燃煤添加劑在電站鍋爐中的應(yīng)用與試驗(yàn)研究

崔修強(qiáng)

（華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250014 ）

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，除進(jìn)行設(shè)備改造和運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整外，使用燃煤催化劑實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗也是一條行之有效的措施。為此對煤催化燃燒技術(shù)及其推廣應(yīng)用的研究已引起了廣泛關(guān)注。

在電站鍋爐燃煤中加入少量的化學(xué)添加劑降低機(jī)組供電煤耗，拓展了電站鍋爐節(jié)能降耗新思路，為火電機(jī)組深度節(jié)能降耗提供了新的技術(shù)方向。為科學(xué)評價燃煤添加劑節(jié)煤降耗效果，進(jìn)行了燃煤中添加催化劑的實(shí)驗(yàn)室對比試驗(yàn)，并在150MW電站鍋爐上進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)。該機(jī)組為超高壓、中間一次再熱、抽汽供熱凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐制造有限公司生產(chǎn)的SG-480/13．7-M767型鍋爐，采用單汽包自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、水平濃淡燃燒器和四角切向燃燒方式。爐膛斷面呈正方形，燃燒器采用四角切圓一、二次風(fēng)噴嘴間隔布置，排渣方式為定期固態(tài)排渣。鍋爐燃燒煤種為煙煤，年統(tǒng)計機(jī)組供電煤耗在340克/千瓦時左右。

1 燃煤添加劑節(jié)煤機(jī)理

在煤中加入少量的化學(xué)添加劑可以改變煤的燃燒性能，這就是煤的化學(xué)干預(yù)煤炭催化燃燒技術(shù)。從煤炭燃燒的本質(zhì)分析，煤炭燃燒是碳?xì)浠衔锉谎趸蒀O2、H2O等產(chǎn)物，并放出熱能的過程。煤炭燃燒的第一步是氧分子離解成氧原子、炭原子被活化的兩個過程，過程需要吸收大量熱能，煤炭燃燒放出的熱量幾乎有70%被其消耗掉。加入燃煤添加劑后，不改變化學(xué)反應(yīng)的初始反應(yīng)物和生成終產(chǎn)物，其本質(zhì)是給化學(xué)反應(yīng)提供了一條能量較低的反應(yīng)途徑。這樣煤炭燃燒過程中，活化能降低、內(nèi)耗減少、顯熱發(fā)熱量增加。由宏觀上看著火溫度降低、燃燒速度提高、內(nèi)能釋放加速，煤在爐膛里的燃盡時間縮短、燃燒強(qiáng)度提高和爐膛溫度升高，煤的燃燒性能改善。對于未添加催化劑前煤炭的著火活化能為Q1、其著火點(diǎn)為T1，則添加催化劑后煤炭的著火活化能降為Q2、著火點(diǎn)降為T2，實(shí)際燃燒過程中可以多釋放出的顯熱發(fā)熱量即為二者之差：ΔQ=Q1-Q2。

添加化學(xué)干預(yù)煤炭催化劑后，煤結(jié)構(gòu)中的表面基團(tuán)與催化劑中的離子反應(yīng)形成了新的基團(tuán)，但煤中原有的C與C、C與H的化學(xué)鍵并未被破壞，在外加基團(tuán)的影響下，燃燒反應(yīng)過程中所需要的活化能降低，同時加入的離子在反應(yīng)過程中，變成了氧化物對燃燒進(jìn)行催化，二者結(jié)合降低燃燒內(nèi)耗和反應(yīng)活化能，實(shí)現(xiàn)了提高煤燃燒顯熱的作用。

2 燃煤添加劑實(shí)驗(yàn)室對比試驗(yàn)方案

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對0．2mm煤粉添加不同比例的燃煤催化節(jié)煤劑進(jìn)行工業(yè)分析，對比分析添加燃煤催化劑對煤質(zhì)發(fā)熱量及工業(yè)分析數(shù)據(jù)的影響。試驗(yàn)過程如下。

（1）滕州公司制樣班取4號爐入爐煤原煤日常煤樣約5g，煤樣采用四分法縮分、混合破碎后、制成0．2mm的分析樣，再分成5個重80克的可以進(jìn)行工業(yè)分析的樣品。

（2）對5個0．2mm的分析煤樣，其中1個樣品不添加燃煤催化劑，其它4個樣品分別按照不同比例添加燃煤催化劑，煤樣添加的催化劑為鍋爐工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)的試劑，直接從現(xiàn)場用錐形瓶取回，試驗(yàn)場所在水化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，所用水為化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)純水。

（3）加劑后的入燃煤分析樣加入了部分水分，對加劑后的5個燃煤分析樣進(jìn)行烘干處理，然后進(jìn)行煤質(zhì)工業(yè)分析，得到煤樣工業(yè)全分析數(shù)據(jù)。

（4）試劑與煤樣混合均勻后，從制樣、編碼及檢測環(huán)節(jié)采用盲檢方法，進(jìn)行二次編碼后，交給化驗(yàn)人員進(jìn)行煤質(zhì)化驗(yàn)，最大限度體現(xiàn)了測試的公平、公正、公開原則。

3 燃煤添加劑工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作

（1）試驗(yàn)鍋爐選擇。節(jié)煤效果評價的準(zhǔn)確程度將首先取決于鍋爐負(fù)荷和入爐煤質(zhì)穩(wěn)定等條件。根據(jù)生產(chǎn)條件及現(xiàn)場情況，選擇一臺工況相對穩(wěn)定的鍋爐，開展燃煤添加應(yīng)用比對試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)機(jī)組采用單爐上煤運(yùn)行方式。

（2）計量儀表校正。在試驗(yàn)開始前，檢查和校正皮帶秤、電功率表等計量儀表的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）催化劑添加方案選擇。在電站鍋爐工業(yè)應(yīng)用中，影響催化劑節(jié)煤效果的關(guān)鍵因素主要有催化劑原材料選擇、催化劑的配方、催化劑的添加方式與添加量等。合理的配方除了要確定催化劑的材料成分，還要確定各種成分的用量比例。在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)重視由于鍋爐燃燒用煤種經(jīng)常變化，不同煤種的燃燒特性以及煤種灰分的變化，都會導(dǎo)致催化劑最佳添加量發(fā)生變化。催化劑的添加量直接影響著催化劑的作用效果，添加量偏離最佳用量會導(dǎo)致催化效果減弱。因此試驗(yàn)中應(yīng)精確調(diào)整燃煤添加劑的用量比例，避免因催化劑添加量不合理造成節(jié)煤效果降低。不同添加方式對催化劑分散程度改善效果不同，采用最佳添加方式，可以提高催化劑在煤中的分散程度，從而實(shí)現(xiàn)最好的催化效果。同時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇最佳加劑地點(diǎn)，做到加劑操作相對簡單。

為確保燃煤添加劑最佳作用效果，在工業(yè)試驗(yàn)中采用自動化燃煤催化劑添加系統(tǒng)，系統(tǒng)布置在現(xiàn)場自動煤樣采集系統(tǒng)之后，以便試驗(yàn)過程中自動取樣機(jī)取得的煤樣均為未添加催化節(jié)煤劑的原煤。自動添加設(shè)備采用可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器、信號分離器和機(jī)械隔膜計量泵等組成，其控制信號為皮帶秤重量傳感器輸出的4～20mA信號，不同重量的煤炭從皮帶上經(jīng)過后，皮帶稱輸出的信號大小不同，利用PLC和變頻器的調(diào)節(jié)，使得計量泵的流量隨煤炭流量的變化而變化，保證添加比例的準(zhǔn)確性。

（4）燃煤添加劑設(shè)備的安裝調(diào)試。確定計量泵及控制柜的安裝位置，進(jìn)行催化劑管道的鋪設(shè)；安裝后進(jìn)行空轉(zhuǎn)調(diào)試運(yùn)行，確保添加設(shè)備穩(wěn)定、跟蹤煤量變化迅速、計量泵出力滿足煤添加需求等。

3.2 對比試驗(yàn)條件

為獲得科學(xué)準(zhǔn)確的燃煤添加劑節(jié)煤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)期間機(jī)組耗煤量數(shù)據(jù)應(yīng)規(guī)范進(jìn)行。

（1）入爐煤質(zhì)。為了確保試驗(yàn)期間節(jié)能降耗指標(biāo)具有可比性，入爐煤盡量采購統(tǒng)一礦區(qū)原煤，并優(yōu)化配煤方案，做到試驗(yàn)期間入爐煤揮發(fā)分、灰分、低位發(fā)熱量的參數(shù)相對穩(wěn)定。試驗(yàn)前需儲備足量的煤炭，保證試驗(yàn)階段的用煤。

（2）入爐煤計量。試驗(yàn)開始前，校正入爐煤皮帶秤、給煤機(jī)皮帶秤，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)統(tǒng)計期內(nèi)耗用燃料總量，并折算至標(biāo)準(zhǔn)煤。

（3）入爐煤采樣。入爐煤化驗(yàn)采用自動采樣，采樣頻率小于5min/次，每個班次進(jìn)行一次入爐煤工業(yè)分析。

（4）試驗(yàn)系統(tǒng)隔離。機(jī)組采取單元制運(yùn)行方式。檢查機(jī)組熱力系統(tǒng)無異常泄漏，對于可以長期隔離的系統(tǒng)進(jìn)行隔離，滿足試驗(yàn)規(guī)定的熱力系統(tǒng)要求。系統(tǒng)不明漏量不應(yīng)超過試驗(yàn)主蒸汽流量的0．5%。按機(jī)爐閥門檢查卡對正常運(yùn)行中應(yīng)關(guān)閉的所有閥門進(jìn)行檢查,由電廠運(yùn)行人員進(jìn)行徹底關(guān)閉，以確保試驗(yàn)時系統(tǒng)嚴(yán)密。

（5）試驗(yàn)期間參數(shù)波動。試驗(yàn)期間確保燃燒工況穩(wěn)定，排煙溫度、飛灰含碳量等主要參數(shù)維持在正常工況。

（6）試驗(yàn)期間負(fù)荷波動。機(jī)組在空白試驗(yàn)期及加劑試驗(yàn)期對應(yīng)時間段的負(fù)荷波動在一定范圍以內(nèi)。

3.3 工業(yè)對比試驗(yàn)進(jìn)行情況

為科學(xué)評價添加燃煤催化劑后試驗(yàn)效果，整個試驗(yàn)分兩個階段進(jìn)行，分別進(jìn)行不加燃煤催化劑的空白試驗(yàn)階段與加劑試驗(yàn)階段。

（1）空白試驗(yàn)階段：鍋爐啟動并穩(wěn)定工作一段時間后開始進(jìn)行空白試驗(yàn)，空白試驗(yàn)期間分別統(tǒng)計進(jìn)行記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，主要包括入爐煤熱值、入爐煤量、發(fā)電煤耗、飛灰含碳量、尾氣排放（SO2、NOx）等，作為評價此次試驗(yàn)效果的標(biāo)準(zhǔn)對比指標(biāo)數(shù)據(jù)。按照試驗(yàn)計劃，空白試驗(yàn)進(jìn)行7天，空白試驗(yàn)統(tǒng)計日期為10月14日～20日。

（2）加劑試驗(yàn)階段：在空白試驗(yàn)完成之后，進(jìn)行加入燃煤添加劑試驗(yàn)，使用與空白實(shí)驗(yàn)同一煤種，煤倉加煤并記錄上煤量。10月29日10:00開始加劑，加劑比例0．25‰，10月30日14:00將加劑比例調(diào)整為0．3‰，調(diào)整階段進(jìn)行了2天；10月31日13:00將加劑比例調(diào)整為正式試驗(yàn)需要的0．36‰，試驗(yàn)進(jìn)行6天，加劑試驗(yàn)結(jié)束。由于加劑試驗(yàn)期間進(jìn)行了加劑比例調(diào)整，經(jīng)三方協(xié)商，加劑調(diào)整適應(yīng)階段2天（10月29日至10月30日）不作為統(tǒng)計比較數(shù)據(jù)。

（3）試驗(yàn)要求。由空白試驗(yàn)開始，每班對入爐煤進(jìn)行一次工業(yè)分析，進(jìn)行入爐煤工業(yè)分析，測試低位發(fā)熱量。試驗(yàn)機(jī)組采取單爐采樣，同時縮短自動取樣機(jī)的取樣時間（控制采樣頻率在3min/次），確保數(shù)據(jù)的取樣代表性。試驗(yàn)開始后，調(diào)整并保證鍋爐負(fù)荷至最佳運(yùn)行工作狀況，在鍋爐燃燒工況穩(wěn)定的情況下，每隔1h記錄運(yùn)行參數(shù)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比及分析

為了客觀評價催化劑節(jié)煤效果，確保試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)、科學(xué)反應(yīng)燃煤催化節(jié)煤劑效果，專門成立了催化劑節(jié)煤效果試驗(yàn)領(lǐng)導(dǎo)小組與工作小組，確保了催化劑節(jié)煤試驗(yàn)工作全過程按照“安全、公平、公正”的原則順利開展。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析如下。

表1 燃煤添加劑實(shí)驗(yàn)室對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 加劑試驗(yàn)節(jié)煤量數(shù)據(jù)表

4.1 實(shí)驗(yàn)室對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

由燃煤添加劑實(shí)驗(yàn)室對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，燃煤催化劑添加量在 0．2‰、0．4‰、0．6‰、0．8‰、1．0‰、1．5‰條件下，煤樣收到基低位發(fā)熱量分別提高3．98%、4．78%、4．78%、2．12%、1．11%、0．8%。燃煤按不 同 比例加入添加劑后，燃煤工業(yè)分析結(jié)果呈現(xiàn)明顯有規(guī)律變化，催化劑添加量在 0．4%～0．6‰時發(fā)熱量提升 4．7% 左右，其規(guī)律與理論分析相符。燃煤添加劑實(shí)驗(yàn)室對比試驗(yàn)工業(yè)分析結(jié)果見表1。

4.2 工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)試驗(yàn)期間入爐煤、發(fā)電量及運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，與空白試驗(yàn)階段相比，按照0．036%的比例在入爐煤中添加燃煤催化劑后，試驗(yàn)階段節(jié)煤效果明顯。由試驗(yàn)期間統(tǒng)計數(shù)據(jù)表2所示，與空白試驗(yàn)階段相比，加劑試驗(yàn)統(tǒng)計煤耗降低10．78g/kW·h；煤倉、粉倉料位修正后發(fā)電煤耗降低8．62g/kW·h；熱耗修正后發(fā)電煤耗降低7．44g/kW·h，正平衡統(tǒng)計供電煤耗降低 8．54g/kW·h。

試驗(yàn)中同時采取了鍋爐正平衡效率、單位發(fā)電量給粉機(jī)轉(zhuǎn)速、輔機(jī)廠用電等不同方法測算其節(jié)煤效果，不同的統(tǒng)計口徑結(jié)果表明，添加燃煤催化劑后，機(jī)組節(jié)煤效果在8．5g/kW·h左右，鍋爐SO2排放濃度降低了 76．9 mg/Nm3，NOX排 放 濃 度 降低了 19．5mg/Nm3。

5 結(jié)語

燃煤添加劑實(shí)驗(yàn)室對比試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)均表明，將燃煤添加劑催化燃燒技術(shù)應(yīng)用于電站鍋爐中，其節(jié)煤降耗效果在2%～3%范圍內(nèi)，可以降低機(jī)組供電煤耗7～10克/千瓦時，具有較好的工業(yè)應(yīng)用價值。隨著對燃煤添加劑的原材料的選擇、配方、添加量與添加方式的深入研究，燃煤催化劑的種類會逐漸多樣化，其催化機(jī)理亦會逐漸豐富完善。

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