用设计煤种还是校核煤种，BMCR或BRL工况时下炉膛出口处的烟温水平均在1 260～1 270℃之间；由图4可见，神华二矿煤低温灰化后的灰熔融温度ST比该下炉膛出口烟温低了约110～120℃，而潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤的低温灰化后的灰熔融温度则与该下炉膛出口烟温接近或略低，可以认为锅炉在BMCR或BRL工况下燃用潞新类煤时锅炉结渣的可能性不大，但在燃用神华二矿煤时结渣的可能性较大。同理，75%THA工况下燃用神华二矿煤时锅炉仍存在结渣的可能性。

国电哈密大南湖项目的2×660 MW超超临界锅炉拟选用哈尔滨锅炉厂有限责任公司研制的660 MW超超临界变压运行直流锅炉。考虑到该地区煤种的特殊性，需要根据煤种对锅炉设计进行优化。

表1国电哈密大南湖660MW机组锅炉受热面烟温特性

受热面设计煤种校核煤种1校核煤种2BMCRBRL75%THA50%THABMCRBMCR炉膛出口975973901811975973下炉膛出口1 2681 2701 2031 0891 2691 266分隔屏过热器出口1 0751 0749998961 0781 072末级过热器出口975973901811975973末级再热器出口851848787720849849水平低温再热器出口464459449450453472水平低温过热器出口460457418377456465过热器侧省煤器出口377374339298378375再热器侧省煤器出口369366350338361376预热器入口烟道374371347322375373

3.2 超超临界锅炉选型设计及运行优化

通过对机组拟燃用煤种结焦特性分析和沾污倾向的模拟预测，对锅炉参数进一步优化：加大了炉膛尺寸，容积热负荷降低至63.9 kW/m3，充分考虑折焰角位置结渣、对流受热面纵向间距、分隔屏底部切角结构等的设计优化，增加末级过热器入口等位置吹灰器布置。

综合参考项目锅炉设计参数及煤样燃烧特性，进行运行优化调试试验后预测：

(1)锅炉在燃用潞新混1、潞新煤泥、潞新混煤时正常情况下结渣倾向性不强，潞新系列煤可作为锅炉的适用煤种使用，但需做好锅炉的冷态试验及制粉系统的调试工作，避免因煤粉气流飞边、煤粉粒度偏粗、炉内局部热负荷过高、燃烧器一次风速偏低等原因导致的锅炉局部结渣，并在锅炉实际运行过程中密切关注减温水、再热汽温等参数，必要时加强吹灰频次及检查吹灰器的有效性；

(2)神华二矿煤由于碱金属含量较高，低温灰化后表现出的灰熔融温度较低，因此不适合在75%THA以上的负荷单独燃用，建议通过进一步的电厂试验研究确定神华二矿煤的合适掺烧比例和掺烧方式。

因此，国电哈密一体化项目锅炉在燃用潞新煤种时结渣倾向性不强，潞新类煤可作为锅炉的适用煤种使用，但需做好锅炉冷态试验及制粉系统调整等前期工作，并在运行过程中锅炉减温水、再热汽温等参数，必要时加强吹灰频次。经哈密大南湖项目实际投产后的运行验证，实现了大比例掺烧高钠煤不结焦且污染物达标排放的既定目标。

4 结论及展望

针对新疆地区高碱金属含量的煤质容易引发受热面高温沾污以及沾污处理困难的问题。本文通过煤种分析及结渣沾污机理与灰渣特性研究，得到的结论如下：

(1)煤种碱金属含量对结渣的重要影响。综合多种煤样对比，潞新煤系煤种与该炉膛出口烟温接近，因此锅炉在BMCR或BRL工况下燃用潞新类煤时锅炉结渣的可能性不大，但在燃用神华二矿煤时结渣的可能性较大。但75%THA工况下燃用神华二矿煤时锅炉仍存在结渣的可能性。

(2)在锅炉设计及运行优化，根据煤种分析机理选取炉膛热力参数，完善选型设计及运行优化，能实现大比例掺烧高钠煤不结焦且污染物达标排放的目标。

此外，这对高效、经济、安全利用新疆地区储量丰富的高钠高钾煤具有重要意义。