準東煤摻燒煤矸石安全性與經濟性分析

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)的準東煤是我國優(yōu)良動力用煤[1]，但準東煤在電廠燃用過程中出現(xiàn)了嚴重的沾污、結渣問題，影響了其開發(fā)利用[2-3]。

眾多科研工作者為解決燃用準東煤時的沾污結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東煤中的堿金屬，減少準東煤中鈉的釋放量。陳大元等[5]指出準東煤摻配低鈉煤或高嶺土時，入爐煤煤灰中總堿金屬質量分數(shù) B 和 B/A×w(Na2O)需控制在 36%和 2.3%以下。曹培慶等[6]指出準東煤防結渣添加劑應一方面降低Na2O質量分數(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，才可以起到防結渣的效果。眾多研究表明硅鋁添加劑可以有效緩解準東煤沾污結渣問題，且目前準東及周邊地區(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，從而減輕爐內結渣、沾污，但由于準東煤田儲量巨大，而周邊地區(qū)低鈉煤及高嶺土價格偏高，亟需開發(fā)出更加經濟的添加劑。

煤矸石是在煤炭開采過程中形成的附加產物。作為我國最大的固體廢棄物來源，煤矸石在煤炭開采過程中產量多，堆積占地大，而且露天堆放易自燃產生瓦斯粉塵污染空氣[8]。目前煤矸石主要用于生產煤矸石水泥，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東煤沾污結渣。本文通過前期煤矸石調研及篩選，分析其摻燒可行性，并在某150 MW機組進行實爐摻燒試驗，為燃用準東煤同類機組提供參考。

1 鍋爐概況及燃煤現(xiàn)狀

1.1 鍋爐概況

某150 MW機組1、2號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，燃燒器共設置四層煤粉噴嘴，鍋爐MCR和ECR負荷時均投三層，另一層備用。燃燒器的一、二次風噴嘴呈間隔排列，頂部設有OFA消旋燃盡風。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，配4臺MPS150型中速磨煤機鍋爐設計煤及準東煤煤質數(shù)據(jù)見表1，煤灰成分數(shù)據(jù)見表2。

表1 煤質數(shù)據(jù)

表2 灰成分數(shù)據(jù)

1.2 燃煤現(xiàn)狀

準東煤相較于設計煤種，水分高、灰分低、發(fā)熱量低；通過灰成分分析可知，準東煤煤灰中折算w(Na2O)=3.9%，遠高于設計煤種。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，有效抑制了爐內的沾污結渣，根據(jù)電站煤粉鍋爐燃煤摻燒技術導則[10]，計算摻燒高嶺土時入爐煤數(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

隨著高嶺土價格的增長，電廠擬采用煤矸石來替代高嶺土，試驗首先對電廠周邊地區(qū)的煤矸石進行調研，并取樣化驗，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，對于100～300 MW常規(guī)鍋爐(設計煤種非準東煤)，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，不宜作為防結渣添加劑與準東煤進行摻燒。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要求。參考高嶺土摻燒時入爐煤數(shù)據(jù)，初步計算煤矸石1摻配比例15%、20%、25%時，均能夠滿足燃用準東煤時防結渣的需要，此時混煤數(shù)據(jù)見表5。由于25%摻配方式下，混煤發(fā)熱量過低，低于設計煤發(fā)熱量28%。本次試驗只進行15%與20%兩種比例下?lián)綗囼?/p>

表5 混煤數(shù)據(jù)(摻配煤矸石)

3 摻燒試驗結果與分析

3.1 制粉系統(tǒng)試驗

由于煤矸石可磨指數(shù)與準東煤的差異性，以及摻燒煤矸石后入爐煤發(fā)熱量降低，相同負荷下，磨煤機出力變大。首先進行單臺磨摻燒試驗，考察摻燒煤矸石對煤粉細度的影響。

在不同磨出力下，測試其煤粉細度，煤粉細度測試結果見表6，由測試結果可知，相同出力下，隨著煤矸石摻燒比例的增大，煤粉細度變粗；在同一摻燒比例下，隨著磨煤機出力的增加，煤粉細度變粗，煤粉均勻性變差。在摻燒20%煤矸石時，磨25 t/h出力下，煤粉細度已超過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)熱量僅在2 MJ左右，分析為煤矸石品質不易控制，混入其他雜質造成。

表6 制粉系統(tǒng)參數(shù)

3.2 煙溫與結渣情況

一般燃用準東煤鍋爐在爐膛、屏式過熱器、高溫過熱器及高溫再熱器區(qū)域均會產生嚴重的結渣沾污，造成爐膛出口煙溫上升，爐內換熱效果變差，導致排煙溫度升高。因此本次試驗通過監(jiān)測爐膛出口煙溫、排煙溫度變化，同時觀察水冷壁及屏區(qū)的管壁結渣情況，來判斷摻燒煤矸石時防結渣效果。

通過鍋爐在線爐溫監(jiān)測設備，記錄摻燒煤矸石后爐膛出口煙溫及排煙溫度的變化，摻燒時間共計14天，首先進行20%比例摻燒試驗，隨后進行15%比例摻燒試驗。如圖1所示，由試驗數(shù)據(jù)可知，隨著摻燒時間延長，爐膛出口煙溫均未超過800 ℃，爐膛出口煙溫與排煙溫度波動變化，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渣及撈渣機大渣情況。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，對比分析未發(fā)現(xiàn)爐內沾污結渣加重。綜上可知準東煤摻燒15%、20%煤矸石時，爐內沾污結渣可控。

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

試驗負荷下，摻配15%煤矸石與摻配20%煤矸石，

圖2 摻燒煤矸石期間爐內結渣情況

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，受熱面未見超溫現(xiàn)象，吹灰頻次并未提高，且吹灰后撈渣機內未見熔融渣塊。摻燒20%煤矸石時，130 MW負荷下燃煤量74.6 t/h，已接近目前磨煤機的最大出力，為不影響鍋爐帶負荷能力，不宜再提高煤矸石摻燒比例。煤矸石中硫分、氮分均低于準東煤中含量，在摻燒15%、20%比例下，試驗期間氮氧化物、二氧化硫排放均未超標?？傮w來看，摻燒煤矸石，鍋爐汽水參數(shù)正常，運行安全穩(wěn)定。

表7 不同配煤方案下汽水參數(shù)

3.4 鍋爐運行經濟性評價

試驗通過反平衡法測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效率對比，由表8可知，由于摻燒20%煤矸石煤粉細度變粗，導致未燃盡碳熱損失較高，鍋爐效率略有降低，同時摻燒20%煤矸石時燃煤量高，入爐煤灰分較高，存在加快設備磨損的風險，增加電廠的設備維護費用。

表8 鍋爐效率對比

鑒于摻燒煤矸石未對污染物生成、鍋爐效率帶來明顯變化，因此摻燒經濟性分析僅考慮標煤單價的變化，表9為摻燒煤矸石與摻燒高嶺土標煤單價比較，可見摻燒15%煤矸石標煤單價略低于摻燒20%煤矸石時標煤單價，以摻燒15%煤矸石為例，相較于摻燒10%高嶺土，標煤單價可降低8元，若按一年燃用標煤80萬t計，則一年可節(jié)約燃料成本640萬元，同時替代標煤4.1萬t。

表9 標煤單價對比

4 結 論

(1)摻燒煤矸石時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，爐內結渣可控，可見摻燒煤矸石可以起到抑制爐內結渣沾污的作用。

(2)隨著煤矸石摻燒比例增大，煤粉細度變粗，煤粉燃盡性變差，同時摻燒20%煤矸石時，入爐煤熱值在17.8 MJ/kg，此時已接近磨煤機最大出力，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，保護環(huán)境，一定程度上節(jié)約標煤，符合國家產業(yè)政策，同時為電廠帶來一定的經濟效益。

在目前準東地區(qū)，低鈉煤與高嶺土價格逐年升高、供不應求的情況下，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，抑制爐內結渣沾污，同時可以帶來一定的經濟效益，節(jié)約原煤，為準東地區(qū)同類燃用準東煤機組提供參考。