引言根据相关数据统计，全球褐煤累计探明储量约4万亿t，约占世界煤炭总储量的40%[1]。大部分褐煤具有高水分、高挥发分、低灰分、低热值，易风化破裂、易氧化自燃等特点，用于煤粉锅炉容易出现着火难、易熄火、燃烧不稳等问题[2-3]。循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃烧技术具有燃料适应性强、负荷调节范围广、污染物排放( 如 NOx、SO2等) 低等显著特点，是现阶段唯一实现商业化和大型化的低品位燃料高效清洁燃烧利用技术[4]。相关研究及在役褐煤锅炉的运行实践均表明，使用循环流化床燃烧技术燃用褐煤已成为褐煤发电技术的一个重要方向[5]。巴基斯坦某330 MW超临界CFB锅炉项目设计燃用的Thar煤矿褐煤，为降低项目执行的技术风险，优化工程设计和指导CFB 锅炉运行，在一台热功率为3 MW的CFB 燃烧试验台上，对塔尔褐煤的沾污特性、排放特性、燃烧特性等方面进行试验研究。1试验概况1.1试验系统简介试验系统为“清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室”搭建的3 MW 循环流化床燃烧试验台，燃烧室断面积为0.99 m2，燃烧室高度为24.5 m。试验系统由试验台本体、煤制备系统、送风系统、循环冷却水系统、引风除尘系统、天然气点火系统、DCS 控制系统组成，试验系统如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F001图1CFB试验台布置示意图沿炉膛高度均匀布置了11层温度测点和6层压力测点，采用IMP数据采集系统对温度和压力数据进行实时采集，并在DCS控制系统上实时显示。采用ABB 烟气成分在线分析仪在尾部烟道对烟气成分进行检测。采用热重分析仪、差示扫描量热仪、红外光谱分析仪、扫描电子显微镜、激光粒度分析仪、等一批先进仪器设备对试验样品进行而分析化验。1.2试验物料特性对巴基斯坦塔尔褐煤进行理化分析发现：试验煤质为典型的高水分、高挥发分、低灰分、低热值、低灰熔点褐煤，分析结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.T001表1煤质工业分析、元素分析汇总项目检验项目符号塔尔褐煤工业分析/%全水分Mt30.10空气干燥基水分Mad18.74收到基灰分Aar13.64收到基挥发分Var34.06干燥无灰基挥发分Vdaf60.54固定碳FCar22.20热值/(MJ/kg)收到基高位热值Qgr，v，ar16.24收到基低位热值Qnet，v，ar14.72元素分析/%收到基碳Car37.92收到基氢Har4.00收到基氮Nar0.36收到基氧Oar12.34全硫St，ar1.63由表1可知，试验煤质的着火温度为290 ℃，燃尽温度为505 ℃，属于极易着火、易燃尽煤种。鉴于常规褐煤具有燃烧爆裂性较强的特点，参考设计粒径范围0～20 mm，d50=2.2 mm，本次试验煤质粒径范围控制在0~20 mm，d50约2 mm。采用0.25 mol/L 盐酸溶液对试验煤样中可溶性钠、钾进行萃制样，采用电感耦合等离子发射光谱（ICP）对试验煤中可溶性钠、钾进行分析，分析结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.T002表2试验煤可溶性钾、钠含量分析项目符号单位塔尔褐煤水分Mad%20.100灰分Aad%13.430可溶性钠*Na2O%0.402Na%0.298可溶性钾*K%0.013可溶性钙*Ca%1.349%由表2可知，煤样的空干基盐酸溶性氧化钠含量高于 0.3%，空干基灰分为 13.43%。根据东方锅炉新疆高碱煤沾污特性研究经验判断，塔尔褐煤在作为锅炉燃料时存在一定的沾污风险[6]。脱硫剂选用巴基斯坦当地石灰石，经破碎后粒径控制在0～2 mm，d50=0.45 mm。石灰石化学成分如表3所示。石灰石中CaCO3含量为97.8%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.T003表3石灰石化学成分分析项目MgOAl2O3SiO2CaOTiO2Fe2O3K2ONa2OH2O其他数值0.640.461.3854.760.020.350.050.010.0943.43%2试验结果及分析2.1着火特性巴基斯坦塔尔褐煤冷态点火启动曲线如图2所示。由图2可知，下部床料温度300 ℃时多次少量脉动投煤，投煤后床温快速上升，下部床料温度450 ℃时可连续投煤，下部床料温度746 ℃时可撤除辅助燃料。结果与热重试验结果基本一致，表明巴基斯坦塔尔褐煤极好的着火和稳燃特性。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F002图2试验煤冷态点火启动曲线2.2燃烧特性在不同床温、氧量、一/二次风配比等运行参数下开展燃烧特性试验。试验结果显示，底渣可燃物小于1%，飞灰可燃物在2.4%~4.3%，燃料燃烧效率平均值在98.5%左右，燃尽性较好。预估在实炉燃烧时，炉膛高度大幅增加，颗粒在炉内停留时间延长，飞灰可燃物比试验台更低，燃料燃烧效率将更高。塔尔褐煤燃烧特性如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.T004表4塔尔褐煤燃烧特性项目工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7床温/℃859866893869848850869氧量/%3.73.53.54444飞灰含碳量/%4.313.272.932.43.394.193.02底渣含碳量/%0.050000.550.340.55燃烧效率/%98.0698.5398.6998.9398.4398.0998.582.3沾污特性沾污是指温度低于灰熔融点的煤灰颗粒在受热面表面的积聚，而煤中碱金属的存在对煤灰颗粒的沉积过程起到了决定性作用：助熔和增加塑性过冷玻璃体对管壁的附着能力[7-8]。本次试验为真实反映锅炉尾部烟道不同烟温区沾污情况，试验前在试验台尾部高烟温段（分离器出口→一级水冷管，烟温＞800 ℃）和低烟温段（一级水冷管→二级水冷管，烟温约600 ℃）分别布置两套沾污试验管，管内通入压缩空气冷却，通过4只K分度热电偶控制沾污管壁温恒定，以模拟实炉受热面管壁。连续运行两周后不同烟温区的沾污结果分别如图3及图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F003图3低烟温区沾污情况10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F004图4高温区沾污情况低烟温区仅迎风面有0~3 mm厚积灰，沾污轻微；高烟温区沾污较为严重，沾污试验管表面均有积灰，厚度3 mm~10 mm，并有明显的分层现象，质密程度高于普通积灰，用压缩空气短时间吹扫难以全面清除。不同烟温区沾污情况表明：沾污具有温度敏感特性，与鲁佳易[9]等的研究结论一致。2.4SO2排放特性塔尔褐煤全硫（St，ar）含量为1.63%，收到基灰分（Aar）为13.64%，在不投石灰石工况下，烟气中SO2原始排放浓度3 000 mg/m3~3 600 mg/m3(O2=6%)，自脱硫效率在30%以上。脱硫效率及SO2排放浓度随Ca/S摩尔比的变化规律如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F005图5石灰石Ca/S摩尔比对脱硫效率的影响由图5可知，塔尔石灰石活性较好，脱硫效果明显，Ca/S=2.0时，SO2排放浓度可控制在400 mg/m3（O2=6%）以内，脱硫效率达92.3%；Ca/S＜2.0前，脱硫效率随Ca/S摩尔比的增加而提高；Ca/S＞2.0后，脱硫效率变化趋势变缓，石灰石利用率降低。脱硫效率及SO2排放浓度随运行氧量的变化规律如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F006图6运行氧量对脱硫效果的影响由图6可知，运行氧量对塔尔褐煤脱硫效果的影响十分明显，运行氧量越大，SO2排放浓度越低，脱硫效果越好。但运行氧量过高，会造成NOx排放升高，锅炉排烟热损失增大，风机电耗增大，所以氧量选取还需考虑电厂综合经济效益。2.5NOx排放特性塔尔褐煤NOx原始排放较低，可有效控制在100 mg/m3以内。当运行氧量在2%时，NOx原始排放可低于50 mg/m3。运行氧量的降低，有利于还原性气氛的形成，对热力型NOx和燃料型NOx的生成都有一定的抑制作用[10]。不改变其他参数工况下，运行氧量对塔尔褐煤NOx排放特性的影响如图7所示。由图7可知，随着运行氧量的降低，NOx排放明显降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F007图7运行氧量对NOx排放特性的影响二次风布风方式对塔尔褐煤NOx排放特性的影响如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.013.F008图8二次风布风方式对NOx排放的影响由图8可知，二次风布置高度的提高，增加了炉内缺氧燃烧的还原性气氛区域，有效抑制了NOx的生成。3结语在3 MW循环流化床锅炉燃烧试验台上开展巴基斯坦塔尔褐煤燃烧特性、沾污特性、排放特性等试验研究，得出主要结论如下：（1）巴基斯坦塔尔褐煤具有高水分、高挥发分、低灰分、低灰熔点、低热值，易着火、易燃尽等特点。煤中碱金属含量偏高，沾污风险较强，适宜采用循环流化床燃烧方式，通过对尾部烟道受热面合理布置，避开高烟温沾污区，可有效缓解尾部受热面的沾污。（2）巴基斯坦塔尔石灰石CaCO3含量97.8%，脱硫效果好，通过调整Ca/S摩尔比、运行床温、运行氧量和配风比等运行参数，烟气中SO2排放浓度可控制在400 mg/m3（干烟气，O2=6%）以内，脱硫效率在90%以上。（3）循环流化床锅炉燃用巴基斯坦塔尔褐煤NOx排放浓度较低，不投SNCR或SCR脱销设备，在合理正常的运行氧量、一二次风配比时，可将烟气中的NOx排放浓度控制100 mg/m3（干烟气，O2=6%）以内。