烟气激冷对准东煤沾污特性的影响

冉燊铭， 张秀昌， 史慧娟， 岳鹏飞， 王锦生，周 棋， 聂 立， 胡修奎

(1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡 643001)

新疆煤炭资源储量居全国之首，第三次煤田预测评估浅资源量(地下1 000 m以内)就有1.06×1012t，主要集中在准噶尔、吐哈-巴里坤、西天山和塔里木北缘等4个产煤区[1]。其中位于准噶尔盆地东部北缘的准东煤田是一个超大型的整装煤田，准东煤的煤质特点是中水分、低灰分、中高挥发分、低硫、低磷和低氯，被认为是优质动力煤，按照规划准东煤田的主要功能之一是被用来建设大型煤电基地，实现“西电东送”，将集中建设大量大型坑口火电站[1-3]。

随着准东煤在火电厂逐渐被使用，其煤灰中碱金属钠含量高的特点容易给锅炉带来严重的结渣、沾污积灰以及沾污引起的磨损等问题，在役机组锅炉只能采用掺烧方式燃用准东煤且掺烧比例需受到严格控制[4-8]。

国外也有燃用高碱煤造成沾污积灰的报道[9-10]。研究表明，高钠煤中的钠在高温燃烧环境下会升华，并与烟气中其他成分(如SO2和FeO等)反应生成Na3Fe(SO4)3、Na2SO4和Na2S2O7等低熔点化合物，这些气相或熔融状化合物会冷凝沉积在管子表面,并捕捉飞灰形成坚固的高温黏结性积灰[9,11-12]。由于钠及某些化合物的熔点较低，无论是煤粉锅炉还是循环流化床(CFB)锅炉，纯烧准东煤时都会出现受热面沾污的问题。

试验表明，沾污与烟气温度存在显著的相关性，在烟气温度较低时沾污会明显减轻[13]。根据电厂运行经验，燃用准东煤时中低温受热面沾污不明显[8]，与试验结果一致。因此，采用循环冷烟气激冷的方式降低对流受热面烟气温度，可能是一条解决准东煤沾污的有效途径[12,14]。依托东方电气集团东方锅炉股份有限公司清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室3 MW综合试验台，研究了不同的烟气激冷温度对受热面沾污情况的影响。

1 试验方案与试验方法

1.1 试验煤质

试验所用燃料为准东煤田五彩湾地区神华露天矿煤。煤质分析和灰成分见表1和表2。

表1 煤质工业分析和元素分析

表2 灰成分

1.2 试验系统和试验方法

在半工业规模的3 MW综合试验台上进行试验，该试验台包括煤粉锅炉和CFB锅炉2个试验平台。煤粉锅炉试验台系统如图1(a)所示，由燃烧系统、点火系统、冷却水系统、除尘器、送引风系统、控制系统和冷烟气循环系统组成，煤粉由一套储仓式制粉系统制备，在燃烧试验之前先启动制粉系统并将煤粉储备在煤粉仓中。CFB锅炉试验台系统如图1(b)所示，除与煤粉锅炉试验台共用一套尾部烟道、空气预热器、除尘设备和引风机外，还有独立的炉膛、送风系统、给料装置、物料循环系统、点火系统和冷烟气循环系统。

(a)煤粉锅炉试验台

(b)CFB锅炉试验台

冷烟气循环系统采用风机抽取除尘器后的部分冷烟气(120 ℃左右)，并将其注入炉膛出口，与高温烟气混合，达到快速降低烟气温度的效果。采用自制的沾污测试管模拟锅炉受热面并考察其沾污情况(见图2)。沾污测试管内通入压缩空气冷却，通过调节空气量来控制沾污测试管壁温，管内集成4根k型热电偶，其中2根热电偶测量进出口空气温度，另外2根热电偶测量壁温。

图2 沾污测试管

采用分散式数据采集系统(IMP)以2 次/min的频率同步采集沾污测试管的烟气温度、壁温、进出口空气温度及空气量，根据上述参数可求得沾污测试管的传热系数H。定义沾污测试管有效传热系数Rh为沾污后传热系数H与清洁时传热系数H0的比值：

(1)

根据Rh随时间的变化曲线可定量分析沾污测试管段的沾污程度。

1.3 试验工况

研究表明，烟气温度在700 ℃以上时，高碱煤沾污开始加重，800 ℃以上则会发生严重沾污[13]。选取800 ℃以上烟气温度作为对比的基础工况，开启冷烟气循环系统，将沾污测试管前的烟气温度降至700 ℃和650 ℃作为验证工况(即激冷工况)，分别在煤粉锅炉试验台和CFB锅炉试验台上进行激冷试验。每次试验之前对沾污测试管段表面进行清理，保证试验开始时管段表面是清洁的。试验中给煤量约为500 kg/h，煤粉粒径R90为20%左右，各工况保持沾污测试管内空气量不变。试验工况见表3。

表3 试验工况

2 结果与分析

2.1 烟气激冷对沾污的影响

为了确定沾污强弱的Rh的分界值，首先在试验台上对5种不同沾污特性的燃料进行了试验研究。在不启用烟气激冷系统的情况下，测试850 ℃烟气温度下的Rh值，并与沾污特性判别指数进行对比，见表4。其中沾污特性判别指数采用灰成分综合积灰指数Rul[15]：

(2)

其中,w(B)=w(CaO)+w(MgO)+w(Fe2O3) +w(K2O)+w(Na2O)，w(A)=w(SiO2)+w(Al2O3)+w(TiO2)。

Rul大于1的燃料被认为沾污倾向严重[15]，图3给出了不同试验煤种Rh与Rul的关系。由图3可知，当Rul=1时，Rh≈0.9。因此，以Rh=0.9作为沾污强弱的分界值。

表4 不同试验煤种Rh与Rul的关系

图3 Rh与Rul的关系

图4 煤粉锅炉试验台Rh随时间的变化

图4给出了不同烟气温度下煤粉锅炉试验台Rh随时间的变化。由图4可知，Rh与烟气温度具有明显的相关性，随着注入炉膛出口的冷烟气量增加，烟气温度降低，Rh逐渐升高。当不投入烟气激冷，烟气温度为850 ℃时，沾污测试管的Rh在4 h后降至0.8以下，6～7 h后降至0.75左右；烟气温度激冷至700 ℃时，Rh在6 h后仍维持在0.9以上；烟气温度激冷至650 ℃时，Rh始终维持在0.95左右。图5给出了试验过程中的沾污测试管照片，其中管子下方为迎烟面。由图5可知，管子的沾污程度与Rh的变化一致，当烟气温度较低时，管子表面更干净。

以Rh=0.9作为沾污强弱的分界值，结合上述结果，可认为煤粉锅炉烟气激冷至700 ℃以下可以解决准东煤沾污严重的问题。

(a)基础工况850 ℃

(b)激冷至700 ℃

(c)激冷至650 ℃

图6给出了CFB锅炉试验台Rh随时间的变化。由图6可知，当不投入烟气激冷系统，烟气温度为820 ℃时，沾污测试管的Rh持续降低，7 h后降至0.86，10 h后降至0.77；烟气温度激冷至700 ℃和650 ℃时，Rh下降速率变缓，10 h后分别为0.85和0.96。以Rh=0.9为沾污强弱分界值，则可认为解决CFB锅炉燃烧准东煤的沾污问题时需将烟气温度激冷至650～700 ℃。

图6 CFB锅炉试验台Rh随时间的变化

对比图5与图6可以发现，不投入烟气激冷系统时，煤粉锅炉Rh的下降速率快于CFB锅炉，这是因为煤粉锅炉的燃烧温度比CFB锅炉高，从而使煤中钠化合物更多地发生挥发或分解进入气态，由于升华进入气态的钠化合物是引起沾污的主要因素[12-13]，故煤粉锅炉的Rh下降更快。对比图5和图6还可以发现，煤粉锅炉的Rh波动更大，这可能是因为冷烟气送入位置与沾污测试管的距离较近，烟气的混合不够充分，使流经沾污测试管的烟气温度分布波动更大造成的。

2.2 沾污原因分析

对煤粉锅炉沾污测试管表面的沾污物质进行了分析，图7为对沾污内层的X射线衍射(XRD)分析结果，其成分主要为Na2SO4和CaSO4。这可能是由于煤样燃烧生成灰的过程中会生成Na2O、Na2CO3和CaO等化合物，由常见钠化合物的熔点(见表5)及分解温度可知，Na2CO3在744 ℃时会发生分解生成Na2O和CO2，Na2O在400 ℃以上会发生分解生成Na2O2和Na，且Na2O在690 ℃时发生升华。分解生成的Na2O2与Na及Na2O的熔点很低，易挥发进入烟气，并遇到烟气中的SO2、SO3生成Na2SO4，Na2SO4遇到温度较低的沾污测试管沉积在上面,形成具有黏性的沾污层，并吸附燃烧形成的灰，造成Rh显著下降。CaSO4的熔点为1 450 ℃，是由灰中含CaO化合物与烟气中SO2、SO3反应产生的，被黏性层黏结而出现在沾污层中。

图8为工况1下准东煤积灰的X射线荧光检测(XRF)分析结果。由图8可知，沾污内层的Na和S质量分数明显比沾污外层偏高，这说明沾污内层出现了Na2SO4富集，这与以往的研究结果一致[9]。李庚达等[16]在用25 kW下行炉研究准东煤的积灰时发现沾污内层细灰比例高于沾污外层，且细灰中的Na和S质量分数显著高于粗灰，而Ca质量分数则相反，与本文的研究结果相同，说明准东煤的初始沾污积灰层主要是由Na2SO4造成的，而CaSO4被尚未凝结的Na2SO4捕捉，引起沾污加剧。

综上分析，当投入烟气激冷系统后，烟气温度骤降至700 ℃以下时，在沾污积灰过程中起黏结剂作用的化合物(主要为Na2SO4)在接触沾污测试管之前就已经开始凝结，降低了其凝结在沾污测试管上的概率，使得在沾污发生过程中起关键作用的黏性底层的形成减弱，从而减缓了沾污的发生。烟气温度越低，Na2SO4的凝结量越高，沾污越弱。因此，在烟气温度激冷至700 ℃时，Rh下降趋势减缓；在烟气温度激冷至650 ℃时，Rh趋于稳定，始终维持在较高水平。此外，冷烟气中Na2SO4浓度应低于热烟气中Na2SO4浓度，掺混后烟气中的Na2SO4浓度有所降低，可能对沾污也有减缓作用。

图7 沾污测试管沾污内层的XRD分析

钠化合物的Na2ONa2O2NaOHNa3Fe(SO4)3Na3Al(SO4)3Na3CO3Na2S2O7Na2SO4熔点/℃611(690℃升华)460(657℃分解)318623646851(744℃分解)399884

图8 准东煤积灰成分分析

3 结 论

(1)3 MW综合试验台准东煤沾污试验结果表明，无论是煤粉锅炉还是CFB锅炉，冷烟气激冷均可以减轻受热面的沾污。

(2)当煤粉锅炉试验台不投入烟气激冷系统，烟气温度为850 ℃时，沾污测试管的Rh在4 h后降至0.8以下，6～7 h后降至0.75左右；烟气激冷至700 ℃时，Rh在6 h后仍维持在0.9以上；烟气激冷至650 ℃时，Rh始终维持在0.95左右。

(3)当CFB锅炉试验台不投入烟气激冷系统，烟气温度为820 ℃时，Rh在7 h降至0.86，10 h后降至0.77；烟气激冷至700 ℃时，Rh在10 h后为0.85；烟气激冷至650 ℃时，Rh下降速率缓慢，10 h后Rh仍在0.96左右。

(4)XRD分析结果显示，准东煤沾污内层主要成分为Na2SO4和CaSO4。XRF分析结果显示，沾污内层存在Na、S富集，Ca的质量分数低于沾污外层，准东煤的初始沾污积灰主要是由Na2SO4造成的，而CaSO4被尚未凝结的Na2SO4捕捉，引起沾污加剧。

(5)当投入烟气激冷系统时，在沾污积灰过程中起黏结剂作用的Na2SO4在接触沾污测试管之前就已开始凝结，使得其凝结在沾污测试管壁上的概率降低，减少了黏性层的生成，从而起到减缓沾污的作用。

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