李 成，李志清，楊建慧，周廣欽

(1.華電阜康發(fā)電有限公司，新疆 阜康 831500； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710065)

位于新疆地區(qū)的準(zhǔn)東煤是我國(guó)優(yōu)良動(dòng)力用煤[1]，但準(zhǔn)東煤在電廠燃用過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的沾污、結(jié)渣問題，影響了其開發(fā)利用[2-3]。

眾多科研工作者為解決燃用準(zhǔn)東煤時(shí)的沾污結(jié)渣問題開展了大量研究工作。姚斌等[4]指出高嶺土中的硅鋁氧化物可以吸收準(zhǔn)東煤中的堿金屬，減少準(zhǔn)東煤中鈉的釋放量。陳大元等[5]指出準(zhǔn)東煤摻配低鈉煤或高嶺土?xí)r，入爐煤煤灰中總堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù) B 和 B/A×w(Na2O)需控制在 36%和 2.3%以下。曹培慶等[6]指出準(zhǔn)東煤防結(jié)渣添加劑應(yīng)一方面降低Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)，另一方面保證Fe2O3和CaO之類的堿性成分不出現(xiàn)明顯升高。李宇航等[7]指出準(zhǔn)東煤添加添加劑需將入爐煤灰中Na2O降低到3.0%以下，才可以起到防結(jié)渣的效果。眾多研究表明硅鋁添加劑可以有效緩解準(zhǔn)東煤沾污結(jié)渣問題，且目前準(zhǔn)東及周邊地區(qū)燃煤發(fā)電廠大多通過摻燒低鈉煤或者高嶺土，來降低入爐煤中鈉含量，從而減輕爐內(nèi)結(jié)渣、沾污，但由于準(zhǔn)東煤田儲(chǔ)量巨大，而周邊地區(qū)低鈉煤及高嶺土價(jià)格偏高，亟需開發(fā)出更加經(jīng)濟(jì)的添加劑。

煤矸石是在煤炭開采過程中形成的附加產(chǎn)物。作為我國(guó)最大的固體廢棄物來源，煤矸石在煤炭開采過程中產(chǎn)量多，堆積占地大，而且露天堆放易自燃產(chǎn)生瓦斯粉塵污染空氣[8]。目前煤矸石主要用于生產(chǎn)煤矸石水泥，耐火磚等建筑材料，也可與煤混燒用于回收煤炭[9]。煤矸石含有一定量的煤，一般熱值在4.2～12.6 MJ，灰分在65%～85%，是多種巖石的混合物，其主要成分為Al2O3、SiO2。根據(jù)現(xiàn)有研究表明硅鋁添加劑能夠有效緩解準(zhǔn)東煤沾污結(jié)渣。本文通過前期煤矸石調(diào)研及篩選，分析其摻燒可行性，并在某150 MW機(jī)組進(jìn)行實(shí)爐摻燒試驗(yàn)，為燃用準(zhǔn)東煤同類機(jī)組提供參考。

1 鍋爐概況及燃煤現(xiàn)狀

1.1 鍋爐概況

某150 MW機(jī)組1、2號(hào)爐由上海鍋爐廠制造的超高壓中間再熱自然循環(huán)鍋爐，Π型布置，爐膛斷面尺寸為深10 412 mm，寬11 324 mm，膜式水冷壁。

燃燒器采用四角布置切向燃燒方式，燃燒器共設(shè)置四層煤粉噴嘴，鍋爐MCR和ECR負(fù)荷時(shí)均投三層，另一層備用。燃燒器的一、二次風(fēng)噴嘴呈間隔排列，頂部設(shè)有OFA消旋燃盡風(fēng)。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，配4臺(tái)MPS150型中速磨煤機(jī)鍋爐設(shè)計(jì)煤及準(zhǔn)東煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1，煤灰成分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。

表1 煤質(zhì)數(shù)據(jù)

表2 灰成分?jǐn)?shù)據(jù)

1.2 燃煤現(xiàn)狀

準(zhǔn)東煤相較于設(shè)計(jì)煤種，水分高、灰分低、發(fā)熱量低；通過灰成分分析可知，準(zhǔn)東煤煤灰中折算w(Na2O)=3.9%，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)煤種。目前電廠通過摻燒10%高嶺土的方式來降低入爐煤種堿金屬含量，有效抑制了爐內(nèi)的沾污結(jié)渣，根據(jù)電站煤粉鍋爐燃煤摻燒技術(shù)導(dǎo)則[10]，計(jì)算摻燒高嶺土?xí)r入爐煤數(shù)據(jù)，折算w(Na2O)=2.88%。高嶺土灰成分及摻配后煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 高嶺土及入爐煤數(shù)據(jù)

2 摻燒方案

隨著高嶺土價(jià)格的增長(zhǎng)，電廠擬采用煤矸石來替代高嶺土，試驗(yàn)首先對(duì)電廠周邊地區(qū)的煤矸石進(jìn)行調(diào)研，并取樣化驗(yàn)，煤矸石數(shù)據(jù)見表4。

表4 煤矸石數(shù)據(jù)

根據(jù)電站煤粉鍋爐入爐燃料的分類與選擇，對(duì)于100～300 MW常規(guī)鍋爐(設(shè)計(jì)煤種非準(zhǔn)東煤)，推薦入爐煤種中的折算w(Na2O)≤3.0%，煤矸石2灰成分中的折算氧化鈉含量為3.5，不宜作為防結(jié)渣添加劑與準(zhǔn)東煤進(jìn)行摻燒。煤矸石1中Al2O3、SiO2含量已接近80%，折算氧化鈉含量為2.27%，符合硅鋁添加劑品質(zhì)要求。參考高嶺土摻燒時(shí)入爐煤數(shù)據(jù)，初步計(jì)算煤矸石1摻配比例15%、20%、25%時(shí)，均能夠滿足燃用準(zhǔn)東煤時(shí)防結(jié)渣的需要，此時(shí)混煤數(shù)據(jù)見表5。由于25%摻配方式下，混煤發(fā)熱量過低，低于設(shè)計(jì)煤發(fā)熱量28%。本次試驗(yàn)只進(jìn)行15%與20%兩種比例下?lián)綗囼?yàn)

表5 混煤數(shù)據(jù)(摻配煤矸石)

3 摻燒試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 制粉系統(tǒng)試驗(yàn)

由于煤矸石可磨指數(shù)與準(zhǔn)東煤的差異性，以及摻燒煤矸石后入爐煤發(fā)熱量降低，相同負(fù)荷下，磨煤機(jī)出力變大。首先進(jìn)行單臺(tái)磨摻燒試驗(yàn)，考察摻燒煤矸石對(duì)煤粉細(xì)度的影響。

在不同磨出力下，測(cè)試其煤粉細(xì)度，煤粉細(xì)度測(cè)試結(jié)果見表6，由測(cè)試結(jié)果可知，相同出力下，隨著煤矸石摻燒比例的增大，煤粉細(xì)度變粗；在同一摻燒比例下，隨著磨煤機(jī)出力的增加，煤粉細(xì)度變粗，煤粉均勻性變差。在摻燒20%煤矸石時(shí)，磨25 t/h出力下，煤粉細(xì)度已超過30%，而煤粉過粗易造成火焰中心上升，煤粉燃盡變差，影響鍋爐效率。

摻燒煤矸石后，石子煤量有所增加，但石子煤發(fā)熱量?jī)H在2 MJ左右，分析為煤矸石品質(zhì)不易控制，混入其他雜質(zhì)造成。

表6 制粉系統(tǒng)參數(shù)

3.2 煙溫與結(jié)渣情況

一般燃用準(zhǔn)東煤鍋爐在爐膛、屏式過熱器、高溫過熱器及高溫再熱器區(qū)域均會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)渣沾污，造成爐膛出口煙溫上升，爐內(nèi)換熱效果變差，導(dǎo)致排煙溫度升高。因此本次試驗(yàn)通過監(jiān)測(cè)爐膛出口煙溫、排煙溫度變化，同時(shí)觀察水冷壁及屏區(qū)的管壁結(jié)渣情況，來判斷摻燒煤矸石時(shí)防結(jié)渣效果。

通過鍋爐在線爐溫監(jiān)測(cè)設(shè)備，記錄摻燒煤矸石后爐膛出口煙溫及排煙溫度的變化，摻燒時(shí)間共計(jì)14天，首先進(jìn)行20%比例摻燒試驗(yàn)，隨后進(jìn)行15%比例摻燒試驗(yàn)。如圖1所示，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著摻燒時(shí)間延長(zhǎng)，爐膛出口煙溫均未超過800 ℃，爐膛出口煙溫與排煙溫度波動(dòng)變化，未見持續(xù)升高。圖2為摻燒后，通過D層燃燒器附近觀火孔觀察到的水冷壁結(jié)渣及撈渣機(jī)大渣情況。摻燒煤矸石后，煤灰酸堿比提高，煤灰中堿金屬含量降低，水冷壁上未見大片的熔融渣，爐渣中多為疏松渣塊，對(duì)比分析未發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)沾污結(jié)渣加重。綜上可知準(zhǔn)東煤摻燒15%、20%煤矸石時(shí)，爐內(nèi)沾污結(jié)渣可控。

圖1 摻燒煤矸石期間煙氣溫度

3.3 汽水參數(shù)及環(huán)保指標(biāo)

試驗(yàn)負(fù)荷下，摻配15%煤矸石與摻配20%煤矸石，

圖2 摻燒煤矸石期間爐內(nèi)結(jié)渣情況

鍋爐主要汽水參數(shù)見表7。過熱器減溫水量在正常范圍內(nèi)，受熱面未見超溫現(xiàn)象，吹灰頻次并未提高，且吹灰后撈渣機(jī)內(nèi)未見熔融渣塊。摻燒20%煤矸石時(shí)，130 MW負(fù)荷下燃煤量74.6 t/h，已接近目前磨煤機(jī)的最大出力，為不影響鍋爐帶負(fù)荷能力，不宜再提高煤矸石摻燒比例。煤矸石中硫分、氮分均低于準(zhǔn)東煤中含量，在摻燒15%、20%比例下，試驗(yàn)期間氮氧化物、二氧化硫排放均未超標(biāo)?？傮w來看，摻燒煤矸石，鍋爐汽水參數(shù)正常，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

表7 不同配煤方案下汽水參數(shù)

3.4 鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

試驗(yàn)通過反平衡法測(cè)試不同配煤方式下鍋爐效率，如表8所示為摻燒高嶺土與摻燒煤矸石時(shí)效率對(duì)比，由表8可知，由于摻燒20%煤矸石煤粉細(xì)度變粗，導(dǎo)致未燃盡碳熱損失較高，鍋爐效率略有降低，同時(shí)摻燒20%煤矸石時(shí)燃煤量高，入爐煤灰分較高，存在加快設(shè)備磨損的風(fēng)險(xiǎn)，增加電廠的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

表8 鍋爐效率對(duì)比

鑒于摻燒煤矸石未對(duì)污染物生成、鍋爐效率帶來明顯變化，因此摻燒經(jīng)濟(jì)性分析僅考慮標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)的變化，表9為摻燒煤矸石與摻燒高嶺土標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)比較，可見摻燒15%煤矸石標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)略低于摻燒20%煤矸石時(shí)標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)，以摻燒15%煤矸石為例，相較于摻燒10%高嶺土，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)可降低8元，若按一年燃用標(biāo)煤80萬t計(jì)，則一年可節(jié)約燃料成本640萬元，同時(shí)替代標(biāo)煤4.1萬t。

表9 標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)摻燒煤矸石時(shí)控制入爐煤灰中折算w(Na2O)<3.0%，鍋爐汽水參數(shù)正常，爐膛出口煙溫、排煙溫度未見升高，爐內(nèi)結(jié)渣可控，可見摻燒煤矸石可以起到抑制爐內(nèi)結(jié)渣沾污的作用。

(2)隨著煤矸石摻燒比例增大，煤粉細(xì)度變粗，煤粉燃盡性變差，同時(shí)摻燒20%煤矸石時(shí)，入爐煤熱值在17.8 MJ/kg，此時(shí)已接近磨煤機(jī)最大出力，不宜再提高煤矸石摻配比例。

(3)摻燒煤矸石，能充分利用固體廢棄物，保護(hù)環(huán)境，一定程度上節(jié)約標(biāo)煤，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，同時(shí)為電廠帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

在目前準(zhǔn)東地區(qū)，低鈉煤與高嶺土價(jià)格逐年升高、供不應(yīng)求的情況下，電廠采用摻燒煤矸石來代替低鈉煤，不僅可以降低入爐煤堿金屬，抑制爐內(nèi)結(jié)渣沾污，同時(shí)可以帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約原煤，為準(zhǔn)東地區(qū)同類燃用準(zhǔn)東煤機(jī)組提供參考。