引言某电厂机组锅炉，原设计煤种为华亭煤40%+广旺煤60%；校核煤种为华亭煤20%+广旺煤80%。因煤源受到制约，广旺煤供给量逐年减少。电厂主力煤种现为新疆煤、宁夏煤、神混煤等，在主力煤种掺烧过程中，存在炉内结焦严重等问题。因此，需要对当前煤源结构展开研究，以期实现对广旺煤的部分或全部代替。为实现安全、高效、清洁燃用现有煤种，根据煤源情况，通过对现有煤种进行实验室煤质改性、煤种适应性分析、实炉燃烧诊断与优化、实炉掺烧试验等研究，优化混煤掺配方式以及掺配比例，减轻炉内结焦，为电厂常态化掺烧提供参考。1掺烧理论矿物质不同温度赋存不同形态。电厂锅炉在燃煤发电过程中，煤灰中矿物质元素在锅炉不同位置具有一定程度的富集[1-2]。研究表明，炉渣中硫、钙、钾、钠元素含量低于煤灰中的含量。根据元素富集理论，在燃煤燃烧中，元素的迁移对煤质具有改性作用[3]，改善入炉煤的结焦与制粉防爆的特性。将灰渣（大渣+省煤器灰）作为添加剂[4]，掺配到煤种中进行试验，试验思路为：（1）选取具有代表性的添加剂与燃煤样品，进行化验检测，掌握各自的煤质指标；（2）在一维火焰炉试验台上，对不同比例的添加剂进行掺烧试验，分析添加剂对混煤结渣性能的影响[5]；（3）结合试验结果，考虑添加剂与机组锅炉各主辅设备的匹配性，分析添加剂掺烧的可行性，确定适宜的添加剂比例；（4）掺烧试验应用于实际电站煤粉锅炉上，对添加剂的比例进行优化调整及验证；（5）监测电厂的制粉系统、锅炉、燃烧系统、污染物处理系统等运行情况；（6）提出合理、经济的添加剂与燃煤的掺混方式以及掺混比例。2煤质改性计算结合电厂现有的煤源结构，基于实验室煤质改性试验，选取灰渣与煤种的掺混比例，以一定的掺配方式进行混煤的配制。灰渣与煤种掺混比例如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.T001表1灰渣与煤种掺混比例项目比例1比例2比例3比例4宁夏煤0.300.300.950.40新疆煤0.650.6000神混煤0000.50灰渣0.050.100.050.10选取煤种样品、灰渣样品以及不同比例的混煤样品，进行入炉煤工业分析试验。煤种、灰渣以及不同比例混煤的工业分析如表2所示。由表2可知，煤种掺入灰渣后，不同比例的混煤灰分均升高，挥发分均降低。在煤种燃烧过程中，灰分延缓燃料热量的释放，从而提高制粉系统的防爆安全性。煤灰中氧化物按离子势可分为：酸性氧化物A和碱性氧化物B。A包括SiO2、Al2O3以及TiO2等，离子势较高，在煤灰熔融物中起网络支撑作用，灰渣较难熔融，称为网格形成剂；B包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，离子势较低，在煤灰渣熔融时破坏熔融体中多聚物，起助熔作用，称为网格改变剂[6]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.T002表2煤种、灰渣以及不同比例混煤的工业分析项目宁夏煤新疆煤神混煤灰渣比例1比例2比例3比例4全水分Mt/%21.4023.5017.60021.7020.5220.3317.36空气干燥基水分Mad/%12.7914.428.77013.2112.4912.159.50收到基灰分Aar/%13.927.548.31100.0014.0818.7018.2219.72干燥无灰基挥发分Vdaf/%38.5936.5634.96035.3433.5136.6632.92全硫St,ar/%0.930.360.3100.510.500.880.53收到基低位发热量Qnet,v,ar/(MJ/kg)18.5820.0722.86018.6217.6217.6518.86当碱酸比B/A≤1时，随着碱酸比的增加，煤灰中碱性氧化物与酸性氧化物相互作用易生成低熔点的硅铝酸盐，煤灰熔点随着碱酸比升高而降低[7]。灰渣掺入煤种后，碱酸比降低，理论上煤灰熔点升高，防结焦性能得到提高。煤种、灰渣以及不同比例混煤的煤灰成分分析如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.T003表3煤种、灰渣以及不同比例混煤的煤灰成分分析项目符号宁夏煤新疆煤神混煤灰渣比例1比例2比例3比例4二氧化硅/%SiO250.7038.7351.2349.9252.9153.3255.6555.65三氧化二铝/%Al2O313.2314.8815.9815.2415.7814.3415.8515.85三氧化二铁/%Fe2O312.2017.788.7613.2712.2411.5310.2310.23氧化钙/%CaO11.0612.0013.559.548.509.638.948.94氧化镁/%MgO2.112.731.322.162.011.981.711.71氧化钠/%Na2O1.582.941.231.731.421.331.041.04氧化钾/%K2O1.930.592.001.581.782.022.112.11二氧化钛/%TiO20.600.300.590.610.690.690.760.76三氧化硫/%SO36.009.004.405.163.894.552.982.98二氧化锰/%MnO20.130.240.280.170.160.130.160.16煤灰碱酸比B/A0.450.670.400.260.430.370.390.33灰中折算钠含量/%Na2OZS2.853.332.552.152.772.592.662.433锅炉与燃用煤种适应性评估煤结渣特性趋于严重，各热负荷参数趋于减小。增加屏下缘与最上层燃烧器中心距离，可以减缓分隔屏或大屏区的结渣特性。将电厂热电34#锅炉的主要热负荷参数与国内烟煤锅炉的热负荷参数进行对比。机组容量与容积热负荷、截面热负荷、燃烧器区壁面热负荷之间的关系分别如图1~图3所示。机组容量与最上层燃烧器中心距屏底距离的关系如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F001图1机组容量与容积热负荷的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F002图2机组容量与截面热负荷的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F003图3机组容量与燃烧器区壁面热负荷的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F004图4机组容量与最上层燃烧器中心距屏底距离的关系由图1~图3可知，电厂热电34#锅炉炉膛容积热负荷、截面热负荷在30万等级烟煤锅炉中处于中等偏高水平，燃烧器区壁面热负荷属中等水平。从热负荷参数看，电厂热电34#锅炉属于典型烟煤锅炉，与设计煤质相互适应，防结渣能力属于中等偏低水平，锅炉运行中需关注燃烧器区域结渣问题。由图4可知，在30万等级烟煤锅炉中，机组容量与最上层燃烧器中心距屏底距离仍处于中等偏低水平，煤粉燃尽距离较短，锅炉运行中应关注屏区及对流受热面结渣。电厂锅炉共有蒸汽吹灰器120台。IR型短吹灰器58台、IK525型长伸缩式吹灰器42台、GB型固定式吹灰器16台、空预器吹灰器4台。位于A层燃烧器下部的14台短吹灰器长期停运，实际可用吹灰器偏少，存在炉膛结渣清理能力不足情况。锅炉除渣系统采用刮板式捞渣机，排渣量15~65 t/h。设计煤种灰分为27.67%，实际燃煤灰分基低于设计值。该锅炉采用湿式除渣系统，对结渣性煤种的适应性较强。锅炉运行中应注意避免炉内结大块焦，防止焦块落水产生的蒸汽影响燃烧稳定性。制粉系统采用钢球磨煤机中间仓储式乏气送粉系统。钢球磨煤机可获得较细的煤粉细度，对控制炉内水冷壁结焦和降低火焰中心、减轻屏区沾污较为有利。在掺入一定比例灰渣作为防结焦添加剂的情况下，钢球磨煤机耐磨损性较强，加入灰渣对煤粉细度影响较小。需要注意的是，对于中储式系统，在燃煤挥发分较高时，煤粉过细将增加制粉系统爆炸风险。4混煤性能分析及优化4.1混煤结渣性能分析选取不同比例的混煤样品，进行结渣特性试验。比例1~比例4样品的结渣形貌如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F005图5比例1~比例4样品结渣形貌比例1~比例4样品的结渣性能结果如表4所示。比例1~比例4样品的结渣参数如表5所示。比例1混煤结渣指数值为0.546，属于高结渣等级；比例2~比例4混煤结渣指数值均大于0.650，均属于严重结渣等级。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.T004表4比例1~比例4样品结渣性能结果项目判别方法判别依据指数值结渣倾向比例1燃烧试验判别一维火焰炉结渣指数Sc0.546高比例20.680严重比例30.847严重比例40.821严重10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.T005表5比例1~比例4样品结渣参数项目测点第一级第二级第三级第四级第五级第六级比例1烟温/℃1 3671 2741 1701 080985903渣型黏熔强黏聚黏聚弱黏聚附着灰附着灰比例2烟温/℃1 4031 3321 2301 1661 063992渣型熔融黏熔强黏聚弱黏聚附着灰附着灰比例3烟温/℃1 3401 2501 1621 1381 036960渣型熔融黏熔黏聚弱黏聚附着灰附着灰比例4烟温/℃1 3561 2531 1471 0701 036935渣型熔融黏熔强黏聚弱黏聚附着灰附着灰在现有煤源条件下，不同比例掺配混煤，结渣倾向均较高。因此，需要进行优化，改善混煤结渣特性。4.2实炉掺烧调整优化不同比例混煤掺烧方式对比结果如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.T006表6不同比例混煤掺烧方式对比结果项目新疆煤65%+宁夏煤30%+灰渣5%新疆煤60%+宁夏煤30%+灰渣10%神混煤50%+宁夏煤40%+灰渣10%神混煤40%+宁夏煤50%+灰渣10%宁夏煤95%+灰渣5%制粉系统（经济性）煤粉细度满足燃烧需要，磨煤机运行方式基本无影响。煤粉细度满足燃烧需要，三磨运行时间增加，制粉电耗增大。制粉系统（防爆）制粉系统运行参数（磨煤机出口温度、煤粉细度）没有大的问题，将各磨煤机分离器挡板开度适当调大后，降低了挡板积粉自燃的风险。运行方式AB磨运行AB磨运行ABC磨运行AB磨运行AB磨运行锅炉效率/%93.4193.5592.7192.7992.66汽水参数正常正常再热器减温水量增加，升负荷超温再热器减温水量略增正常NOx生成浓度/(mg/m3)（实测）127139187133153原烟气SO2浓度/(mg/m3)（表盘）1 000~1 5001 200~1 5001 3501 400~1 8002 300~2 800原烟气粉尘浓度/(mg/m3)（表盘）4747575855结渣特性结渣较轻结渣较轻结渣严重结渣较多结渣较多（1）通过制粉系统试验，调平同层燃烧器一次风速，减轻了炉内火焰偏斜，使热负荷集中于炉膛中心位置。增加磨煤机粗粉分离器挡板开度，在煤粉细度满足燃烧条件下，减少了挡板处积粉，降低了积粉自燃风险。（2）通过燃烧调整试验，得到锅炉运行参数，包括运行氧量、配风方式、一次风速、磨煤机组合方式等。双磨运行（AB磨运行）和三磨（ABC磨运行）运行时，锅炉效率分别从92.61%、91.86%提高到92.97%、92.08%；NOx生成浓度分别从145 mg/m3、203 mg/m3降至140 mg/m3、190 mg/m3以下；原烟气粉尘浓度47 mg/m3，与调整前持平，满足超低排放要求。（3）通过吹灰试验，确认炉内结渣位置，提出燃尽风下部吹灰器加吹的建议。将上述掺烧方式的混煤进行对比。综合考虑，在新疆煤65%+宁夏煤30%+灰渣5%混煤和新疆煤60%+宁夏煤30%+灰渣10%混煤的掺烧方式下，锅炉运行的各方面参数均较好，优先推荐这两种掺烧方式。在大比例掺烧神混煤时，锅炉结渣较为严重，燃用神混煤等高热值煤时，应注意控制混煤的掺烧比例。4.3实炉掺烧结渣情况对比不同比例混煤掺烧后大屏管子状态如图6所示。不同比例混煤F层燃烧器观火口状态如图7所示。不同比例混煤捞渣机渣型状态如图8所示。与不掺烧灰渣煤种相比，比例1屏区结渣状态变化不大，左侧基本无结渣，右侧结渣略多，但均为疏松渣。未投运的D层及F层燃烧器喷口水冷壁出现挂渣，吹灰后结渣减轻，D层2#、4#角及F层2#角结渣较多，捞渣机刮板上开始出现块状渣。电厂原吹灰方式：炉膛短吹两天吹一次，长吹每班吹一次。根据锅炉实际结焦情况，将短吹改为一天吹一次。更改吹灰频次，运行一天后，锅炉结渣减轻。比例1掺烧3天后炉膛温度变化如图9所示。掺烧第二天屏区烟温上升明显，在增加炉膛短吹频次后，烟温未再上涨，炉膛结渣得到了控制。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F006图6不同比例混煤掺烧后大屏管子状态10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F007图7不同比例混煤F层燃烧器观火口状态10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F008图8不同比例混煤捞渣机渣型状态10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F009图9比例1掺烧3天后炉膛烟温变化综合考虑，采用比例1掺烧方式，环保经济性提高，汽水参数正常，炉膛结渣可控，制粉系统运行正常，在180 MW负荷下锅炉可以长期安全稳定运行。比例2的掺烧方式运行第一天，F层燃烧器4#角喷口附近水冷壁结渣较多，至第二天该位置结渣掉落，此后均未再结渣。屏区只有零星挂渣，A层、C层燃烧器喷口水冷壁结渣较少，D层、F层燃烧器喷口水冷壁除F层3#角有少量疏松渣外，其余位置管子均干净。捞渣机上虽有部分块状渣，但较为疏松，不影响锅炉安全运行。综合考虑，采用比例2掺烧方式，运行环保经济性较高，汽水参数正常，炉膛结渣可控，制粉系统运行正常，在180 MW负荷下锅炉可以长期安全稳定运行。比例3的掺烧方式下，屏区结渣量相较前两种掺配方式变化不大，燃烧器区D层4#角及F层1#、3#、4#角出现结渣，捞渣机上大渣块增多。在此掺烧方式下，锅炉结渣有所加重，但在180 MW负荷下锅炉安全运行基本不受影响。综合考虑，采用比例3的掺烧方式，制粉系统电耗增加，锅炉效率相对较低，炉膛结渣较多，SO2生成浓度较高，锅炉运行环保经济性较差。比例4的掺配方式下运行10 h，屏区结渣增多，F层燃烧器区水冷壁出现明显结渣。从捞渣机渣型看，大块硬渣明显增多，渣块表面部分呈熔融状态。锅炉在此掺烧配比下结渣明显加重。5结语（1）新疆煤65%+宁夏煤30%+灰渣5%和新疆煤60%+宁夏煤30%+灰渣10%这两种掺烧方式，辅以加强炉膛短吹和燃烧优化的方式，可以实现锅炉的安全高效运行，可部分替代广旺煤。（2）长久考虑，掺烧灰渣将加重制粉系统设备、管道及炉内受热面磨损，电厂对此需采取一定的防磨措施。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.004.F010