引言根据目前的煤炭消费量，准东煤可以满足我国未来100年的煤炭消费需求[1]。准东煤具有挥发分高、灰分低、燃烧特性好等特点，是良好的动力用煤[2]。但准东煤中碱金属和碱土金属(AAEMs)含量高，在燃烧过程中极易引起受热面结渣沾污，导致传热恶化甚至爆管，造成锅炉非计划停车[3]。目前，很多学者针对准东煤燃烧过程中灰相关的问题开展了大量实验及模拟研究[4-5]，提出锅炉设计及改造方案[6-8]。改造后煤粉炉准东煤的掺烧比例最高可达90%[9-10]。与煤粉炉相比，循环流化床(CFB)锅炉的运行温度相对较低(850~950 ℃)，燃烧高碱煤时可以减少碱金属向烟气的释放，减少灰沉积。在循环流化床锅炉中燃烧高碱煤被认为是解决结渣和沾污问题的有效手段[11]。CFB锅炉燃烧高碱煤减少和改善了灰相关的问题，但不能完全避免。根据文献[12]和文献[13]报道，CFB锅炉仍存在积灰、结渣和沾污问题。在实际应用时须采用其他方案，如加入添加剂、掺烧低碱煤等方式，才能保证锅炉的稳定运行。锅炉实际运行时，CFB锅炉不同受热面的结渣沾污状况具有明显区别。在烟气温度较高的对流受热面区域，出现严重的结渣状况，且渣体与管壁贴合紧密，难以清除；在烟气温度低的区域，受热面非常清洁，说明准东煤燃烧过程中存在易结渣沾污的烟气温度区间。因此，文中提出在锅炉烟气温度较高的区域布置屏式辐射受热面，将对流受热面布置于该温度区间之后，提出纯烧准东煤循环流化床锅炉设计方案，并开展工程验证。1锅炉设计方案1.1准东煤结渣沾污特性AAEMs对受热面的结渣沾污有重要影响，因此选用AAEMs含量较高的煤种作为设计煤种，并以此开展锅炉结构设计。锅炉设计煤种煤质分析及灰成分分析如表1和表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.T001表1锅炉设计煤种煤质分析项目数值项目数值收到基水分/%26.00收到基氧/%11.25收到基灰分/%6.59收到基氮/%0.54干燥无灰基挥发分/%31.19收到基全硫/%0.43收到基碳/%52.83收到基低位发热量/(MJ/kg)19.11收到基氢/%2.3610.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.T002表2锅炉设计煤种灰成分分析成分含量成分含量Fe2O36.99SiO238.56Al2O39.49SO315.51CaO16.52K2O1.30MgO4.98Na2O5.00TiO20.66P2O50.17%由表1和表2可知，设计煤种灰分低、挥发分高，且灰分中Na2O含量占5.00%。含有气相碱金属的烟气在流经对流受热面时被冷却，碱金属蒸气直接凝结在受热面上，或在温度降低时凝结为颗粒，并与烟气中的灰颗粒形成低熔点物质，从而在对流受热面上形成结渣沾污，烟气温度约750~900 ℃[14]。在烟气温度更低的受热面上无明显的结渣沾污现象。因此，可通过合理布置受热面，将对流受热面布置于该烟气温度区间以后，缓解对流受热面的结渣沾污状况。在高温烟气区域设置屏式受热面，通过增设或改进吹灰设备，及时清理受热面的结渣沾污层。1.2锅炉受热面布置在旋风分离器与尾部竖井之间布置汽冷烟道，使主要的对流受热面入口烟气温度低于750 ℃。汽冷烟道由汽冷包墙包覆而成，中间由隔墙将烟道分为两部分，分别为下行烟道和上行烟道。下行烟道为空烟道，上行烟道沿烟气流程分别布置水冷管束、中温、低温过热器。下行烟道出口烟气温度约724 ℃。BMCR工况下锅炉参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.T003表3BMCR工况下锅炉参数项目设计值项目设计值主蒸汽流量/(t/h)325给水温度/℃158主蒸汽出口压力/MPa9.81进风温度/℃20主蒸汽出口温度/℃540锅炉计算效率/%93.871.3锅炉整体布置锅炉为高温高压自然循环、单炉膛、平衡通风、固态排渣的全封闭布置循环流化床锅炉。锅炉整体结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.F001图1锅炉整体结构炉膛采用全膜式水冷壁结构，在炉膛前墙沿宽度方向分别布置1屏式水冷中隔墙、6片水冷蒸发屏、8片屏式过热器（高过，4下4上）。炉膛宽13 716 mm，深5 638.8 mm。炉膛出口布置两台冷却式旋风分离器，其下部各布置1台回料器。旋风分离器分离的大粒径物料从回料口重新进入炉膛。锅炉共有4个给煤口，均匀布置在前墙水冷壁下部收缩段。在回料器回料腿上预留石灰石接口。炉膛底部的水冷风室两侧布置一次热风道。炉膛下部一次风道内布置两台点火燃烧器，用于加热一次流化风，进而加热床料。两个排渣口布置在炉膛后水冷壁下部，分别对应两台滚筒式冷渣器。燃烧所需的空气分为一、二次风，分别由炉底和水冷壁前后墙送入。BMCR工况运行时，一次风量占比为45%。二次风采用单层布置，以保证提供煤燃烧所需的空气。同时提高二次风喷口的高度，可以在炉膛密相区形成更强的还原性气氛，从而减少氮氧化物的生成。1.4锅炉吹灰系统为了保持受热面的清洁，在锅炉各级受热面上部设置蒸汽吹灰系统。蒸汽吹灰系统的汽源取自中温过热器入口。汽冷包墙区域的烟温处于结渣沾污较强的温度区间，长期运行后，包墙上可能存在结渣沾污。因此，设计方案在汽冷包墙区域设置1套水力吹灰装置，用于去除包墙管壁表面沾污层。2锅炉运行效果分析2.1锅炉负荷适应性锅炉实际燃用煤种煤质特性如表4所示。实际燃用煤种与设计煤种的氧量、灰分及低位发热量等均存在一定的差异，会对炉内的燃烧及传热过程产生影响。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.T004表4锅炉实际燃用煤种煤质特性项目数值项目数值收到基碳/%52.70收到基灰分/%10.23收到基氢/%2.46收到基水分/%23.90收到基氧/%9.92干燥无灰基挥发分/%33.21收到基氮/%0.42收到基低位发热量/(MJ/kg)18.69全硫/%0.37锅炉不同负荷运行期间的床温分布如图2所示。随着锅炉运行负荷的降低，炉膛平均床温略微降低。床温有一定限度的波动，但变化范围较小，说明锅炉在各负荷下运行基本稳定。图2锅炉不同负荷运行期间的床温分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.F2a1（a）50%10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.F2a2（b）67%10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.F2a3（c）100%收集不同负荷下锅炉运行的关键参数，测定不同负荷下锅炉飞灰和残渣含碳量，计算锅炉效率。不同负荷运行时的锅炉效率如图3所示。不同负荷运行时，锅炉均保持较高的效率，超过93%，说明锅炉运行状况良好。50%负荷下锅炉效率最高，为93.60%；67%负荷及100%负荷下锅炉效率略低于50%负荷。原因是锅炉100%负荷和67%负荷时的排烟温度高于50%负荷。随着排烟温度的升高，锅炉效率直线降低，排烟温度每提高20 ℃，效率降低1%[15]。因此50%负荷时的效率最高。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.F003图3不同负荷运行时的锅炉效率2.2锅炉沾污特性锅炉运行6个月，由于锅炉运行状况良好，水力吹灰系统未启用。锅炉受热面结渣沾污状况如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.025.F004图4锅炉受热面结渣沾污状况锅炉停运时，检查炉内各级受热面，受热面表面沾有松散浮灰，灰层较薄，对应受热面布置的吹灰器可清除。这说明该锅炉长期纯烧准东煤并不会造成受热面严重结渣、沾污。3结语采用本文提出的纯烧准东煤循环流化床锅炉设计方案，在不同负荷下，锅炉运行状况良好，效率均超过93%。锅炉运行6个月后，受热面无明显结渣沾污现象，成功地解决了准东煤燃烧过程中的结渣沾污问题。该方案的推广可提高准东煤的开发利用规模，并为进一步开发大容量的纯烧准东煤循环流化床锅炉提供参考。