降低高鈉煤結渣特性綜合研究

， ，曹林， ，

(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司 北京 102209；2.北京市低質燃料高效清潔利用工程技術研究中心 北京 102209)

0 引 言

我國是世界上少數幾個以煤炭為主要能源的國家，煤炭作為我國主要一次能源的基本格局, 在相當長的時期內不會改變[1-2]。經勘探，我國新疆地區準東高鈉煤資源豐富，僅準東煤田就蘊藏著約3900億噸高鈉含量煤炭資源。但是研究表明，煤中的Na等堿金屬燃燒后部分會以蒸氣的形式存在于煙氣中[3]。這些蒸氣如果冷凝在受熱面會加速污垢的形成, 大大降低設備的利用率。其原因為：Na2O屬于易揮發物質，在高溫下揮發后，易凝結在受熱面上形成燒結或粘結的灰沉積，這類沉積多發生在尾部對流受熱面上，并形成結渣源。

目前，國內電廠燃用高鈉煤的經驗較少，在準東煤田附近建設的多個坑口電站，在燃用準東煤時相繼產生了尾部對流受熱面沾污積灰嚴重的現象，影響鍋爐傳熱，降低了鍋爐機組的整體運行可靠性。因此，需加強對高鈉煤種結渣特性的研究，并落實安全、有效的燃用技術措施，滿足電廠燃用新煤種的需要[4]。此外，在氣化方面，因為煤中的鈉是煤氣化與燃燒過程中造成爐內結渣[5]及沉積腐蝕的主要礦物質元素，對煤的熱解和氣化反應造成影響。

1 堿金屬對受熱面沾污的影響

爐內受熱面的沾污大致分為4種類型：

(1)機械沾污。由于受熱面表面的粗糙和其它引力作用，使細顆粒堆積而形成疏松的灰污層，這種機械粘結物易于用爐內吹灰來清除。一般發生在尾部受熱面。

(2)粘結沉積物。由于灰中堿土金屬在高溫煙氣中升華凝結在冷的水冷壁上或由于粘結灰層中灰粒互相產生化學作用而形成低熔點化合物，這部分粘灰能部分被吹灰清除。一般發生在尾部受熱面。

(3)密實的粘結層。由于灰粒間在爐內氣氛下相互起化學作用而被高溫燒結而密實的積灰層，它有較高的機械強度，清灰時難以清除。一般發生在尾部受熱面。

(4)液態渣層。當沾污的受熱面溫度較高時，會使灰粒部分融化而成液態，這樣更易于粘結不斷沉寂下來的灰粒，使得灰層變厚，溫度更高，結果導致惡性循環，融化成液態渣溜走，直至平衡。一般發生在爐內受熱面。

在鍋爐運行中，上述4種類型結渣沾污是交叉進行甚至互相影響的，具體由燃料特性及爐內氣氛及燃燒工況決定的。

隨著爐內受熱面的沾污，其對鍋爐運行的影響大體可以歸納為以下幾方面：

(1)沾污會降低爐內受熱面的傳熱能力。灰在受熱面沉積后，由于其導熱系數低、熱阻大，嚴重沾污后的受熱面傳熱能力會降低30%～60%。

(2)爐內受熱面沾污后會引起爐膛出口煙溫的提高，使得飛灰易粘結在對流相屏式過熱器上，引起過熱器的沾污和腐蝕。

(3)積灰會使省煤器和空氣預熱器堵塞、惡化傳熱，從而提高排煙溫度、降低鍋爐運行經濟性。

(4)由于總的傳熱阻力增大，會使鍋爐無法維持在高負荷下運行，被迫增加投煤量，引起爐膛出口煙溫進一步提高，使灰渣更容易粘在受熱面上，形成惡性循環。

(5)在高溫煙氣作用下，粘結在水冷壁或過熱器上的灰渣會與管壁發生化學反應，產生高溫腐蝕。

2 降低高鈉煤結渣特性綜合研究

2.1 系統及運行調整

為降低高鈉煤結渣特性，從系統及運行調整方面，主要包括使用除焦劑、加強蒸汽吹灰、合理配煤等。

2.1.1 使用除焦劑

某燃用準東高鈉煤電廠在鍋爐尾部結焦區域試驗使用某除焦劑20 d，共投入除焦劑210 kg。參數曲線表明，至試投除焦劑結束，再熱汽溫溫升幅度有限，且無法確認與除焦劑的關系。此外，投入除焦劑的鍋爐與不投除焦劑的鍋爐尾部受熱面，結焦情況無明顯差異[6]。

2.1.2 加強吹灰

現有正常吹灰系統外，某廠在空預器部位增加部分吹灰器，燃燒準東高鈉煤時加強吹灰，由正常每班一次吹灰改為兩次，甚至在結焦嚴重的再熱器部分每2 h吹灰一次，均未達到預期效果，吹灰對已結焦受熱面沒有明顯效果[6]。

2.1.3 合理配煤

將沾污傾向弱的煤與高鈉煤進行摻燒，可以減弱高鈉煤燃燒過程中的沾污傾向[3]。降低煤質總體含鈉量摻燒低鈉煤比例：當摻燒高鈉煤的比例達在90%左右時，鍋爐尾部結焦嚴重，汽溫等參數明顯低于設計值；當摻燒高鈉煤的比例在70%左右時，尾部結焦情況明顯改善，鍋爐各項參數基本達到設計值。從實際效果看，合理配煤對降低高鈉煤結渣效果顯著。

2.2 優化鍋爐設計

為降低高鈉煤結渣特性及降低結渣對鍋爐運行帶來的影響，可從優化受熱面設計、選擇合理煙氣流速等。

2.2.1 合理設計布置換熱面

對流受熱面截距設計得稍大些且其易于除灰，以保證沾污后仍能達到設計的溫度水平。由于熱流密度不均以及水冷壁的流量偏差都會引起換熱管內部結垢，導致熱阻增加，管壁局部超溫。所以在換熱面設計上應盡可能清除流量偏差，使受熱面冷卻均勻，避免個別管子超溫。

2.2.2 合理煙氣流速

煙氣流速對受熱面上沉積物的形成具有重要的影響。當煙速超過一定速度時，大部分飛灰來不及撞擊受熱面即隨煙氣排出；同時，初黏在換熱面上的顆粒在較大煙速的作用下也會重新回到煙氣中，從而降低了換熱面上的沉積。但煙速增加，磨損和阻力也隨之增加，因而選擇一個合理的煙速是至關重要的。

2.3 高鈉煤預處理

通過高鈉煤提質技術可使處理后的煤含Na量大大降低，從而減少煤在燃燒過程中鈉的釋放，減輕了高鈉煤燃燒帶來的沾污影響。生物質中也存在含量較高的堿金屬，在燃燒利用過程中同樣出現沾污問題。國外研究發現：對秸稈進行了燃前提質處理可以除去80%的鉀及90%的氯，提高了灰熔點，減輕了換熱面的沾污。國內部分廠家使用一種自制洗滌溶液進行了準東煤燃前脫鈉提質處理，試驗結果表明在合適的工藝條件下可將內部孔隙結構不發達且鈉含量較高的準東煤中的Na含量降至2%以下(以灰分計)，提質后的煤燃燒結渣特性顯著下降。此外，華能清能院基于流態化技術原理，提出的一種新型技術。該技術通過將流化床技術與燃料干燥、氣化過程緊密結合，有效降低高鈉煤中的Na含量，降低燃燒利用后的結渣風險。

3 結 論

我國準東煤中Na等堿金屬含量高，燃燒后易在尾部受熱面結渣，影響鍋爐穩定運行；

試驗研究發現：使用除焦劑、加強吹灰等，對降低高鈉煤的結渣特性影響有限，而合理配煤效果顯著；

可考慮通過優化受熱面設計、優化煙氣速度等方面降低結渣對鍋爐機組帶來的不利影響；

此外，可通過預處理將高鈉煤中的Na等堿金屬含量降低至符合現代燃燒鍋爐對煤質的要求的水平。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網監控系統的設計與實現[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[2] 郝麗芬,李東雄,靳智平.灰成分與灰熔融性關系的研究[J].電力學報,2006,21(3):294-296.

[3] 張守玉,陳 川,施大鐘，等. 高鈉煤燃燒利用現狀[J].中國電機工程學報，2013,33(5):1-8.

[4] 董明鋼.高鈉煤對鍋爐受熱面結渣、沾污和腐蝕的影響及預防措施[J].熱力發電,2008,137(9):35-39.

[5] 衛小芳,黃戒介,房倚天，等. 堿金屬對褐煤氣化反應性的影響[J]. 煤炭轉化,2006,30(4):38-41.

[6] 邱 忠,梁進林. 循環流化床鍋爐燃燒新疆準東五彩灣煤的對策探討[J]. 應用能源技術,2012 (12):16-19.