135 MW循環流化床鍋爐純燃準東煤改造策略與運行技術研究

王洪健，王海洋，孔皓，周托，張縵，楊海瑞*

（1.新疆東方希望有色金屬有限公司，新疆維吾爾自治區 昌吉回族自治州 831700；2.電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學能源與動力工程系)，北京市 海淀區 100084）

0 引言

我國是富煤、貧油、少氣的國家，煤炭一直是國家能源的“頂梁柱”。2012年9月，基于準東地區豐富的煤儲量，國務院批準設立國家級新疆準東經濟技術開發區，該開發區是依托準東煤田進行規劃建設的大型煤電煤化工產業示范區，也是國家第14個煤炭基地(新疆)的重要組成部分，這里所產的煤即準東煤。

準東煤田占地面積約13 000 km2，預測煤炭資源儲量達3 900億t，占新疆煤炭儲量的17.8%、全國煤炭總儲量的7%。截至2009年6月底，已探明煤炭資源儲量達到2 136億t，可采煤層平均厚度為43 m，最厚煤層可達到80 m，煤層豐厚處煤炭儲量達到5 000萬t/km2，是新疆最大，也是中國乃至世界上最大的整裝煤田。準東煤的煤質穩定且資源儲量豐富，理論上可以大量應用于煤電產業，但實際利用過程中卻仍存在不少難題。

準東地區多家電廠均是煤粉爐，必須通過摻燒一定比例的井工煤或高嶺土抑制沾污問題，導致大量準東煤資源無法有效利用，還會增加電廠的運營成本。因此，很多企業嘗試采用循環流化床(circulating fluidized bed，CFB)[1-2]燃燒的方式改善相關問題。CFB是一種清潔煤燃燒技術，其在可循環利用的床料中對燃料進行加熱流化燃燒，可以有效利用各種低品質燃料，與傳統煤粉爐相比，燃燒溫度較低，且有更少的污染物排放和更低的燃燒成本。在燃煤發電仍占據我國電力行業主導地位的今天，為了更好地燃燒利用劣質煤和其他低熱值燃料，CFB燃燒技術是我國必須要大力發展的燃燒技術，對我國高效清潔利用煤炭資源具有重要意義[3]。

準東煤雖然具有高揮發分、低灰、低硫和反應性好等特點，理論上很適合燃燒發電，但在實際用作鍋爐發電的動力煤時，燃燒過程中會出現較嚴重的沾污和結渣等問題。其原因一方面在于準東煤本身的特性，其含有大量鈉、鉀、鈣氧化物，屬于高堿金屬煤種[4]，燃燒時極易產生嚴重的沾污、結渣問題，即使在CFB鍋爐內燃燒也很難避免，這也是大量準東煤資源難以得到高效利用的根本原因。另一方面則是因為準東煤燃燒的相關研究很少，現有研究也多停留在實驗室中的機理研究層面，如：文獻[5-6]對準東煤結渣特性進行了研究；孫洪民[7]對準東煤的結渣機理進行了分析；文獻[8-9]對準東煤燃燒時Na元素的遷移規律進行了研究。這些研究都是從機理出發解釋準東煤在燃燒時出現沾污、結渣現象的原因，但并未針對實際工程案例提出相應的解決方案，如針對實際鍋爐的運行沾污情況，如何通過CFB鍋爐結構改造等手段，實現高效率、低沾污地全燒準東煤過程。因此，準東煤燃燒時的沾污治理屬于理論研究無法適用于實際工況的典型范例。

當前CFB燃燒準東煤時也會采取一些減少結渣、沾污問題的措施，如：摻燒高嶺土，利用高嶺土中的硅鋁元素固堿來削弱結渣問題；通過加大受熱面蛇形管束間距來控制積灰，減少煙灰沾污；大幅增加吹灰器數量，以減少尾部對流受熱面沾污等。但以上方法中有些會帶來很高的鍋爐運行成本負擔；有些著眼于積灰控制，卻無法從原理上解決問題，缺少從沾污機理出發且貼合鍋爐實際運行工況的準東煤燃燒優化方案。

本文以新疆某2×135 MW CFB鍋爐燒準東煤的實際情況為例，分析了該鍋爐在燒準東煤時受熱面積灰的過程，研究了沾污的具體原因并提出了解決和預防措施，旨在改善目標鍋爐的運行狀況，為其他CFB鍋爐燒準東煤時的沾污治理和經濟效益提升提供參考。

1 CFB鍋爐實際運行情況

1.1 鍋爐設計參數及運行情況

某2×135 MW CFB鍋爐位于新疆吉木薩爾縣準東五彩灣煤電煤化工基地，系東方鍋爐廠生產的型號為DG440/13.7—Ⅱ2的超高壓一次中間再熱CFB鍋爐。該鍋爐采取超高壓一次中間再熱、單汽包、自然循環、CFB燃燒方式，呈島式半露天(采用全封閉)布置，并配有高溫汽冷式旋風分離器、非機械式回料裝置以及水冷風室。表1、2分別為鍋爐設計參數和鍋爐滿負荷運行時的典型參數。

表1 鍋爐設計參數Tab.1 Design parameters of boiler

表2 鍋爐滿負荷運行典型參數Tab.2 Typical parameters at boiler full load

該2×135 MW CFB鍋爐原建于河南省義馬市并用于傳統煙煤燃燒，后考慮到新疆準東地區豐厚的煤炭儲量，遷建到新疆準東五彩灣地區并改燒準東高堿煤，但是運行一段時間后受熱面沾污嚴重，汽溫下降，嚴重影響了經濟效益。根據鍋爐廠運行的數據，主蒸汽溫度每降低1℃，煤耗會增加0.059 g/(kW·h)，因此必須進行優化改造。

鑒于準東煤具有嚴重的結渣和沾污傾向，新疆準東地區各電廠一般會將五彩灣、天池南礦和天池將二礦等多個礦區的煤種一起摻配燃燒，并嚴格控制入爐煤的鈉元素含量。在這些煤種里，來自將二礦的煤種堿含量最高，表3以將二礦的煤種為例，給出了煤種工業分析和元素分析的相關結果，表4對比分析了5個礦區的典型準東煤灰成分參數。

表3 煤種(將二B5礦)工業分析和元素分析結果Tab.3 Results of industrial and elemental analyses of coal types(Jianger B5 Mine)

表4 典型準東煤灰成分參數對比Tab.4 Comparison of ash composition parameters of typical Zhundong coals

無論通過灰熔點、灰成分，還是一維爐結渣指數分析，準東煤都屬于嚴重結渣煤。若采用傳統的煤灰熔融評價方法，由于灰中的鈉、鉀元素會在升溫過程中揮發掉，導致測得準東煤的灰熔點為1 170℃，即認為1 170℃時才開始發生煤灰的熔融變形。但若采用礦物質定量灰熔融熱分析方法，考慮到堿金屬的存在，可以認為準東煤在750℃時就已經開始熔融，更準確地預測了準東煤的沾污結渣特性。

1.2 沾污機理分析

1.2.1 主要沾污機理和積灰成分分析

準東煤屬于高堿煤，含有大量堿金屬元素，在一定溫度下會出現升華、凝華現象，灰就容易結渣粘在鍋爐受熱面上。在燃燒過程中煤里的鈉會以蒸汽的形式析出，并與煙氣中的硫化物反應生成硫酸鈉鹽，這些硫酸鈉鹽容易在受熱面上匯集，形成黏稠的熔融態冷凝膜，捕捉煙氣中的固體灰顆粒，加速管壁沾污。沾污后造成煙氣換熱不足，各級過熱器、再熱器汽溫逐步下降，影響正常運行。通過對受熱面沾污灰樣化學成分進行X射線熒光光譜(X-ray fluorescence，XRF)分析得知，沉積灰內層中的CaO、Na2O和SO3質量分數分別高達22.36%、14.77%和39.80%，而其他成分的含量相對較少，這說明鈣鈉硫酸鹽是沉積灰形成的主要原因。

1.2.2 鈉沉積機理

在準東煤中鈉以水溶鈉(大部分為NaCl，還有少量的NaSO4)為主要形式存在，在400~800℃的溫度段內，水溶鈉會不斷熱解并在煤表面釋放，然后在高溫下與煤中的SiO2發生反應，產生水不溶性的鈉鹽，反應方程式[10]如下：

在鍋爐結渣過程中，Na2SO4(K2SO4)常常起關鍵作用，其主要在高溫燃燒過程中通過以下方式產生：

而在低溫熱解過程中，由于氧、硫含量很低，反應(3)很難進行，因此阻礙了Na2SO4的生成。

1.2.3 CaO的助熔作用

CaO的含量在整個燃燒過程中基本不發生變化，但它的存在也促進了結渣現象的發生，因為CaO容易與其他形式的礦物質形成低熔點的共熔體。實驗結果表明，CaO會與煤質中的硅、鋁元素發生反應，生成硅鈣石(3Ca·SiO2)、鈣黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2)和鈣長石(CaO·Al2O3·6SiO2)等礦物質，這些物質之間會發生低溫共熔現象，因此，當CaO含量增加時，生成的低熔點硅酸鹽含量相應增加，灰熔點就會降低，也就更容易出現結渣問題[11]。

1.3 鍋爐沾污情況

雖然準東煤含堿量高，燃燒時容易沾污、結渣，但是在CFB鍋爐中燃燒時相對于傳統煤粉爐會有一些改善：首先CFB鍋爐燃燒溫度低，相對煤粉爐一般維持在1 200℃左右的燃燒溫度，現在CFB鍋爐燃燒溫度通常在850~900℃，只要燃燒溫度控制得當，就可以避開堿金屬生成硫酸鹽的溫度區，防止液態冷凝膜的產生。同時在更低的燃燒溫度下，進入尾部受熱面的煙氣中鈉元素含量會降低，且灰中低熔點的硅鋁酸鹽達不到熔融溫度，也會減低沾污結渣的風險。而且CFB鍋爐的水冷壁從不發生沾污，不僅因為水冷壁受熱面壁溫低，還因為CFB鍋爐獨特的燃燒方式，使水冷壁在爐內物料的反復持續沖刷下反而變得非常干凈。因此，CFB鍋爐的水冷壁不會像煤粉爐一樣沾污、結渣嚴重。

但從實際來看，未經改造的CFB鍋爐沾污還是會發生在前爐膛屏式過熱器和屏式再熱器，以及后堅井低溫再熱器和高溫過熱器的受熱面上，現場沾污情況如圖1所示，其中圖1(a)和圖1(b)分別是鍋爐后豎井低溫再熱器(煙氣溫度814℃左右)和前爐膛屏式過熱器(煙氣溫度893℃左右)受熱面的沾污情況。

圖1 不同位置受熱面沾污情況Fig.1 Staining of heating surfaces at different locations

通過對CFB鍋爐受熱面沾污和結渣的灰樣進行成分檢測，發現灰樣中堿性氧化物含量較高，酸性氧化物含量較低，屬于典型高鈉煤燃燒后的灰分組成特征。XRF分析顯示，沉積灰中的CaO、Na2O和SO3質量分數分別高達22.36%、14.77%和39.80%，說明沉積灰的主要成分是鈉和鈣的硫酸鹽。而其他元素的含量相對較少，說明鈣鈉硫酸鹽是沉積灰內層形成的主要原因。通過對沉積灰中的礦物組成進行分析，發現沉積灰主要以硫酸鈣(CaSO4)和無水芒硝(Na2SO4)為主，這與上述XRF分析結果一致。通過能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)分析結果發現，積灰中的鈉、鈣和硫元素含量較高，這與XRF和X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)分析結果一致，也進一步證實低熔點硫酸鈉和硫酸鈣的存在是沉積灰初始層形成的主要原因。

2 準東煤純燃改造方案

2.1 改造方向分析

通過以上的研究不難發現，在進行燃燒改造時，對前爐膛溫度和尾部對流受熱面煙氣中大顆粒灰分含量的控制，是降低爐膛受熱面和尾部煙道受熱面灰渣沾污的有效手段。通過控制爐膛溫度在指定區間，可以有效避開堿金屬生成硫酸鹽的溫度區，從而減弱因形成硫酸鹽冷凝膜而帶來的沾污影響，改善爐膛受熱面沾污情況；或者通過其他方式直接減少煙氣中大顆?；曳诌M入尾部煙道的量，從源頭減少尾部對流受熱面沾污問題的產生。

針對目標鍋爐的沾污情況，本文提出了以下鍋爐改造策略：1）通過分離器提效改善系統物料平衡[12-13]，提高系統循環流率，顯著降低爐膛溫度[14-15]，并且降低飛灰份額；2）適當增加爐膛內受熱面積也是降低爐膛溫度的直接手段；3）結合當前大多數CFB鍋爐機組通過摻燒高嶺土[16-17]或高灰分劣質煤種來減緩準東煤尾部受熱面沾污的經驗[18]，可以摻燒其他煤粉鍋爐的灰渣，增加外循環灰量，提高外循環效率，在降低爐膛溫度的同時，通過稀釋灰渣中堿金屬濃度來進一步降低純燃準東煤的沾污傾向。

2.2 分離器提效

新疆準東煤的揮發分含量一般較高，通常能達到30%以上，高溫燃燒時很容易結渣、沾污，而為了提高早期的流化床鍋爐燃燒效率，會設計較高的燃燒溫度，一定程度上“助長”了沾污問題的發生。這是因為堿金屬硫酸鹽在造成沾污問題時，主要是其中的硫酸鈉附著在受熱面上產生的液態冷凝膜的影響。若把爐膛溫度控制得相對較低(一般控制在870℃左右，剛好在硫酸鈉的熔點884℃以下)，就可以避開堿金屬生成硫酸鹽，達到減少沾污的目的。

低溫燃燒雖然對飛灰、底渣含碳量有不利的影響，但在運行過程中只要合理配風，CFB鍋爐分離器效率足夠高，就可以把煙氣中未完全燃盡的量控制在可接受的范圍內。同時進入后豎井的煙氣中含塵量應越少越好，因為煙氣中的固體顆?；曳质钦次鄣母緛碓矗赃M入后豎井的煙氣中固體顆粒灰分的含量必須控制，這也要求提高分離器的效率。因此，把分離器提效作為改造的第一步工作，分離器的改造設計圖和現場改造情況如圖2所示。

圖2 分離器入口改造情況Fig.2 Retrofit of separator inlet

旋風分離器的離心力主要來自于旋風帶動顆粒旋轉時提供的動量，因此分離器的入口流速對分離器效率有決定性影響。在此前的鍋爐運行過程中，旋風分離器的入口流速并不能達到要求，明顯降低了循環灰的分離效率。經校驗核算，原分離器入口流速僅為21 m/s。為提高入口流速，可以對分離器的入口進行優化整形處理，故對左右側水平煙道澆注料厚度按核算加厚100 mm，這樣在縮小煙氣流通面積的同時，也可以改變入口煙氣流向，最終將煙氣流速提高至25 m/s以上。在上述改造之后，按原負荷重新運行鍋爐，通過粒度分布(激光粒徑分析法)對返料灰進行測量，結果發現，爐內循環灰量增加，且返料灰中細粒度灰比例明顯增大，說明改造之后分離效率確實得到了提高，同時循環灰量的增加也達到了提升爐內換熱效率、降低爐內床溫的目的。

由于分離器效率得到提升，因此進入后豎井煙氣中的固體顆粒含量也顯著減少，有效避免了熔融態硫酸鈉鹽冷凝膜因捕捉煙氣中的固體顆粒而造成沾污的情況。同時爐內循環灰量增加，循環次數和屏式受熱面受沖刷的次數也大大增加，可以加強自身清理屏式受熱面沾污；此外，由于水冷壁受到的沖擊加強，因此需要考慮進行磨損治理。

2.3 爐膛降溫措施

為把爐膛燃燒溫度控制得相對低，除分離器改造外，還可以采用增加爐膛內受熱面積的方案。因為爐內受熱面布置的多少直接影響爐內吸熱量，所以在鍋爐已經成型的情況下，直接增大受熱面的面積，就可以達到降低爐膛溫度的效果。

首先可以直接在水冷壁后墻上擴展原有的水冷屏式受熱面，采取肋片狀的布置方式，增大換熱面積和吸熱效果。由于新增加水冷屏的水需要從集中下降管引入，并借用原水冷壁的引出管接到汽包，所以其自身的水動力安全性及其對原水冷壁水動力安全性的影響都必須經過精心設計和計算，以保證整體水動力安全。經過核算，最終的設計方案確定為：沿爐寬均勻布置10片擴展水冷屏(管材型號Φ76 mm×8 mm，材質20 G)，這樣就能達到均勻降低爐膛溫度的目的，且不影響原有的水動力安全特性。

在采取分離器改造和增大水冷屏受熱面積的措施之后，由于爐膛內煙氣的整體溫度降低，導致屏式過熱器和再熱器的吸熱量減少。通過對鍋爐運行數據的分析可知，目前再熱器的余量相對充足，而過熱器的余量很小，改造后會面臨主汽溫度達不到額定值的問題。因此，為了保證主汽溫度，還需要在爐膛內額外增加屏式過熱器受熱面。

增加屏式過熱器受熱面與增加水冷屏受熱面效果一樣，也可以一定程度上達到降低爐膛溫度的效果，但是需要考慮受熱面傳熱安全的問題，確保新增加的受熱面和原受熱面壁溫保持在安全溫度范圍以內，這同樣需要詳細的校核計算。經過核算，最終確定的改造方案為：在原屏式過熱器左右兩側各新增1片受熱面(管材型號Φ51 mm×7 mm，材質12Cr1MoVG)，新增的水冷屏和屏式過熱器布置情況如圖3所示。

圖3 爐膛內新增的水冷屏和屏式過熱器Fig.3 New water-cooled screen and platen superheater in the furnace chamber

通過對比改造前后鍋爐的實際運行參數可知，改造后爐膛內的煙溫降低了70~80℃，爐膛中下部的煙溫可以控制在800℃左右，有效減少了堿金屬生成硫酸鹽，從而降低了受熱面沾污的風險。表5為鍋爐改造(指同時進行分離器提效和爐膛受熱面改造)前后120 MW負荷下具有代表性的煙溫參數。

表5 鍋爐改造前后受熱面積和下爐膛中部煙溫變化Tab.5 Variation of heating surface area and flue gas temperature in middle part of lower furnace before and after boiler retrofit

2.4 燃燒優化調整

雖然對分離器效率進行了提升，但是還不能保證鍋爐具有足夠的循環灰量，這是因為新疆準東煤熱量高、灰分少，難以形成內循環，所以必須對入爐煤進行摻配。利用CFB鍋爐燃料適應性廣、摻燒性能優越的優點，可以向爐內摻燒一些比例的添加劑，如高嶺土、鋁礦土、蛭石、鋁粉、二氧化硅、部分廠家提供的商業添加劑等。通過添加這些固體顆?？梢詫⒚褐械拟c元素固定起來，有效減少進入煙氣中鈉的濃度，并提高爐內灰的灰熔融溫度，從而減緩結渣和沾污。

在以往的燃燒工況中，常用高嶺土摻混燃燒，利用高嶺土中豐富的硅、鋁元素來有效固定堿金屬，并通過改變摻燒比例來改變灰熔點，達到減少受熱面沾污的目的，還能保證完整的內循環過程[19]。但從實際來看，高嶺土的價格昂貴，大量摻燒高嶺土會帶來很重的發電成本負擔。若按一般添加比例(高嶺土質量占入爐總煤質量的8%)來計算，新疆某350 MW鍋爐每日僅高嶺土的花費就要增加發電成本2.6萬元，因此必須要考慮更加廉價易得的摻燒原料。

經研究發現，在該CFB鍋爐燒準東煤時，摻配同電廠的煤粉鍋爐(燒同種準東煤)排出的爐渣效果也非常好，可以形成內循環，且爐渣中二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦與高嶺土含量相差無幾，是高嶺土很好的替代品。所以在本鍋爐的運行過程中，采取摻燒煤粉爐渣的方式，按照質量比100∶6∶18的比例對準東煤、高嶺土和煤粉爐渣進行摻配，然后入爐燃燒。經過核算，摻配后入爐煤的發熱量約14.8 MJ/kg，在保證循環灰量的同時可以降低燃燒溫度和床溫約9℃，有效減緩受熱面沾污。

煤粉爐渣和高嶺土的主要成分對比如表6所示?？梢钥闯觯瑑烧叩闹饕煞纸咏?，故煤粉爐渣完全可以代替高嶺土進行摻燒，而且這些爐渣取自同一個電廠的煤粉鍋爐，可以省下摻配料的進口成本，這也為煤粉鍋爐爐渣的處理利用提供了新思路。

表6 煤粉爐渣和高嶺土成分對比Tab.6 Comparison of pulverized coal boiler slag and kaolin composition %

2.5 運行效果對比

根據上述方案進行鍋爐改造后，在相同的負荷(120 MW)下進行準東煤的燃燒工作測試，連續運行240 d后，重新停爐檢查后豎井和前爐膛受熱面沾污和結渣情況，結果發現，各級受熱面沒有明顯沾污，且前爐膛的屏式再熱器和屏式過熱器表面上原沾污層在循環床料的不斷沖刷下逐漸減少，如圖4所示。與圖1相比，鍋爐改造后沾污情況得到了極大的改善，也在一定程度上證明該鍋爐具備長期純燒準東煤的條件，各級受熱面不會再出現沾污問題。

圖4 改造后的鍋爐受熱面沾污情況Fig.4 Contamination of heating surface of retrofitted boiler

3 結論

1）爐膛溫度高是導致新疆準東煤易結渣的原因之一，CFB鍋爐可以通過分離器入口提速改造，提高分離器效率，一方面可以增加循環灰量、降低爐內床溫，進而減少堿金屬硫酸鹽的生成；另一方面也可以增加循環次數，使屏式受熱面受沖刷加強，改善沾污問題。

2）在爐膛內部增加屏式受熱面，通過增加水冷屏和屏式過熱器的受熱面積，可均勻降低同負荷下的爐膛溫度，降低沾污風險。

3）利用摻混料中的硅、鋁元素固定堿金屬元素，可以稀釋準東煤中的堿金屬含量，在保證內循環的同時降低堿金屬硫酸鹽的生成量，以此減少結渣、沾污問題。新疆準東經濟技術開發區內多家電廠一般添加比例為8%的高嶺土進行摻燒，防結渣效果顯著，基本不會影響入爐煤的著火和燃盡特性。

4）摻燒高嶺土是目前常用的摻燒方案，但在實際研究中發現本廠燒同種準東煤的煤粉爐渣成分與高嶺土接近，可以作為廉價易得的替代品。利用CFB鍋爐燃料適應性廣的優勢，摻燒本身不存在難度，這種方法也為煤粉鍋爐發電后的爐渣提供了新的應用空間。