高适燃高适准东煤的灰钠含量分析

高适燃高适准东煤的灰钠含量分析

新疆准东油田预计将拥有3900亿t煤炭储量，储量2136亿t。这是中国和世界上最大的煤炭开采基地。目前,神华、潞安、鲁能、兖矿等几十家国内大型能源企业正在新疆准东地区进行大规模的煤炭开发。准东煤平均硫分含量为0.24%,在中国煤炭资源中属特低硫分煤。准东煤燃点低、燃尽率高、燃烧经济性高、污染物排放低,是优良的动力用煤,特别符合中国节能减排的目标。但准东煤灰熔融性低,灰中钙、钠、钾含量较高,尤其是其中的Na2O含量多在5%以上,远超过目前国内典型烟煤甚至是褐煤灰的含钠水平。西安热工研究院有限公司发现含钠较高的准东煤具有严重的沾污和结渣特性。乌鲁木齐地区火电厂燃用准东煤的实践表明,对于在役机组锅炉,准东煤只有掺烧才能在现有烟煤锅炉上燃用,且比例不能过高,否则容易出现炉膛燃烧器区水冷壁结焦,导致锅炉炉膛出口烟温升高,水平烟道受热面高温沾污,积灰严重,过再热器管壁超温爆管,严重时甚至不得不停炉清焦。苇湖梁、红雁池一、二厂、乌石化自备电厂、天业电厂、甘肃酒钢电厂等均出现了不同程度结渣和沾污。其中酒钢电厂435t/h锅炉燃用准东煤1~2个月后,大屏、对流受热面等区域还出现了严重的高温腐蚀,被迫停炉。为了保证锅炉安全运行,需要根据目前电站锅炉的运行实践,提出可使锅炉安全运行的准东煤灰沾污特性指标,以此来指导电厂配煤和新建机组锅炉设计。1国内外研究1.1电厂褐煤锅炉的酸比、结渣性能及对炉秆结渣的影响德国是世界上燃用高钠褐煤较多的国家,德国东部第三纪的含钠盐产地富集NaCl可达6.46%(灰中NaCl为38.06%),为高氯、高钠煤。燃用褐煤的关键问题之一是炉内结渣及对流受热面沾污。主要原因是灰成分中碱酸比(B/A)偏高,尤其是Na2O,K2O含量较烟煤高。因此在褐煤锅炉炉膛选型时需注意。研究发现褐煤灰分中的碱金属含量超过3%时就一定要检验其沾污、结渣性能,并且认为f指标超过3%~6%时,锅炉运行就会出现问题,其中式中,B/A为碱酸比;ω1,ω2分别为灰中Na2O和K2O的质量分数。图1为德国多种褐煤的f值。图1中的设计煤和校核煤为神东电力五彩湾电厂1000MW锅炉选型用准东煤。按照它们的沾污表现及对锅炉燃烧的影响划分了3个区段。Ⅰ区为普通褐煤,锅炉能够正常运行;Ⅱ区属较强及严重区,为了达到正常可用率,需要对锅炉和燃烧系统采取降低炉膛温度、加强吹灰等措施,以避免炉膛结渣及受热面沾污;第Ⅲ区的褐煤则属煤粉燃烧方式的禁区。1.2碱金属氧化物中na2o含量对锅炉国际煤灰的影响美国煤炭资源丰富,含盐煤分布较广,如密西西比和捷哈斯克盆地(南部含煤区)以及福尔特-尤尼翁盆地的褐煤、亚烟煤和部分烟煤,代表性煤种如德克萨斯州的Wilcox矿区钠含量为3.4%,达科他州的高钠褐煤钠含量高达7.4%。美国通常根据煤灰成分分析数据,把煤灰分成烟煤型灰和褐煤型灰。研究认为,碱金属氧化物中Na2O含量对锅炉沾污影响最为显著。表1为以Na2O含量判别煤灰沾污的标准。根据表1的标准,可以确定准东煤灰属于典型的褐煤型灰,灰中常见的Na2O含量多在5%~6%及以上,沾污特性属于高-严重等级。对褐煤型灰,碱金属主要与有机质结合(钠和钾的腐殖酸盐),当烧结时,它们转变成易挥发的化合物(碳酸盐和硫酸盐),当升华时,它们被细粒飞灰富集,提高了飞灰的烧结强度,使之难以清除。1.3煤中的钠含量准东煤开发利用之前,大多数烟煤和无烟煤矿区煤灰中Na2O和K2O含量之和小于3%,广西晚二叠纪煤田个别矿区和煤层中含量较高,可达7%~8%;而在褐煤中,其含量通常大于3%,最突出的是广西捻坪黄华洞I号矿层的灰成分,其含量高达12.08%,但未见全烧该煤层的报道。总体来看,中国由于高钠煤应用较少,尚未提出具有针对性的钠含量指标,往往沿用美国、德国等国外标准进行判别。因此根据乌鲁木齐地区电厂锅炉燃用准东煤的经验进行总结,找出适合中国国情的沾污特性指标势在必行。2锅炉安全性分析因目前尚无大型、全烧准东煤锅炉投入运行,能够保证准东煤锅炉安全运行的灰沾污指标主要依据乌鲁木齐周边地区掺烧准东煤的中小容量电站锅炉运行实践得出。本着简单易行的原则,采用Na2O含量作为监测指标。乌鲁木齐周边地区锅炉在准东煤开发之前,主要燃用苇湖梁、碱沟、大洪沟、铁厂沟等煤矿的煤,这些煤具有热值高、钠含量低的特点,灰熔融性与准东高钠煤接近或略高。近年来随着电力用煤的紧张和准东煤的开发,电厂不得不大量掺烧高沾污、结焦性的准东煤,并与不同调试单位合作进行掺烧优化调整实验,最终推荐的准东煤安全燃用比例基本在50%左右。照此计算,可推断出能够保证锅炉安全运行的钠含量指标。但即使对于同容量锅炉来说,由于锅炉燃烧器类型和布置方式、热负荷、最上层燃烧器至屏底距离、吹灰器数量和布置等设计参数以及运行氧量、吹灰方式、磨投运方式、煤粉细度、二次风配风方式等运行参数不同,会导致钠含量指标值出现一定幅度的波动。表2为乌鲁木齐周边地区典型电站锅炉安全掺烧准东煤时的钠含量。表中数据是掺烧优化实验的结果。由表2可以看出,对于目前200,300MW容量锅炉,由于采用了燃烧器分段布置,炉膛和水平烟道过热器布置了大量吹灰器等措施,对煤中钠的适应性明显优于100MW容量锅炉。煤灰中钠含量在3.0%左右时可实现锅炉的安全运行,而100MW容量锅炉煤灰中钠含量应在2.5%左右。与表1中的美国标准相比,该界限值明显偏低,但从沾污指数f值需在1.39~3.30范围内分析,判别结果与德国标准II区较为一致,即需要采取专门措施防止炉膛结渣和受热面沾污。对于新建600,1000MW等级机组锅炉,由图2可以看出,锅炉的容积热负荷呈下降趋势,qV愈小,炉膛容积愈大,停留时间愈长,对煤粉燃尽愈有利,同时因炉膛受热面增加而炉膛吸热愈多,炉膛出口烟气温度降低,使屏区过热器、再热器等高温受热面的沾污结渣倾向降低,炉壁结渣的可能性减小。另一方面,在设计时锅炉厂家会采取更多的避免结焦生成和清除炉膛结焦的措施,如选取比常规烟煤锅炉低的热负荷参数,较大的最上层燃烧器至屏底距离,燃烧器分段布置,多布置吹灰器等,以提高锅炉对高钠煤的适应能力。根据准东煤钠含量的实际状况,新建600,1000MW等级机组锅炉的适应性还有待验证,但从已有的200,300MW级锅炉资料进行预测,其完全适应准东煤还存在一定困难,但其钠含量指标应不会低于3.0%。3煤灰中钠含量1)与中国电站锅炉安全燃用准东混煤时的钠含量值相比,美国的钠含量明显偏高,而德国的沾污指数f判别结果与中国电站锅炉实际运行情况基本一致。2)从已有燃用准东煤的大型电站锅炉调研和试验结果看,对于100MW等级锅炉,煤灰中钠含量值≤2.5%时;对于200,300MW等级锅炉,煤灰中钠含量≤3.0%时,可以实现锅炉的长期安全稳定运行。3)新建600,1000MW等级机组锅炉对于高钠准东煤的适应