燃用高钠煤对锅炉受热面的影响

第37卷,总第215期2019年5月,第3期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.37,Sum.No.215May.2019,No.3　掺烧高碱金属煤的超超临界锅炉设计改进及运行优化李彩云,吕　洲(国电龙源电力技术工程有限责任公司,北京　100039)摘　要:国电新疆哈密大南湖煤电备选煤种有高钠(碱金属)含量的特点,在运行中容易产生结焦结渣问题,影响机组安全经济运行。

因此,需要依据煤种优化锅炉设计并给出合理的运行方法。

本文首先对备选煤种进行分析,获取不同煤种的燃烧特性,依据特性优化锅炉的选型设计以及后期运行过程中的参考准则,研究总结能够实现锅炉在燃烧高钠煤情况下安全经济环保稳定运行的最优综合解决方案。

最终机组投产后的运行情况显示,该方法明显改善了机组结焦结渣现象的发生,对高效经济安全利用新疆地区储量丰富的高钠高钾煤具有重要意义。

关键词:掺烧煤;碱金属;燃烧特性;超超临界锅炉;设计改进;运行优化中图分类号:TM621.2 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2019)03-0255-05Design Improvement and Operation Optimization of Ultra-supercritical Boiler for Mixed Firing with High-alkali Metallic CoalLI Cai-yun,LV Zhou(Guodian Longyuan Power Technology Engineering Co.,Ltd.,Beijing100039,China)Abstract:Alternative coal of Guodian Xinjiang Hami Dananhu power plant has the characteristics of high -sodium(alkali metal)content,which is prone to coke and slagging during operation.It could affect u⁃nit's safety and economy.Therefore,it is necessary to optimize boiler design based on coal type and give a reasonable operation method.This paper first analyzes alternative coal types and obtains the combustion characteristics of different coals.Then we optimize boiler's design and give the reference criteria in the latter operation process according to the characteristics.The operation of the unit after it is put into opera⁃tion shows that this method has improved the cooking and slagging phenomenon of the unit obviously.It can conclude that the boiler can be safe,economical and environmentally in the case of burning high-sodium coal.It is of great significance for the efficient and economical use of coal with high-sodium and high-potassium in Xinjiang.Key words:mixed-firing;alkali metal;combustion characteristics;ultra Supercritical Boiler;design refinement;operation optimization收稿日期　2019-03-11 修订稿日期　2019-05-10基金项目:国电集团科技项目(No.2016E1TP00300-001)作者简介:李彩云(1968~),男,本科,高级工程师,主要从事电力工程技术方面的工作。

新疆高钠煤中钠的赋存形态及其对燃烧过程的影响陈川;张守玉;刘大海;郭熙;董爱霞;熊绍武;施大钟;吕俊复【摘要】The existence form of sodium in Xinjiang coals was studied by extraction with distilled water,ammonium acetate and hydrochloric acid step by step.The extraction liquid and the residual coal samples were analyzed using an ion chromatography and an inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy.The influences of different forms of sodium on the combustion characteristics of the high sodium coal were evaluated by the ignition temperature,the burnout temperature and the combustion characteristic index.The results indicate that the sodium existing in the coals is mainly in the form of water-soluble sodium,while the proportions of acidsoluble sodium and insoluble sodium are smaller.The particle size and inner pore structure of coal may have great influences on the water-soluble sodium content in coal samples,while the organic sodium contained in different particle size ranges of coal remains relatively constant.The water-soluble sodium and chlorine in different coals differ from each other.The water-soluble sodium would increase the ignition temperature and burnout temperature and decrease the combustion characteristic index,while the organic sodium would have catalysis on the combustion of coal.%采用不同萃取液对中国新疆高钠煤进行逐级萃取实验,利用离子色谱仪和电感耦合等离子体原子发射光谱仪对萃取制得的滤液和固体煤样进行相应的元素分析,并通过逐级萃取后煤样的着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性指数来分析高钠煤中不同存在形式钠对其燃烧特性的影响.结果表明,中国新疆高钠煤中的钠主要以水溶钠为主,有机钠和不可溶钠含量较少.影响高钠煤中水溶钠含量的主要因素有煤颗粒内部孔隙结构和颗粒粒径,且高钠煤中有机钠在各个粒径范围都保持了相对稳定的含量.煤种不同会导致煤中水溶钠与水溶氯的存在形式不同.煤中水溶钠的存在不利于高钠煤的着火温度和燃尽温度的降低与燃烧特性的提高,相反煤中的有机钠却对其具有促进作用.【期刊名称】《燃料化学学报》【年(卷),期】2013(041)007【总页数】7页(P832-838)【关键词】高钠煤;钠;存在形式;氯;燃烧特性【作者】陈川;张守玉;刘大海;郭熙;董爱霞;熊绍武;施大钟;吕俊复【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院热能工程研究所,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院热能工程研究所,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院热能工程研究所,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院热能工程研究所,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院热能工程研究所,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院热能工程研究所,上海200093;上海机易电站设备有限公司,上海200437;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TQ53中国高钠煤资源丰富，特别是位于新疆准东地区的高钠煤预测储量高达3.9×1011t，目前，累计探明储量为2.136×1011t［1］。

高钠煤燃烧污染物释放特性新疆准东煤炭资源储量丰富,可以满足我国长时间的能源需求。

但准东煤普遍钠含量较高,在燃煤发电过程中容易导致锅炉换热面沾污。

高钠煤沾污的原因是其燃烧过程中产生的钠化合物熔点均较低(硅铝酸钠除外),在锅炉正常燃烧温度下会发生气化,气化的含钠化合物降温凝结是引发沾污的主要原因。

通过加入Si、Al元素含量较高的物质混烧,如高岭土、活性矾土、硅藻土等,可以促使钠元素与这些添加剂物质结合,产生高熔点的硅铝酸钠,减少钠化合物的气化,从而减缓锅炉换热面的沾污。

考虑高钠煤灰本身Si、Al元素含量也较高,因此,将高钠煤灰作为添加剂,与高钠煤混烧来观察是否混烧可以使更多的钠元素跑到灰中。

分别将不同比例的高钠煤灰和高钠煤混烧、将进行过机械研磨的高钠煤灰和高钠煤混烧,结果表明添加灰(无论是否磨过)相比高钠煤单独燃烧,更多地钠元素进入灰中,而且随着添加比例的增加,进入灰中的钠元素比重也会增加。

在同一添加比例下,添加磨过的灰燃烧会比添加没磨过的灰燃烧使更多的钠元素进入灰中。

说明添加灰燃烧可以抑制钠元素的气化,添加比例越高,抑制作用越强。

在同一添加比例下,添加磨过的灰比添加没磨过的灰抑制钠元素气化作用更强。

间接证明加灰燃烧可以减缓对换热面的沾污,添加比例越高,减缓对换热面的沾污效果越好。

在同一添加比例下,添加磨过的灰比添加没磨过的灰有更好的减缓换热面沾污的效果。

由于高钠煤灰现场大量存在,用高钠煤灰作为添加剂,可以省去外购添加剂的成本以及运输成本,对高钠煤的利用非常有意义。

另外,煤炭燃烧过程中会产生粉尘、S02、NOx以及Hg、As、Pb、Cd、Cr等重金属污染物。

目前,针对准东煤燃烧重金属排放特征鲜有研究,本研究选择典型准东五彩湾煤和京玉烟煤,测试其在滴管炉中燃烧后重金属Hg、As、Pb、Cr排放情况。

测试结果表明五彩湾煤本身四种重金属含量都比京玉煤低,尤其是砷与铅,和京玉煤相比非常低。

五彩湾煤与京玉煤飞灰、底灰中四种重金属浓度相差不大。

电站锅炉燃用高灰分煤的研究1、燃烧高灰分煤对锅炉的影响。

1.1、安全影响1.1.1影响锅炉燃烧稳定性燃用灰份高、挥发份低的煤种，由于煤粉着火温度升高，着火点远离喷嘴，火焰中心上移，从而降低喷嘴出口的卷吸热，不利于煤粉着火；灰份增加会使加热灰份的热量增加，因而使得着火区域温度下降。

实验证明，燃煤的理论燃烧温度越低（即灰份和水分的含量越高），灰分增加引起的温度下降越大。

可见高灰份煤由于着火推迟，燃烧温度下降，燃烧的稳定性相对较差，燃烧调整不当，容易造成锅炉熄火。

我厂#2锅炉在2004年2月因燃煤灰份高、煤质差熄火。

1.1.2超温管爆炸当煤种变化，煤粉变粗，着火推迟，火焰中心上移，过热器容易超温管爆炸。

这在大多数锅炉上都发生过。

如2003年3月29日淮北电厂#2炉前屏过热器因超温管爆炸。

保定热电厂#4、#6炉因超温管爆炸。

1.1.3受热面磨损过热器的磨损一般包括机械磨损和飞灰磨损。

当燃煤含灰量过高时，一方面烟气中含灰量增加，对尾部受热面磨损加剧；另一方面尾部烟道内积灰增加，堵住了一部分烟气通道，形成烟气走廊，也加剧受热面的磨损。

1.2、经济影响1.2.1影响锅炉燃烧效率灰份增加会使煤粉的燃烬度变差，灰量的增加使灰的物理热损失成正比增加，导致q4热损失增加，锅炉效率下降。

1.2.2锅炉燃料消耗显著增加由于燃煤的灰份增加，燃煤的挥发份相对较低，不利于煤粉着火燃烧，高负荷时仍会发生燃烧不稳定，需要投油助燃，燃油消耗明显增加。

2002年淮北发电厂燃油消耗尾1060吨，2003年因煤质差全厂燃油消耗1837吨，多耗燃油777吨。

1.2.3制粉单耗显著增加由于煤质差，制粉难，有时制粉系统无法制粉，制粉单耗明显上升，严重时影响机组负荷。

2002年二期制粉单耗平均为23.09千瓦时/吨煤，2003年二期制粉单耗平均为25.49千瓦时/吨煤，制粉单耗上升2.4千瓦时/吨煤。

2、燃烧高灰分煤的对策2.1、煤粉燃烧器改造。

文章编号:0253⁃2409(2014)12⁃1416⁃07　收稿日期:2014⁃07⁃08;修回日期:2014⁃09⁃13㊂　基金项目:浙江省钱江人才项目(2013R 10080);国家科技部国际科技合作项目(2013DFG 61490)㊂　联系作者:王嘉瑞,Tel :0571⁃85246729,E⁃mail :jiarui⁃wang @ ㊂高钠煤水热脱钠处理及其对燃烧特性的影响赵　冰,王嘉瑞,陈凡敏,王小悦,李小江(华电电力科学研究院,浙江杭州　310030)摘　要:以五彩湾高钠煤为研究对象,根据煤中钠的赋存形态,分别研究了不同条件下水洗和水热处理两种方式对碱金属的脱除效果,同时考察了水热处理对煤燃烧特性的影响㊂结果表明,五彩湾煤中钠主要以水溶性钠盐存在;单纯水洗对Na 的脱除效果不理想,并且工艺耗时长㊁耗水量大;水热处理脱钠效率高,钠脱除率高达90.5%,处理后的煤灰中Na 2O 含量降至0.7%,属于低钠煤范围;水热处理后煤样的燃烧速率曲线移向低温区,燃烧特性优于原煤㊂关键词:高钠煤;赋存形态;脱钠;燃烧特性中图分类号:TQ 536.1 文献标识码:AHydrothermal treatment to remove sodium fromhigh sodium coal and its influence on combustion characteristicsZHAO Bing ,WANG Jia⁃rui ,CHEN Fan⁃min ,WANG Xiao⁃yue ,LI Xiao⁃jiang(Hua Dian Electric Power Research Institute ,Hangzhou 310030,China )Abstract :Considering the form of sodium existing in coal ,series of water washing and hydrothermal treatments were used to remove alkali metals from a high sodium coal from Wucaiwan.The variation of combustion characteristics of coal after pretreatment was investigated.The results show that the sodium in the coal mainly exists as water⁃soluble form.The Na removal ratio by water washing treatment does not reach the expectation with the characteristics of time consuming and high water consumption.The hydrothermal treatment is effective in sodium removal as high as 90.5%,and Na 2O content in the ash decreases to 0.7%which belongs to the scope of low sodium level in coal ash.The burning curves of coal samples after hydrothermal treatment move to the low temperature zone ,and the combustion characteristics is improved compared with raw coal.Key words :high sodium coal ;existing form ;sodium remove ;combustion characteristics 五彩湾煤矿位于中国新疆自治区准东地区,是准东煤田4大矿区之一㊂五彩湾矿区位于新疆昌吉州吉木萨尔县,属新疆准东煤田西部独立含煤盆地,含煤面积901.05km 2㊂含煤地层为侏罗系西山窑组㊂五彩湾煤是比较典型的低阶煤,具有准东地区煤种燃点低㊁燃尽率高㊁燃烧稳定性好㊁氮硫含量低的共同特点,是优良的动力用煤㊂然而,煤灰中钠㊁钙含量较高,尤其是煤灰中钠的含量(以Na 2O 计)高达5%以上,明显超过目前中国典型烟煤甚至是褐煤灰的含钠水平[1]㊂电厂锅炉燃用高钠煤炉膛燃烧器区容易出现水冷壁结焦,导致锅炉炉膛出口烟温升高,水平烟道受热面高温黏污,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㊂目前,该煤种只能和煤灰中酸性金属含量高的其他煤种掺配用于电厂锅炉燃烧,严重限制了该煤种的大规模应用㊂目前,针对燃用高钠煤出现的上述问题,而提出和正在研究的技术方法主要有脱钠提质㊁固钠㊁添加高铝矿物质㊁与煤种相匹配的燃煤锅炉设计和改造等[2~4],但至今未能有效改善目前高钠煤的应用现状,暂不能实现现役锅炉纯烧该类煤种的目标㊂实验以五彩湾煤为研究对象,根据煤中钠的赋存形态,分别研究了不同条件下水洗和水热处理两种方式对碱金属的脱除效果,同时研究了水热处理对煤的燃烧特性的影响㊂该研究将为高钠煤的深加工提供技术参考,为大规模工业应用提供有效的路径㊂1　实验部分1.1　实验物料五彩湾(WCW )实验样品为粒径小于0.2mm 的煤样(电厂入炉煤粉粒径要求),粒径在0.02~0.075mm 的颗粒占88%以上㊂其工业分析和元素分析见表1,煤样500℃灰化的灰成分分析见表2㊂第42卷第12期2014年12月燃　料　化　学　学　报Journal of Fuel Chemistry and Technology Vol.42No.12Dec.2014表1　样品的工业分析与元素分析Table1　Proximate and ultimate analyses of sampleProximate analysis w d/%Ultimate analysis w d/% V FC A C H N S Qnet,ad/(MJ㊃kg-1)30.9364.984.0975.723.630.520.4615.5820.0　*by difference表2　煤灰灰成分分析Table2　Ash composition analysis of sampleElement P2O5Fe2O3MgO CaO TiO2Al2O3Na2O K2O w/%0.068.516.9530.840.326.356.550.301.2　煤中钠的赋存状态分析根据文献[5~7]报道的逐级萃取的方法对煤中钠的赋存状态进行分析,分别用水㊁0.1mol/L醋酸铵㊁0.1mol/L盐酸对煤进行逐级萃取㊂1.3　水洗处理实验称量约5g干燥煤样,与一定比例的超纯水混合均匀,在设定的温度下恒温搅拌2h后冷却,抽滤,收集得到的样品在105℃左右干燥后用于灰化和灰成分的测定㊂考察的水洗实验条件见表3㊂表3　水洗实验条件Table3　Operating conditions of washing experiments Temp.t/℃Water∶coal(mass ratio)Time t/h305∶12405∶12505∶12805∶125010∶125020∶125030∶121.4　水热处理实验水热处理实验在美国Parr公司生产的4570型反应釜中进行,反应釜容积为500mL,设计压力为5000psi,设计温度为500℃㊂控温仪表为Parr公司生产的4843型控温仪,控温精度±1℃,水热处理实验装置示意图见图1㊂将蒸馏水和20g原煤(≤0.2mm)按一定的质量比加入到高压釜中混匀,按力矩由小到大,对称拧紧螺栓,冲入一定压力的氮气检查气密性,不漏气则继续充放几次氮气以排净釜中的空气后维持设定的初压,然后以一定的升温速率加热至设定温度㊂达到设定的恒温时间后,停止加热,让高压釜在空气中自然冷却到室温,抽滤分离煤水混合物(釜内壁与热电偶外侧用棉花擦试干净),将煤样在真空80℃条件下干燥12h,计算样品回收率,干燥后的煤样用于灰化和灰成分的测定㊂通过单因素变量原则,分别考察温度㊁恒温时间和水煤质量比对五彩湾脱钠效果的影响,考察的实验条件见表4㊂图1　水热处理实验装置示意图Figure1　Schematic diagram of hydrothermal treatment表4　水热处理实验设定的工况条件Table4　Operating conditions ofhydrothermal treatment experimentsTemperaturet/℃Holding timet/minWater∶coal(mass ratio)120302∶1170302∶1220302∶1270302∶1300302∶122052∶1220152∶1220602∶1220902∶1220301∶1220303∶1220304∶1220305∶11.5　煤样的灰化为了预防煤样灰化过程中钠的挥发,实验借鉴7141第12期赵　冰等:高钠煤水热脱钠处理及其对燃烧特性的影响　文献中的方法[8],在低温500℃对煤样进行灰化处理㊂灰化方法为取1g 左右的煤样平铺在定制的刚玉坩埚(80mm ×55mm )上,在马弗炉中500℃恒温2h ,煤样能够完全氧化的同时避免剧烈燃烧的发生㊂1.6　燃烧特性分析采用Pyris 1热重分析仪在空气气氛下对煤样进行燃烧特性分析实验,样品量为3~5mg ,反应气流量为20mL /min ,升温速率20K /min ,温度30~1050℃㊂1.7　煤灰灰成分分析采用安东帕8XF 100型消解仪消解样品,取500℃灰化样品(20±5)mg ,加入5mL HNO 3和1mL HF ,1200W 功率下运行30min ,后加入15mL 4%的硼酸溶液络合溶液㊂采用Optima 8000电感耦合等离子发射光谱仪(ICP⁃OES )对消解溶液进行灰成分分析,等离子气流量为10L /min ,雾化气流量为0.7L /min ,辅助气流量为0.2L /min ,径向观测㊂2　结果与讨论2.1　五彩湾煤中碱金属的赋存形态五彩湾煤中碱金属与碱土金属的赋存状态分析结果见表5㊂由表5可知,碱金属Na 主要以水溶和醋酸铵溶形态存在,分别占67.3%和28.5%,共计95.8%㊂另有少量以酸不可溶的硅酸盐的形式存在㊂因此,煤中大部分的钠可采用水洗的方法脱除㊂而碱土金属Mg 和Ca 主要以醋酸铵可溶和盐酸可溶形态存在,水可溶的极少;另外,由于K 含量过低,故在此不做分析㊂表5　五彩湾煤中主要碱金属和碱土金属的赋存形态Table 5　Distribution of main AAEM *in WCW coalElement Content w /%water solubleNH 4AC solubleHCl solubleinsoluble Na 67.328.50.63.6Ca 2.016.076.55.5Mg3.930.754.710.7*:alkaline and alkaline earth metal2.2　不同条件下水洗处理对钠脱除效率的影响水洗温度对钠脱除率的影响见图2,由图2可知,在水煤质量比为5∶1,水洗时间2h 条件下,Na 的脱除率随水洗温度升高而提高㊂在30℃条件下可脱除50%以上的Na ,而温度提高到80℃,钠的脱除率也只有60.6%㊂图2　水洗温度对钠脱除率的影响Figure 2　Effect of washing temperature on sodium removal ratio 水煤质量比对钠脱除率的影响见图3㊂由图3可知,在恒定50℃水洗2h 条件下,随着水煤质量比的增加,Na 的脱除率增加,水煤质量比增加至30∶1时,Na 的脱除率达到65%以上㊂图3　水洗条件下水煤质量比对钠脱除率的影响Figure 3　Effect of water⁃coal mass ratio on sodium removal ratio by water washing treatment 从水洗结果看出,单纯水洗,需要耗费大量的水,且对碱金属Na 的脱除未达到理想效果(仅能脱除水溶形态Na ),经计算后发现水洗后五彩湾煤样灰成分中仍含有2%以上Na 2O ㊂水洗过程主要受水可溶的钠盐在煤的空隙结构中的传质和煤表面的钠向水中扩散两个过程控制,可以预见如果继续提8141　燃　料　化　学　学　报第42卷高温度,增加水煤质量比,甚至延长水洗时间,钠脱除率还将得到缓慢提高,但这将会进一步增加水耗和能耗,而且难以实现该煤种的锅炉纯烧,降低了工艺的实际工业应用价值㊂2.3　水热处理对钠脱除效率的影响从煤的水洗脱钠研究结果可以看出,提高水洗温度,钠脱除率还有进一步提高的空间㊂但是28.5%含量的醋酸铵溶形态的钠是与煤中官能团相连的,脱除这部分有机形态的Na ,只能通过煤分子结构上发生断键变化才能实现㊂Favas 等[9~11]釆用水热处理方法对褐煤进行改性时发现,水热处理的煤中的钠离子几乎全部析出到废水之中㊂因此,为了达到理想的脱钠效果,实验进一步研究了水热处理对钠脱除率的影响㊂不同水热处理温度对煤灰中主要元素的影响见图4,为了能较直观的与原煤作对比,水热处理的样品通过固体收率与灰产率统一换算为干燥原煤基准㊂由图4可知,原煤经水热处理后碱金属Na 含量显著降低,而其他元素的含量变化不明显㊂温度㊁恒温时间和水煤质量比对碱金属Na 脱除率的影响见图5㊁图6和图7㊂图4　不同水热处理温度对煤灰中主要元素的影响Figure 4　Elements content in the samplestreated under different temperatures 由图5可知,在恒定水煤质量比2∶1,水热恒温时间为30min 条件下,钠的脱除率随水热温度升高而显著增加,在温度为300℃时,钠的脱除率达到了90.5%,大部分醋酸铵溶形态的钠也得到了脱除㊂刘红缨等[12]在用水热法对褐煤进行改性时发现,随着水热温度的升高煤中的羧基含量逐渐降低,至300℃时羧基含量减少了60%㊂赵卫东等[13]认为,随着水热温度升高,活性较高的含氧官能团会不断分解释放出CO 2等小分子㊂这说明实验水热过程煤很可能发生了脱羧反应,一些有机形态的钠因此得以一同脱除㊂图5　温度对钠脱除率的影响Figure 5　Effect of temperature on sodium removalratio图6　恒温时间对钠脱除率的影响Figure 6　Effect of holing⁃time on sodium removalratio图7　水热条件下水煤质量比对钠脱除率的影响Figure 7　Effect of water⁃coal mass ratio on sodium removal ratio by hydrothermal treatment 由图6可知,在恒定水热温度为220℃,水煤质量比为2∶1条件下,钠的脱除率随恒温时间的延长而缓慢增加,至30min 后基本不再变化,说明30min 内钠在固相与液相之间已经达到了动态平衡㊂这也说明了只有升高温度才能促使煤中有机官能团的继9141第12期赵　冰等:高钠煤水热脱钠处理及其对燃烧特性的影响续断裂或分解,从而达到深度脱除有机形态钠的效果㊂由图7可知,在恒定水热温度为220℃,恒温时间为30min 条件下,随水煤质量比的提高,钠的脱除率呈增加趋势,但增加幅度小于温度的影响㊂水煤质量比由1∶1增加至5∶1,钠的脱除率由68.6%增加至84.7%㊂水量增加主要是通过降低液相中的Na 离子浓度,从而提高了煤与水相中钠的浓度梯度,促进煤中的钠离子向水中扩散与移动㊂上述结果表明,温度㊁恒温时间和水煤质量比对煤中Na 脱除率均有不同程度的影响,其中,受温度影响最为显著,水煤质量比次之,恒温时间超过30min 后,延长恒温时间对脱钠效果无明显提高㊂与单纯水洗相比,水热处理的高温高压的条件,促使高钠煤空隙结构中游离的钠和煤中有机结构分解释放出的钠转移至水相,从而明显降低了煤中的钠的含量㊂当温度达到300℃,煤中钠脱除率达90.5%㊂水热处理后煤灰灰成分分析见表6㊂由表6可知,煤灰成分中Na 2O 的含量可降至0.72%,达到中国动力煤对Na 2O 的含量要求[14]㊂表6　水热处理后煤灰灰成分分析Table 6　Ash composition analysis of the hydrothermal treated sampleTemperature t /℃Content w /%Na 2O CaOMgO K 2O Al 2O 3Fe 2O 3TiO 2P 2O 51202.6632.707.490.266.527.610.350.041702.6433.027.520.296.808.350.370.052202.0135.067.710.297.419.220.390.072701.2435.967.880.257.8710.240.420.073000.7235.017.570.197.549.610.360.072.4　水热处理对煤炭燃烧特性的影响原煤和不同水热温度处理后得到煤样的燃烧特性曲线见图8㊂由图8可知,水热处理后煤炭的燃烧特性曲线均移向低温区,最大燃烧速率比原煤均有不同程度的提高,但变化程度与水热处理温度之间没用直接的对应关系㊂图8　不同温度水热处理后煤样的燃烧速率曲线Figure 8　Combustion curves of samples under different hydrothermal treating temperature 为了更准确反映样品燃烧特性间的差异,采用着火点温度㊁燃尽温度㊁最大燃烧速率和最大燃烧速率点对应温度来表征[15],并通过燃烧指数S 综合反映煤样的着火和燃烧特性㊂实验通过TG⁃DTG 法确定煤的着火温度,即在DTGA 曲线上,过峰值点作垂线与TGA 曲线交于一点,过该点做TGA 曲线切线,该切线于失重开始时平行线的交点所对应的温度定义为着火温度㊂燃烧不断进行,DTG 曲线逐渐趋近于零值附近,过该点作垂线与TGA 曲线交于一点,该点对应温度定义为燃尽温度㊂过DTGA 曲线燃烧峰值点作垂线,与TGA 曲线交点横坐标为最大燃烧速率对应温度,竖坐标为最大燃烧速率点对应百分率㊂燃烧指数S 按下式计算[16]㊂S =W max ×W mean t 2i t h(1)式中,W max ㊁W mean 分别为最大燃烧速率和平均燃烧速率,%/min ;t i ㊁t h 分别为着火温度和燃尽温度,S 值越大,煤的燃烧特性越佳,详细燃烧特性参数见表7㊂由表7可知,水热处理温度升高,煤样的S 值逐渐增大,而处理温度达到300℃,S 值又明显降低㊂这可能与不同温度条件下脱除的钠的形态有关,较低温度下脱羧反应一般不发生,主要脱除的是无机钠盐,S 值增大说明这些无机钠盐的存在不利于煤炭的燃烧㊂这是因为煤炭在燃烧前期存在两个吸热反应,一是高含量的水溶性Na 由煤孔隙或表面挥发到气相中;二是水溶性Na 向酸溶和酸不溶形态转变[17~19]㊂伴随着煤中无机形态钠的脱除,该部分的吸热效应减小,进而使得煤的燃烧特性变佳;而温度300℃条件下,一部分对燃烧有催化作用[20]的活241　燃　料　化　学　学　报第42卷性有机钠也被一并脱除,导致煤的燃烧特性变差㊂另外,从表7可以看出,恒温时间和水煤质量比对S值影响不太明显,但与原煤相比,由于均脱除了大量的水溶性Na ,S 值均增大,燃烧特性均优于原煤㊂表7　不同水热处理条件得到煤样的燃烧特性参数Table 7　Combustion characteristic parameters of hydrothermal treated samplesEffect parameter Sample t i /℃t h /℃t max /℃W max /%S ×107Temperature t /℃raw coal397.9677.1500.89.45.05120⁃2⁃30*382.4627.0473.210.57.74170⁃2⁃30386.8653.2473.99.66.02220⁃2⁃30385.4621.0467.911.89.03270⁃2⁃30389.5637.7457.513.09.04300⁃2⁃30395.7640.2463.311.97.92Holding time t /min220⁃2⁃5390.1622.2469.111.98.67220⁃2⁃15390.6636.3464.711.47.67220⁃2⁃30385.4621.0467.911.89.03220⁃2⁃60387.8631.0465.411.28.03220⁃2⁃90386.5626.8467.411.48.39Water :coal (mass ratio )220⁃1⁃30389.8622.5458.712.39.03220⁃2⁃30385.4621.0467.911.89.03220⁃3⁃30394.3648.8467.510.26.40220⁃4⁃30390.6633.6464.110.97.60220⁃5⁃30387.1659.4463.310.26.25　t i :ignition temperature ;t h :burnout temperature ;t max :temperature at the maximum burning rate ;W max :maxmum burning rate*:temperature ⁃water /coal ⁃holding time3　结　论五彩湾煤中Na 主要以水溶性无机盐和醋酸铵溶有机形式存在于煤中,而Ca 和Mg 主要以水不可溶的物质形态存在㊂通过常压低温下水洗可以脱除煤中60%左右的钠,水洗处理后的煤中钠含量依然较高,不能满足动力用煤的要求㊂水洗脱钠耗水量大㊁耗时长,是一个受溶解扩散控制的物理过程㊂水热处理促使煤的空间结构在高温高压下发生变化,煤表面及空隙结构中游离的钠快速迁移至水相中㊂另外,在高温高压下发生的脱羧反应也进一步提高了钠的脱除率㊂当水热处理温度达到300℃,煤灰灰成分中钠的含量(以Na 2O 计)降至0.7%,属于低钠煤的范围㊂水热处理后煤样的燃烧特性与原煤有明显差异,燃烧曲线均移向低温区,根据燃烧特性评价指数S 值判断,燃烧特性均优于原煤㊂这与煤中不同形态的Na 对燃烧反应的影响有关,水溶性无机钠不利于煤的燃烧,而有机钠对燃烧有促进作用㊂致　谢:感谢中国矿业大学(北京)王永刚教授课题组在实验中提供的帮助!参考文献[1]　杨忠灿,刘家利,何红光.新疆准东煤特性研究及其锅炉选型[J ].热力发电,2010,39(8):38⁃40.(YANG Zhong⁃can ,LIU Jia⁃li ,HE Hong⁃guang.Study on preperties of Zhundong coal in Xinjiang region and type⁃selection for boilers burning this coal sort [J ].Thermal Power Generation ,2010,39(8):38⁃40.)[2]　陈川,张守玉,施大钟,刘大海.准东煤脱钠提质研究[J ].煤炭转化,2013,36(4):14⁃18.(CHEN Chuan ,ZHANG Shou⁃yu ,SHI Da⁃zhong ,LIU Da⁃hai.Study on sodium removal for Zhundong coal upgrading [J ].Coal Conversion ,2013,36(4):14⁃18.)[3]　张守玉,陈川,施大钟,王健.一种高钠煤固钠方法:中国,103421575A [P ].2013⁃12⁃04.(ZHANG Shou⁃yu ,CHEN Chuan ,SHI Da⁃zhong ,WANG Jian.A method to fix sodium from the high sodium content coal :CN ,103421575A [P ].2013⁃12⁃04.)[4]　常家星,杨忠灿.能够保证锅炉安全运行的准东煤灰沾污指标研究[J ].锅炉技术,2013,44(6):17⁃20.(CHANG Jia⁃xing ,YANG Zhong⁃can.Study on Zhundong coal ’s ash fouling indicator to ensure safe operation of boilers [J ].Boiler Technology ,2013,44(6):17⁃20.)[5]　刘小伟,徐明厚,姚洪,于敦喜,吕当振,张会兴.煤中钠元素赋存形态对亚微米颗粒物形成的影响研究[J ].工程热物理学报,2009,30(9):1589⁃1592.1241第12期赵　冰等:高钠煤水热脱钠处理及其对燃烧特性的影响2241　燃　料　化　学　学　报第42卷(LIU Xiao⁃wei,XU Ming⁃hou,YAO Hong,YU Dun⁃xi,LV Dang⁃zhen,ZHANG Hui⁃xing.Study of occurrence mode of sodium effect on the submicron ash paticle formtion during coal combustion[J].Journal of Engineering Thermophysics,2009,30(9):1589⁃1592.) [6]　SHEVKOPLYAS V N,SARANCHUK V I.The impregnation effect on low and middle rank coals structure reorganization and their behaviorduring pyrolysis[J].Fuel,2000,79(5):557⁃565.[7]　LI C Z.Some recent advances in the understanding of the pyrolysis and gasification behaviour of Victorian brown Coal[J].Fuel,2007,86(12/13):1664⁃1683.[8]　LI C Z,SATHE C,KERSHAW J R,PANG Y.Fates and roles of alkali and alkaline earth metals during the pyrolysis of a Victorian browncoal[J].Fuel,2000,79(3/4):427⁃438.[9]　FAVAS G,JACKSON W R.Hydrothermal dewatering of lower rank coals.1.Effects of process conditions on the properties of dried product[J].Fuel,2003,82(1):53⁃57.[10]　FAVAS G,JACKSON W R.Hydrothermal dewatering of lower rank coals.2.Effects of coal characteristics for a range of Australian andinternational coals[J].Fuel,2003,82(1):59⁃69.[11]　FAVAS G,JACKSON W R,MARSHALL M.Hydrothermal dewatering of lower rank coals.3.High⁃concentration slurries from hydrothermallytreated lower rank coals[J].Fuel,2003,82(1):71⁃79.[12]　刘红缨,郜翔,张明阳,朱彦敏,朱书全.水热法改性褐煤及含氧官能团与水相互作用的研究[J].燃料化学学报,2014,42(3):284⁃289.(LIU Hong⁃ying,GAO Xiang,ZHANG Ming⁃yang,ZHU Yan⁃min,ZHU Shu⁃quan.Study on lignite modified by hydrothermal and the interaction between the oxygen containing functional groups and water[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2014,42(3):284⁃289.)[13]　赵卫东,刘建忠,周俊虎,曹晓哲,张光学,岑可法.低阶煤高温高压水热处理改性及其成浆特性[J].化工学报,2009,60(6):1560⁃1567.(ZHAO Wei⁃dong,LIU Jian⁃zhong,ZHOU Jun⁃hu,CAO Xiao⁃zhe,ZHANG Guang⁃xue,CEN Ke⁃fa.Hot water treatment of low rank coal in high temperature and high pressure reactor and its slurry ability[J].Journal of Chemistry Industry,2009,60(6):1560⁃1567.) [14]　张守玉,陈川,施大钟,吕俊复,王建,郭熙,董爱霞,熊邵武.高钠煤燃烧利用现状[J].中国电机工程学报,2013,33(5):1⁃11.(ZHANG Shou⁃yu,CHEN Chuan,SHI Da⁃zhong,LV Jun⁃fu,WANG Jian,GUO Xi,DONG Ai⁃xia,XIONG Shao⁃wu.Situation of combustion utilization of high sodium coal[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(5):1⁃11.)[15]　贺业光,杨天华,孙洋,魏砾宏,李润东.钾对秸秆混煤燃烧特性影响的研究[J].燃料化学学报,2011,39(7):507⁃512.(HE Ye⁃guang,YANG Tian⁃hua,SUN Yang,WEI Li⁃hong,LI Run⁃dong.Influence of potassium on co⁃combustion characteristic of coal and straw[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2011,39(7):507⁃512.)[16]　孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方法[M].北京:中国电力出版社,2001.(SUN Xue⁃bustion test technology and method of coal⁃fired boiler[M].Beijing:China Electric Power Press,2001.) [17]　卫小芳,黄戒介,房倚天,王洋.外加NaC1和NaAc褐煤在气化过程中钠的形态变迁规律研究[J].燃料化学学报,2009,37(1):6⁃10.(WEI Xiao⁃fang,HUANG Jie⁃jie,FANG Yi⁃tian,WANG Yang.Transformation of sodium during gasification of a lignite with addition of NaCl and NaAc[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2009,37(1):6⁃10.)[18]　ENDERS M,WILLENBORG W,ALBRECHT J,PUTNIS A.Alkali retention in hot slag under controlled oxidizing gas atmospheres[J].Fuel Process Technol,2000,68(1):57⁃73.[19]　汉春利,张军,颜峥,顾璠,刘坤磊,徐益谦.钠在煤燃烧初期释放特性的多元相关分析[J].燃烧科学与技术,2002,8(5):395⁃398.(HAN Chun⁃1i,ZHANG Jun,YAN Zheng,GU Fan,LIU Kun⁃lei,XU Yi⁃Qian.Multivariate stafstical analysis on the behaviour of sodium of coal in the initial stage of combustion[J].Journal of Combustion Science and Technology,2002,8(5):395⁃398.)[20]　谢克昌.煤的结构与反应性[M].北京,科学出版社,2002.(XIE Ke⁃chang.Coal structure and its reactivity[M].Beijing:Science Press,2002.)。

电站锅炉燃用高碱煤对燃烧特性影响研究摘要：随着我国火力发电技术不断增强，中国火电装机容量逐年攀升，发电量也在增加，对煤的需求量也在上升，如此巨大的需求量，单一的煤种选择不能满足我国发电用煤的需要，不同的煤种之间存在着较大的差异，即使同属于一种煤，随着产区、矿点、开采年份以及开采深度的变化，煤在工业分析、元素分析以及低位发热量上依旧存在着诸多差异。

本文对电站锅炉燃用高碱煤对燃烧特性影响进行分析，以供参考。

关键词：电站锅炉;高碱煤;燃烧特性;引言为改善和优化电站锅炉的燃烧特性，众多研究机构与学者对燃煤电站锅炉安全及经济性进行研究分析。

改善和优化电站锅炉燃烧特性的技术措施有很多，如改变过量空气系数和燃尽风率、改变燃烧器及其投运方式、空气分级、变煤种燃烧和混煤燃烧技术、建立燃烧预测模型和数值模拟计算等。

针对目前国内电厂锅炉的现状，采用了基于参数调节的试验、燃烧原理模型、燃烧装置的设计与改造、燃烧技术的优化等技术。

然而，各种燃烧优化技术都存在优劣，因此，必须根据实际情况采用适当的燃烧优化技术，使其达到最优燃烧控制。

1概述近年来，为了降低发电成本及加大煤种供货范围，我国大量火电厂相继开展了锅炉非设计煤种的掺烧试验研究。

而大量燃用劣质煤，尤其是高硫高碱煤，会造成锅炉内部结焦现象加重，其中屏式过热器底部挂焦并频繁掉焦是锅炉运行中比较常见的问题。

炉内严重结焦给锅炉运行的安全性和经济性会带来不良影响，如炉膛过热蒸汽温度及排烟温度的升高，导致过热器及再热器管壁过热、超温等问题出现。

炉膛上部焦块的掉落，还会影响炉内燃烧的稳定性，易造成炉膛负压出现大幅度波动，严重时会造成水冷壁砸穿、炉膛灭火等安全事故。

根据研究，煤质差以及炉内温度过高可能是炉内出现严重结焦的主要原因。

而水冷壁附近还原性气体的体积分数过高时也会加剧炉内结焦。

煤质较差时主要有煤种灰熔点低的问题，对于有些锅炉运行中易出现分割屏入口烟温高于燃煤的软化温度的情况，此时锅炉对煤种适应性较差，易造成屏式过热器出现结焦。