五彩灣煤燃燒特性的試驗研究

李 紅， 王桂芳

（1.中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

新疆五彩灣煤具有水分高、灰分低、熱值中等及煤灰中堿金屬（尤其是CaO和Na2O）含量高等特性，近幾年由于該煤種煤礦儲量大、價格較低而在新疆地區現有鍋爐中逐步得到使用.其燃用結果表明，由于與實際鍋爐設計煤種存在較大差異，受制粉系統出力、爐膛結渣以及受熱面沾污等影響，鍋爐只能部分摻燒該煤種，目前國內尚無完全燃用該煤種的鍋爐設計與運行經驗.

對于新建鍋爐，在確保其安全、經濟和環保的基礎上，如何選擇設計煤種和校核煤種且盡可能地提高五彩灣煤的摻燒比例，并使新設計鍋爐在燃用混煤時達到爐膛結渣傾向降低到保證鍋爐滿負荷、長期、連續安全運行而不致影響其可靠性的要求，具有重要的研究價值和意義.筆者依據相關標準，利用國內最先進的試驗裝置對五彩灣煤、烏東煤及其混煤進行詳盡的煤質特性試驗、燃燒及結渣性能試驗，并在200 k W沾污試驗臺上開展了沾污性能試驗，最后確定了設計煤種和校核煤種.這些工作的開展對相關鍋爐設備與磨煤機的選型、設計和制造提供了必要的依據和參考.

1 試驗研究內容與結果分析

按照相關標準和原則［1－4］，通過對五彩灣煤和烏東煤煤質組分及基本特性的分析，確定對五彩灣煤、烏東煤及其不同摻燒比例的混煤共5種試驗煤樣進行全面的常規和非常規試驗分析.5種試驗煤樣為五彩灣煤、混煤1（m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝7∶3）、混煤2（m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝6∶4）、混煤3（m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝5∶5）和烏東煤.

煤樣的試驗分析按照DL/T 831—2002《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》［2］的要求進行，主要試驗內容包括：

（1）煤樣的物理化學特性：煤的基本性能測試和環保評價指標.煤的基本性能測試包括工業分析、元素分析、發熱量、可磨性（HGI）、灰熔點、灰成分、煤的真實密度、堆積密度和煤灰的堆積密度；環保評價指標包括煤中游離二氧化硅、煤中微量元素以及有害元素的含量；

（2）一維火焰爐燃燒與結渣試驗：燃盡率Bp、著火距離L、結渣指數Sc、火焰和燃燒分布曲線以及煤種著火、燃盡和結渣性能測試；

（3）煤粉氣流著火溫度的測試：煤粉氣流著火溫度；

（4）磨損指數測試：磨損指數Ke和磨煤機選型用指標；

（5）200 k W沾污試驗臺的沾污性能試驗：混煤煤樣的沾污性能和沾污機理；

（6）其他試驗：比電阻測試、半工業性磨煤機試驗及1 MW半工業性燃燒試驗等.

1.1 試驗煤樣的物理化學特性

五彩灣煤和烏東煤以及兩者混煤的煤質特性數據見表1.由表1可知，五彩灣煤屬于高水分、低灰分、中高熱值的長焰煤，而烏東煤則屬于低水分、中等灰分、高熱值的煙煤.五彩灣煤與烏東煤最大的差異在于灰成分指標，五彩灣煤的Fe2O3、CaO、MgO和Na2O等堿金屬的質量分數高，而烏東煤的堿金屬質量分數低，尤其是Na2O的質量分數僅為0.68%，這使得摻燒烏東煤對減輕高溫對流受熱面沾污非常有效.

由表1還可以看出，2種煤摻燒后，隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的主要特點表現為：水分質量分數降低，有利于提高磨煤機干燥出力；而灰分、硫分質量分數則略有升高，但不用過多考慮；發熱量增大；可磨性指數降低，需要考慮由此帶來的對磨煤機研磨出力的影響；著火溫度略有升高，燃盡率則略有降低.由于2種煤均為燃燒性能優良的煤種，其混煤仍屬于燃燒性能優良的煤種.

1.2 燃燒及結渣性能分析

1.2.1 著火性能

采用工業分析指標、煤粉氣流著火溫度及一維火焰爐著火距離L1和L2等指標來判別試驗煤樣的著火特性，通過對試驗數據的整理和分析，最終判別結果顯示試驗煤樣均為極易著火煤種，均具有優良的著火性能.圖1給出了五彩灣煤摻燒烏東煤后煤粉氣流著火溫度的變化.由圖1可知，烏東煤的著火性能較五彩灣煤差，隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的煤粉氣流著火溫度呈升高趨勢.

圖1 烏東煤摻燒比例對混煤煤粉氣流著火溫度的影響Fig.1 Effects of Wudong coal blending ratio on ignition temperature of the coal mixture

1.2.2 燃盡性能

采用工業分析指標、一維火焰爐著火燃盡率等指標來判別試驗煤樣的燃盡特性，通過對試驗數據的整理，最終判別結果顯示試驗煤樣均為易或極易燃盡煤種，試驗煤樣具有優良的燃盡性能.圖2給出了五彩灣煤摻燒烏東煤后燃盡率Bp的變化.由圖2可知，烏東煤的燃盡性能較五彩灣煤略差，隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的燃盡率呈下降趨勢，但總體而言，試驗煤樣的燃盡率均在98%以上.

表1 2種煤及其混煤的煤質特性Tab.1 Properties of Wucaiwan coal，Wudong coal and their mixtures

圖2 烏東煤摻燒比例對混煤燃盡率的影響Fig.2 Effects of Wudong coal blending ratio on burnout rate of the coal mixture

1.2.3 結渣性能

采用灰熔點、灰成分類型結渣指數及一維火焰爐結渣指數等指標來判別試驗煤樣的結渣性能，通過對試驗數據的整理和研究，判別結果顯示試驗煤樣均為嚴重結渣煤種，鍋爐設計中需重點考慮防結渣措施.

表2給出了試驗煤樣在一維火焰爐中的結渣試驗結果，其中沿爐膛內煙氣流動方向上分別布置6個測點.由表2可知，試驗煤樣在1 200℃左右的煙氣溫度下就出現了最為嚴重的熔融渣型，鍋爐設計中需引起足夠重視.

1.2.4 專家系統對試驗煤樣主要特性的最終評價

通過煤性－爐型耦合專家系統對試驗煤樣煤質質量標準劃分結果和試驗煤樣沾污、腐蝕、磨損性能以及試驗煤樣燃燒與結渣特性的最終評價，可以得到試驗煤樣的煤質特性如下：五彩灣煤由于煤灰中堿金屬（尤其是Na2O）的質量分數較高，具有嚴重沾污傾向，而烏東煤為低沾污傾向煤種，因此可通過摻燒烏東煤來減輕五彩灣煤的沾污.

表2 試驗煤樣在一維火焰爐中結渣試驗結果Tab.2 Experimental slagging results of coal samples in a one－dimensional furnace

2 200 k W沾污試驗臺沾污性能試驗

煤中堿金屬質量分數較高，鍋爐對流受熱面容易沾污、積灰，形成煙氣走廊及造成管道磨損泄漏等，最終導致鍋爐受熱面傳熱能力下降、排煙溫度升高、鍋爐熱效率降低.沾污嚴重時將造成局部煙道堵塞，甚至出現磨損爆管，影響鍋爐的安全運行.

2.1 已有煤灰沾污性能判別指標的判定

目前，已有的煤灰沾污性能判別指標主要有以下2種.

（1）按照國內外的研究經驗，采用煤中當量Na作為煤灰沾污性能判別準則.煤中當量Na的計算公式［3，5］如下

式中：w（Na2O）和w（K2O）分別為煤灰中Na2O和K2O的質量分數，%；w（Ad）為煤的干燥基灰分質量分數，%.

煤中當量Na作為煤灰沾污性能判別指標的判斷分級界限見表3.試驗中混煤3的煤中當量Na為0.5%，根據表3可知該指標屬于高沾污等級.

（2）另外一種常用的判別指標為［5］

式中：w（B）＝ w（CaO）＋w（MgO）＋w（Fe2O3）＋w（K2O）＋w（Na2O），w（A）＝ w（SiO2）＋w（Al2O3）＋w（TiO2），上述均為各種成分在煤灰中的質量分數，%；Rul為沾污指數，%.

表3 煤灰沾污性能判別準則1Tab.3 Criterion 1 for contamination evaluation of coal ash

Rul作為煤灰沾污性能判別指標的判斷分級界限見表4.試驗中混煤1的Rul為1.559%，該數值已達到嚴重沾污的判別等級，表明混煤1具有嚴重沾污傾向.

表4 煤灰沾污性能判別準則2Tab.4 Criterion 2 for contamination evaluation of coal ash

上述2種判別指標均顯示混煤1具有嚴重沾污傾向，因此鍋爐選型中的重中之重就是考慮防沾污.

2.2 200 k W沾污試驗臺試驗結果

在西安熱工研究院有限公司（TPRI）的200 k W沾污試驗臺上對五彩灣煤摻燒30%、40%和50%烏東煤的混煤進行了沾污性能測試.通過對過熱器上積灰的觀察發現積灰主要發生在水平煙道第一級過熱器上，而沿著煙氣流程以后的過熱器上積灰相對較少.

圖3給出了燃燒3種混煤時水平煙道內的有效傳熱系數隨時間的變化，其中在120 min時進行吹灰操作.由圖3可知，隨著煤粉在爐內燃燒過程的進行，有效傳熱系數越來越小，沾污越來越嚴重.隨著烏東煤摻燒比例的增大，混煤的有效傳熱系數有增大的趨勢，并且吹灰后的有效傳熱系數增大得更明顯.混煤1吹灰后的有效傳熱系數為0.918，有效傳熱系數較小，但仍在鍋爐受熱面設計允許范圍內.隨著烏冬煤摻燒比例的增大，吹灰后的有效傳熱系數有所增大，其沾污性能也有所減輕.這就需要在鍋爐燃用高摻燒比例五彩灣煤時考慮布置足夠的吹灰器，以保證受熱面的沾污和結焦能夠被及時清除.

圖3 燃燒3種混煤時水平煙道內第一級過熱器的有效傳熱系數隨時間的變化Fig.3 Comparison of effective heat transfer coefficient of primary superheater in horizontal flue among three coal mixtures

由上述分析可以看出，試驗煤樣屬于嚴重結渣、沾污煤種，其沾污形成的基本原理是煤燃燒時釋放出來的Na和K與煙氣中的SO3反應生成氣態的Na2SO4和K2SO4，這些產物擴散及凝結在溫度較低的管壁上.沾污層被長時間高溫燒結形成致密的積灰層，具有較高的強度而變得難以清除.鍋爐過熱器或再熱器上的積灰一般由內、外2層組成，內層積灰中Na2O、K2O和SO3的質量分數高，它們對受熱面具有高溫腐蝕作用，而外層有著類似于飛灰的成分.進一步分析表明，煤灰中Na和Ca對沾污的影響最大，其次是Si和Fe，而Al通常可以減輕沾污.

根據溫度和時間對積灰燒結強度的影響，控制沾污和結渣的主要措施是避免爐膛出口煙氣溫度過高、兩側煙氣溫度偏差過大以及在沾污層變得難以清除前將其及時清除.在煤種一定的情況下，控制爐膛出口受熱面沾污的主要措施包括：（1）在屏區和高溫對流受熱面配備足夠的吹灰器，建議在高溫過熱器和低溫過熱器區域每3 m安裝一個長伸縮式蒸汽吹灰器；（2）選取較低的爐膛出口煙氣溫度和屏底煙氣溫度，控制爐膛出口兩側煙氣溫度偏差，避免某一側煙氣溫度過高而引起沾污和結渣；（3）建議運行后通過試驗確定合理的吹灰方式，并調整理想的吹灰器蒸汽壓力；（4）建議爐膛內布置一定數量的短伸縮式吹灰器，并在對流受熱面及尾部煙道布置一定數量的長伸縮式吹灰器.

3 設計煤種和校核煤種的推薦

通過比較不同摻燒比例混煤的試驗結果，認為在燃用混煤1時，通過在沾污和結焦受熱面上加裝吹灰器，選擇合理的吹灰頻率，可以將各級受熱面的有效傳熱系數控制在可控范圍內.考慮到設計煤種選取了摻燒比例較大的五彩灣煤，為避免五彩灣煤中Na質量分數向高值波動或配煤不均勻而導致的鍋爐嚴重結焦和沾污問題，推薦選取混煤3作為校核煤種.

表5給出了校核煤種與設計煤種的煤質偏差.根據原電力工業部1993年下發的《加強大型燃煤鍋爐燃燒管理的若干規定》（電安生［1993］540號）中的電廠燃煤允許偏差，該校核煤種與設計煤種的全水分質量分數、收到基低位發熱量和可磨性指數等均在允許偏差范圍內.

表5 校核煤種與設計煤種的煤質偏差Tab.5 Coal quality deviation between checking and design coal

4 結 論

（1）五彩灣煤和烏東煤均為嚴重結渣煤種，兩者摻燒后的混煤仍具有嚴重結渣傾向.

（2）五彩灣煤中堿金屬（尤其是Na2O）的質量分數較高，具有嚴重沾污傾向，而烏東煤為低沾污傾向煤種，因此通過摻燒烏東煤可以減輕五彩灣煤的沾污.實際燃燒過程中需要布置適當的吹灰裝置以控制受熱面的沾污和結焦.

（3）推薦選用m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝7∶3的混煤1和m（五彩灣煤）∶m（烏東煤）＝5∶5的混煤3分別作為設計煤種和校核煤種.

［1］中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 466—2004電站磨煤機及制粉系統選型導則［S］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 831—2002大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則［S］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］王云剛，趙欽新，馬海東，等.準東煤灰熔融特性試驗研究［J］.動力工程學報，2013，33（11）：841－846.WANG Yungang，ZHAO Qinxin，MA Haidong，et al.Experimental study on ash fusion characteristics of Zhundong coal［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（11）：841－846.

［4］相大光，姚偉，高海寧.電廠用煤煤質評價指標相關性研究及測試評價方法［R］.西安：電力工業部熱工研究院，1996.

［5］姚偉，相大光.半工業性試驗與TPRI煤性試驗評價體系［R］.西安：西安熱工研究院有限公司，1997.