1 000 MW燃煤機組負荷變化對飛灰特性的影響

鄭桂波，吳建群，吳 昊，薛寧濤，劉芳琪，徐國榮，于敦喜

(1.廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國能源轉型的加快，近年來可持續能源和核能發電比例逐漸增加；同時，我國煤電裝機容量整體已過飽和，2020年我國煤電發電小時數僅4 340 h，同比2019年利用小時數降低了89 h[1]。煤電地位由基荷型電源向調節型電源轉變。火電在電力供給地位的轉變將導致現有超臨界和超超臨界機組必須參與電力調峰。大容量燃煤機組變負荷調峰運行可有效提高電網對可再生能源消納能力，但會對燃燒過程及系統產生重要影響。研究燃煤鍋爐在不同運行負荷下灰特性將有利于認識變負荷條件下煤灰的結渣和PM2.5的生成特性，從而為鍋爐結渣的防控和PM2.5排放控制提供理論依據。

目前關于燃煤機組負荷變化對鍋爐燃燒特性以及氣體污染物NOx和SO2生成特性影響研究已較充分[2-6]。研究表明，在低負荷運行條件下爐內煙氣流速降低，高溫火焰向主燃區燃燒器出口集中，爐膛出口煙氣溫度降低。為實現鍋爐穩燃，在低負荷下通常采用更高的過量空氣系數[4]，這將導致爐內熱力型NOx生成量增加[5]。而煙氣中SO2生成量主要取決于燃料中S含量[6]，通常由于低負荷條件下空燃比增大,煙氣中SO2濃度降低[7]。

關于不同運行負荷對燃燒特性和氣體污染物生成的影響研究顯示，負荷變化可能影響煤中無機礦物的轉化行為，從而影響無機礦物元素成灰特性。相比燃燒特性和氣體污染物較成熟的研究，目前不同鍋爐負荷對灰轉化特性影響的研究有限。朱志飛等[8]分析了不同負荷對飛灰粒徑分布的影響，結果表明高運行負荷導致飛灰中細顆粒物的含量增加。筆者推測主要影響機理為高負荷運行下更高的燃燒溫度導致煤焦破碎程度加劇，從而有利于細顆粒物的形成。而筆者研究團隊前期研究采用低壓撞擊器(DLPI)對1 000 MW燃煤電站鍋爐在不同運行負荷條件下靜電除塵器(ESP)前的PM2.5進行采樣，發現鍋爐負荷的降低導致燃燒單位煤釋放的PM2.5濃度更高[7]。對PM2.5化學成分進行分析發現，高負荷運行促進Na和Ca等堿金屬和堿土金屬與硅鋁酸鹽發生交互反應，從而促進礦物之間的熔融聚合，減少單位質量煤燃燒產生的PM2.5。

基于現有研究可知，鍋爐運行負荷對飛灰粒徑分布有明顯影響，由此可推測鍋爐變負荷運行條件下飛灰化學成分、礦物特性及熔融行為可能發生相應變化，但相關內容仍缺乏研究，鍋爐運行負荷變化對成灰特性的影響機理仍不明晰。因此本研究采用計算機自動控制掃描電鏡(CCSEM)，對1 000 MW燃煤電站鍋爐原煤及在不同運行負荷條件下ESP前飛灰的化學成分、礦物特性、飛灰粒徑分布和熔融行為進行全面研究，明確鍋爐運行負荷變化對飛灰特性的影響。為燃煤電站鍋爐調峰變負荷運行灰的結渣以及顆粒物的排放特性預測和評價提供數據和理論基礎。

1 試 驗

1.1 鍋爐型號及采樣方法

本次試驗機組為廣東某電廠的1 000 MW超超臨界燃煤機組，該機組為DG3000/26.15-π2超超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐。采用一次再熱、前后墻對沖燃燒方式，排渣方式為固體排渣。

試驗過程采用青島嶗應環境科技有限公司生產的自動煙塵采樣儀對ESP前的飛灰進行采樣，采用K型熱電偶對采樣點煙氣溫度進行測量，飛灰采樣和煙氣溫度測量遵循GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》。鍋爐運行負荷和爐膛出口O2濃度通過鍋爐DCS系統直接讀取，其中O2濃度測量方法參考HJ/T 397—2007《固定污染源廢氣監測技術規范》。

為保證試驗數據的可靠性，在鍋爐達到試驗負荷1 h后開始采樣，試驗期間負荷波動為±5%，不投燃油進行助燃，不進行爐膛吹灰。為保證采集樣品的代表性，每個工況采樣3次以上，并將采集的樣品均勻混合。詳細采樣過程可參考文獻[7]。

1.2 燃料特性和試驗工況

試驗采用燃料是電廠常用的典型煙煤，試驗期間對煤倉進行一次性輸煤，保證入爐煤種和混配方案不變。燃料的工業和元素分析結果見表1。

表1 原煤工業分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of raw coal %

為探究鍋爐負荷變化對飛灰特性的影響，試驗工況選為90%(900 MW)和60% (600 MW)兩個運行負荷。在鍋爐上層燃燒器處布置測溫點對爐膛平均溫度進行測試，在60%運行負荷條件下煙氣溫度約1 410 ℃，在90%負荷運行時煙氣溫度約1 477 ℃。其中90%負荷條件下爐膛口O2體積分數約5.0%，采樣點溫度約為130 ℃；60%負荷條件下爐膛出口O2體積分數約6.7 %，采樣點溫度約128 ℃。可知不同負荷條件下爐膛煙氣溫度相差較小，但為保證更好燃盡率，鍋爐低負荷運行過程采用更大過量空氣系數。

1.3 樣品分析方法

飛灰采樣前將濾筒放入烘箱105 ℃中烘干至質量恒定后稱量，采樣后將濾筒和飛灰樣品放入烘箱105 ℃中烘干至質量恒定后稱量，通過2次稱量質量的差減獲得飛灰質量。將飛灰采用軟毛刷從濾筒轉移至密封樣品瓶以備后續分析。

對飛灰含碳量測試時，根據GB/T 567.6—1995《飛灰和爐渣可燃物測定方法》，將飛灰在馬弗爐815 ℃條件下加熱至衡重，稱量加熱前后飛灰的燒失量，對飛灰中未燃盡碳含量進行測試。

采用CCSEM對飛灰粒徑、化學成分以及礦物成分進行分析。CCSEM分析技術是一種先進的礦物特性分析技術。該技術相比常規的激光粒度分析、XRF分析和XRD分析技術，其優勢在于可對灰粒徑分布和形狀特性等物理信息、化學成分及礦物成分等化學信息進行關聯分析[9]。

測試時，首先將飛灰均勻分散于熔融的巴西棕櫚蠟中進行攪拌、冷卻固化。采用拋光機對固化后的樣品分析表面進行拋光并進行表面噴碳處理。然后在CCSEM的背散射模式下對鑲嵌于巴西蠟中的飛灰顆粒進行識別，并對所識別的每個礦物顆粒形狀、尺寸和化學元素組成進行自動分析。根據飛灰顆粒的化學成分對飛灰礦物成分進行分類。通過對多個飛灰顆粒的統計分析，獲得飛灰粒徑、化學成分、礦物成分和形狀特征。為保證統計分析數據的準確性，保證每種飛灰中分析的顆粒數目大于3 000個。關于CCSEM的分析原理和方法詳見文獻[10]。

為保證底渣的化學成分分析結果的準確性和代表性，首先將飛灰和底渣采用粉碎機研磨粉碎至10 μm以下進行壓片，然后采用X射線熒光光譜(XRF)分別對壓片后的底渣和飛灰樣品成分進行分析。采用數字成像煤灰熔點分析儀測試不同工況下飛灰熔融溫度。

2 結果與討論

2.1 飛灰化學成分和礦物分布特性

飛灰未燃盡碳測試結果見表2，鍋爐燃燒配風組織情況良好，飛灰中未燃盡碳含量較低。對比不同運行負荷下飛灰中未燃盡碳含量，發現低負荷(600 MW)運行條件下飛灰中未燃盡碳含量略低于高負荷(900 MW)運行條件。主要原因為低負荷運行條件下爐膛過量空氣更高，同時煙氣流速更低，焦碳在爐膛停留時間更長，因此燃燒更充分[5,7]。

表2 飛灰中未燃盡碳質量分數Table 2 Mass fraction of unburned carbon in fly ash

采用XRF對飛灰和底渣化學成分分析，結果如圖1所示，可知煤中Fe2O3更易在底渣中富集，而MgO、Na2O和SO3更易在飛灰中富集。進一步對比不同運行負荷條件下飛灰的化學成分，可以發現鍋爐運行負荷變化對飛灰的化學成分無明顯影響。結合對煙氣中煙塵(飛灰)濃度分析，在600 MW負荷下飛灰質量濃度約為14.3 g/m3，在900 MW負荷下約為14.1 g/m3，無明顯區別。因此可合理推測不同負荷條件下煤中無機礦物元素向飛灰中遷移的比例無明顯差別，通過底渣和飛灰的平衡計算(運行1周評價計算值)，飛灰約占煤中礦物輸入的85%～90%。

圖1 飛灰和底渣化學成分分析Fig.1 Chemical composition of fly ash and bottom ash

相比化學成分，灰的礦物分布特性對灰行為影響更重要，因此進一步采用CCSEM分析不同工況對飛灰礦物成分的影響，結果如圖2所示(縱坐標高嶺土和碳酸鈣對應原煤檢測到的礦物，莫來石和氧化鈣對應飛灰中檢測到的礦物)。

圖2 原煤和飛灰礦物成分Fig.2 Mineralogy of raw coal and fly ash

原煤中檢測到的礦物主要包括石英、鐵氧化物、碳酸鈣(方解石)、高嶺土、K硅鋁酸鹽(以伊利石為主)、復雜硅鋁酸鹽以及少量的Fe硅鋁酸鹽和Ca硅鋁酸鹽。其中復雜硅鋁酸鹽主要由Ca、Fe、Si和Al組成的復雜礦物(ω(CaO)+ω(Fe2O3)+ω(SiO2)+ω(Al2O3)> 90 %)。經爐膛燃燒后，煤中石英除部分仍以石英形式存在，有5%～8%轉化為復雜硅鋁酸鹽；碳酸鈣大部分轉化為Ca硅鋁酸鹽和復雜硅鋁酸鹽，少量以硫酸鈣形式存在；高嶺土主要轉化為莫來石，10%～12%轉化為Ca、Fe的硅鋁酸鹽或復雜硅鋁酸鹽；K硅鋁酸鹽主要通過交互反應向復雜硅鋁酸鹽遷移；黃鐵礦經燃燒后主要與硅鋁酸鹽交互反應生成Fe硅鋁酸鹽。綜上可知，除部分高嶺土和石英經高溫后直接進行轉化形成石英或莫來石外，主要含Ca和含Fe礦物均發生明顯交互反應，形成對應的硅鋁酸鹽。

對比鍋爐不同運行負荷對飛灰礦物特性的影響，可發現隨鍋爐運行負荷提高，灰中Ca硅鋁酸鹽、Fe硅鋁酸鹽和復雜硅鋁酸鹽的含量明顯增加。說明鍋爐運行負荷的提高促進礦物間交互反應，這與團隊前期研究推測一致[7]。主要機理可能是高負荷運行條件下，鍋爐具有更高的燃燒溫度，礦物在爐膛中熔融更明顯，因此更有利于不同礦物成分的交互作用[11]。為驗證該機理，進一步分析不同運行負荷下飛灰粒徑分布。

2.2 飛灰粒徑分布特性

為分析煤中礦物成灰行為對粒徑分布特性的影響，根據CCSEM分析結果比較煤中礦物的粒徑分布與飛灰粒徑分布，結果如圖3所示,可知原煤中礦物成灰后明顯向更粗的粒徑分布遷移。這說明相比煤焦和礦物的破碎，礦物元素之間的交互反應和聚合程度的變化是影響飛灰粒徑分布的更重要因素，這與朱志飛等[8]推測認為煤焦破碎是影響飛灰粒徑分布關鍵因素有所區別。

圖3 原煤礦物及飛灰無機礦物粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of inorganic minerals in raw coal and fly ash

相比低負荷運行，高負荷運行下飛灰具有更粗的粒徑分布特性。說明高負荷下更高的燃燒溫度更有利于礦物之間的交互作用和熔融聚合，這與飛灰礦物特性分析獲得一致規律。這解釋了研究團隊前期發現鍋爐運行負荷的提高有利于抑制煤燃燒過程PM2.5的生成[7]。

為進一步探究鍋爐運行負荷對不同無機礦物元素粒徑分布的影響規律，進一步對CCSEM分析結果中主要無機礦物元素(以氧化物形式表示如SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3)粒徑分布特性進行分析，如圖4所示。由圖4(a)、4(b)和4(c)發現SiO2、Al2O3和CaO粒徑分布隨負荷變化的規律與飛灰粒徑變化規律一致。高負荷運行下更高的燃燒溫度有利于含鈣硅鋁酸鹽熔融，從而促進礦物聚合。

圖4(d)顯示鍋爐運行負荷變化對Fe2O3粒徑分布無明顯影響。主要原因是煤中Fe2O3主要以黃鐵礦形式存在(圖2)，雖然更高的燃燒溫度有利于Fe硅鋁酸鹽的熔融聚合，但同時也導致黃鐵礦更快氧化向Fe3+轉化從而抑制含Fe礦物的熔融，在2方面綜合影響下不同運行負荷對Fe2O3粒徑分布影響不明顯[12]。

2.3 飛灰熔融特性

灰的礦物特性分析結果發現鍋爐運行負荷的變化將導致煤中礦物成灰后熔融特性發生改變[13]。礦物熔融對灰顆粒的熔融聚合以及爐膛的結渣有重要影響，因此了解不同運行負荷條件下飛灰的熔融特性變化對預測不同負荷條件下PM2.5的產生及爐膛的結渣傾向有重要意義[14-16]。傳統研究通常對采集的飛灰進行灰熔融溫度測試間接評價灰在爐膛中的熔融特性，而實際上灰熔融溫度測試并不能客觀反映單個煤灰顆粒在爐膛中熔融行為，因此基于灰熔融溫度的測試分析結果可能會與灰在爐膛中實時熔融行為存在較大差異[14]。

圖4 原煤礦物及飛灰中主要無機礦物元素質量粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of major inorganic elements in raw coal and fly ash

考慮到礦物熔融形成液相后在表面張力作用下呈球形，在冷卻后保持圓球形狀，因此可近似認為球形的灰顆粒在爐膛中經歷熔融過程。基于此原理HUFFMAN等[17]提出利用球形度評價礦物熔融行為。其中球形度的定義為顆粒等周長圓半徑如式(1)所示：

(1)

式中，R為顆粒球形度；P為顆粒的周長；A為顆粒的面積。對于完美的圓，球形度為1。

WEN等[18]對不同煤階的灰球形度進行統計分析，發現灰顆粒球形度約為1.2時，可認為其為類球形顆粒，在高溫燃燒時經歷了熔融過程。因此本研究采用與WEN等相似的研究方法，認為灰顆粒球形度為1.2時為類球形顆粒。基于CCSEM分析結果對原煤中和飛灰中類球形顆粒數量進行比較，原煤和飛灰中類球形礦物顆粒質量分數如圖5所示。

圖5 原煤和飛灰中類球形礦物顆粒質量分數Fig.5 Spherical mineral granular mass fraction in raw coal and fly ash

對比原煤和飛灰中類球形無機礦物比例發現飛灰中類球形顆粒質量分數(28%～38%)明顯高于原煤(約5%)，證明類球形顆粒主要由無機礦物在高溫下經歷熔融后產生。對比不同負荷下類球形顆粒的比例，在60%負荷條件下類球形顆粒比例約28%，而90%負荷條件下類球形顆粒的比例約38%，說明在高負荷運行條件下飛灰在爐膛中經歷了更明顯的熔融過程。同時與粒徑分析的結果共同證明了鍋爐高負荷運行條件下由于礦物熔融加劇，更有利于煤粉燃燒過程無機礦物之間的交互反應[11,19]。飛灰熔融溫度測試結果見表3，2種不同燃燒負荷下飛灰熔融溫度無明顯差別。因此可以合理推測高負荷運行條件下爐膛還原氣氛區域增大，爐膛煙氣溫度升高導致飛灰在爐膛中經歷更嚴重的熔融過程。

表3 飛灰熔融溫度Table 3 Ash melting temperature of fly ash

綜上，鍋爐在不同負荷運行下對煤中礦物的成灰特性有重要影響。整體上分析來看，運行負荷降低可以明顯抑制飛灰在爐膛中的熔融，因此有效減緩飛灰在鍋爐中結渣，這與現場運行經驗相符。但是由于低負荷運行條件下灰熔融程度降低，導致礦物元素之間的交互作用減弱，從而使更高比例的飛灰向細灰顆粒遷移，有可能導致飛灰中PM2.5生成比例升高，提高了單位發電量煙氣顆粒物的脫除成本。

此外，黃鐵礦在本試驗負荷條件下(60%和90%)成灰后有相似粒徑分布特性，可能機理是高負荷運行條件下更高的燃燒溫度一方面促進含鐵礦物的熔融，從而加劇含Fe礦物聚合；另一方面，更高的燃燒溫度也可能促進黃鐵礦直接向Fe3+轉化，從而抑制了含Fe礦物的熔融聚合[20]。

3 結 論

1)不同運行負荷對飛灰化學成分無明顯影響，但高負荷運行工況下飛灰中未燃盡碳含量略高于低負荷運行工況，同時高負荷運行工況較明顯的促進礦物的交互反應，導致含Ca和Fe礦物向硅鋁酸鹽或復雜硅鋁酸鹽遷移。

2)不同燃燒負荷下礦物交互作用差異是影響飛灰粒徑分布的主要因素，鍋爐高負荷運行工況下飛灰中SiO2、Al2O3和CaO均向粗粒徑飛灰遷移，負荷變化對Fe2O3粒徑分布無明顯影響，飛灰整體粒徑分布在高負荷工況下向更粗粒徑遷移。

3)不同運行負荷下爐膛燃燒溫度的差異以及礦物行為變化對飛灰在爐膛中的熔融特性有較明顯影響，高負荷運行條件下更高比例的飛灰在爐膛中經歷熔融過程，因此高負荷運行條件下應增加鍋爐吹灰頻率，降低爐膛結渣風險。