掺烧高碱金属煤种的技术探讨

掺烧高碱金属煤种的技术探讨

摘要：受煤炭市场不确定因素影响，某热电厂为了拓宽煤种，挖潜增效，计划在此动力煤份额中以设计煤种为基础，同时掺烧高碱金属含量的新疆准东煤来节约燃料成本。通过对高碱金属煤质特性、燃烧特性、结渣机理以及沾污和腐蚀现状进行分析研究后，逐步展开掺烧试验、优化燃烧调整，来提高锅炉对不同煤种的适应性，拓宽锅炉燃料渠道，降低动力煤采购成本。实践证明，此专项试验取得了良好的效果。

关键词高碱金属煤掺烧结焦燃烧调整安全性经济性

0 引言

近年来，煤炭供应紧张，发电厂已不能燃用单一设计煤种，在保证锅炉安全、经济运行的条件下，配用劣质煤种的混配燃烧，已成必然。某电热公司为了节约燃料成本，降低优质煤的消耗量，采购了价格相对较低的新疆准东煤作为辅助燃料来定量掺烧燃用。准东煤因碱金属含量高，沾污性强而著称，如果燃用不当会对锅炉的安全稳定运行带来很大威胁，目前国内也没有成熟经验可借鉴。为了保证锅炉掺烧燃用此煤种的安全稳定性，确定安全掺烧比例，必须采取专项技术措施进行掺烧试验研究，利用各种煤质在特性上的差异，发挥各掺烧煤种的优点，优化掺烧方案，以适应燃烧优化调整，满足锅炉设计要求，提高锅炉对不同煤种的适应性，拓宽锅炉燃料渠道，降低动力煤

采购成本。

1 高碱金属煤质的特性分析[1]

目前电厂煤种的来源有哈密煤、西域嘉煤、奇台北山煤、神华准东煤、新疆广汇煤等，其中神华准东和奇台北山煤为典型的新疆准东煤田煤质，其因严重的沾污性、结渣性、高水分的特性，在电厂锅炉燃烧过程中易发生严重的结焦问题，成为电厂实际掺烧中的技术难题，也成为准东煤大规模开发应用的障碍。国内近几年一些相关单位也开展相应的研究，但还不能满足锅炉设计人员和运行人员的迫切需要。根据西安热工院测试的典型准东煤煤质特性试验结果如下表1[2]：

表1 典型准东煤煤质特性

元素分析工业分析

Car/% Har/% Oar/% Nar/% St.ar/% Mt% Mad% Aar% Vdaf% Qart.ar M J·Kg-1ST/℃

51.77 2.71 0.39 10.88 0.71 25.0 15.74 8.54 36.04 18.35 1180

灰成分

SiO2/% Al2O3/% Fe2O3/% CaO/% MgO/% Na2O/% K2O/% Tt2O/% S2O/% Mn2O/% 其他/% 32.82 12.19 10.12 16.08 1.72 7.27 2.38 0.18 16.73 0.01 0.5

准东煤的水分和挥发份含量较高，属于极易着火和燃尽的煤，但其灰分、热值较低，且灰中的钾和钠含量较高，灰熔点较低。通常情况下，煤的灰分成分都是以氧化物的形式表示的，并且按其化学性质分为酸性氧化物和碱性氧化物。表2为目前电厂现有的几种煤质的煤灰主要成分分析。从表2中可以看出需掺烧的这几种煤灰中碱性氧化物的含量较高。

表2 掺烧煤质的煤灰成分对比

煤灰是多种化合物的混合物，不具有单一的熔点，煤灰中所含有的多种金属氧化物，它们在灰成分中的含量及比例关系在一定程度上预示了煤灰的结渣特性。一般来说，碱性氧化物提高灰的流动性，酸性氧化物增加灰的粘结性。经验表明，判断煤灰结渣特性，除灰熔点外，常用到煤灰的酸碱比来判断煤灰结渣的难易程度，碱酸比越小越不容易结渣。计算其碱酸比见下表3.

表3 掺烧煤质的碱酸比对比

我国多数煤灰的碱酸比在0.1-1.0之间，除西域嘉煤外，不难看出后面这三种碱酸比较高，这也是该煤值煤灰熔融温度较低的主要原因，也是造成锅炉结渣的根本原因之一。因此我们可以统称为高碱金

属煤种。这种高碱金属煤种主要是指煤灰成分中的钠和钾，它们的化合物大约在800℃即可升华，使锅炉受热面沾污积灰趋于严重。煤灰中碱金属化合物在燃烧时升华，升华灰非常微小，弥散在高温烟气中，主要是靠扩散作用到达管壁，并冷凝在管壁上；冷凝在管壁上的碱金属氧化物，与烟气中的三氧化硫反应生成金属的硫酸盐，在高温对流受热面上，由于钢管壁的催化作用，还可使烟气中的二氧化硫再氧化成三氧化硫的同时形成硫酸盐[3]。硫酸盐与飞灰中的氧化铁及烟气中的三氧化硫反应生成复合硫酸盐，也可与飞灰中氧化铝反应生成复合物，这些反应物在500-800℃范围内呈液态，具有一定的粘性，以这一粘性层灰为粘结剂，还可继续形成粘结物，结灰层迅速发展。另外灰分中的CaO也会发生以CaSO4为粘结剂的沾污和积灰，进而加深沾污结灰的严重程度。煤灰对高温受热面的沾污可以用沾污指数R来表示，是我国锅炉设计中常用的沾污预测指数，对指导煤种的改烧和锅炉机组设备改造更有实际的参考意义。下表4计算出掺烧煤质的沾污指数。另外，通过按照沾污指数R和煤灰中Na2O的干燥重量百分比来判断沾污倾向程度，在国际上也较为通用[4]，见表5。

表4 掺烧煤质的沾污指数对比

由此不难判断出这几种高碱金属煤种的结渣沾污倾向具有相当严重性。

表5 灰中Na2O含量判别沾污倾向

烟煤褐煤

灰中Na2O/% 沾污倾向灰中Na2O/% 沾污倾向

<0.5 低<2.0 低

0.5~1.0 中2~6 中

1.0~

2.5 高6~8 高

>2.5 严重>8 严重

在高温火焰作用下，碱金属会升华，燃烧温度越高，可升华的成份含量越多，并与烟中的SO3结合在一起，凝聚在受热面上形成易熔的Na2SO4、K2SO4等，构成易粘附灰垢的温床。呈熔融状态的K2SO4和Na2SO4会侵蚀管壁生成复合硫酸盐（K2NaFeSO4），熔化温度只有500—600℃，造成受热面发生高温腐蚀。

总之，在相同的气氛性质中，煤灰熔点完全取决于煤灰化学成分的性质和含量。煤灰中的硫、钙、钠、钾等元素能大大强化结渣现象。在还原性气氛下，灰的软化温度较氧化性气氛下低。在氧化性和弱还原性两种气氛下，灰的变形温度与软化温度均随灰中碱性氧化物（如Fe2O3、CaO、MgO等）的含量增加而下降。

2 掺烧高碱金属煤质对机组运行的影响[5]

锅炉受热面沾污结渣在我国火力发电机组中较为普遍，极大地威胁着锅炉的安全经济运行，并且随着机组容量的增大显得更为突出。尤其在燃用高碱金属煤种时，结渣的危害很大，轻则会弱化传热，导致锅炉热效率降低和NOX排放量增加等；重则会导致机组降负荷运行或停炉，甚至发生其它更为严重的恶性事故。具体地讲，表现在以下几个方面：