在一台500兆瓦級燃煤機組上開展的現場示範表明，有針對性的燃料化學處理能夠緩解嚴重的結渣與積灰問題，同時帶來可量化的運行收益——包括過熱器噴水需求降低約50%、在可比試驗條件下再熱器噴水需求降低53%、空氣預熱器（APH）入口煙氣溫度降低、燃燒靈活性提升、選擇性催化還原（SCR）入口氮氧化物及氨耗量減少，並且機組在整個試驗期間未因結渣問題而發生強迫停運或除渣降負荷。
對於燃煤機組而言，能夠影響性能的因素不勝枚舉——通風、磨煤機、排放、設備老化以及燃料質量等等。但對於燃燒高難度燃料（本案例中為高鈉粉河盆地[PRB]煤及其與西部煤種的混煤）的鍋爐來說，最容易被忽視的因素是灰分化學特性。
灰分化學問題會導致機組性能"慢性衰竭"。積灰逐漸增多，減溫水用量攀升，煙氣溫度悄然上升，吹灰頻率隨之增加，電廠很快就不得不在維持負荷與降負荷保護機組之間做出抉擇。一旦發生包括焦渣脫落、損壞除灰系統在內的機組故障，問題就不再是單純的傳熱困擾，而會演變為可用率事件——而這往往恰恰發生在市場最需要該機組出力、電價達到峰值的時刻。
燃燒過程中，矽酸鹽、鐵、硫、鈉、鉀、鈣相互作用生成灰分，其熔融、燒結與黏附特性決定了爐膛能否持續穩定運行。含鹼金屬的物質是"麻煩製造者"。它們會助熔灰分，降低其熔融溫度，並在受熱面形成初始黏性層，該黏性層會隔絕管壁散熱、升高表面溫度，進而加速積灰形成，最終密實為普通吹灰和熱循環都無法清除的玻璃態結塊。
參與該測試的電廠運營人員直言不諱：若不經處理，此次試驗中燃燒的高鈉燃料連續運行超過幾天，將是"不可能完成的任務"。不是困難，不是成本高昂，而是根本不可能。
本文展示了將灰分化學特性作為可調控運行變量（而非不可抗拒的自然規律）來處理時會發生什麼。在2026年1月進行的為期三周的示範中，一台500兆瓦級機組上，經處理後的積灰從玻璃狀、需用工具破除轉變為疏鬆易碎、徒手可捏碎的狀態，減溫水流量降低了一半，機組得以在此前無法燃用的燃料條件下維持負荷運行。
煤流灰分鈉含量及結渣沉積傾向定性分析
本次試驗燃用的煤炭來自不同煤層，其中包括鈉含量更高、相應結渣傾向也更嚴重的煤種。分析顯示，氧化鈉（Na2O）含量在1.8%至5.0%之間，與之對應的預測結渣及積灰傾向也存在差異（見表1）。這些煤種對鍋爐造成的影響差異巨大。基於此，處理方案的設計注重為燃料靈活性提供支持，而非採用固定配方。
表1：煤樣分析顯示底灰微量礦物成分及結渣積灰傾向。數據來源：EES公司
僅憑Na2O含量無法預測實際行為——低鈉的PRB煤流顯示出高結渣傾向，而高鈉煤流則表現出嚴重的積灰傾向。灰分化學是一個多變量問題，硫、鈣、矽的比例與鹼金屬含量同樣重要，這正是固定添加劑配方會失效、而根據燃料特性定製方案能夠奏效的原因所在。
傳統的緩解措施通常是對鍋爐運行問題的被動應對，諸如增加吹灰頻率、調整過量空氣、降負荷、注水以及除渣停機等措施往往不可避免。然而，這些應對手段代價高昂，消耗大量蒸汽、水、人力和發電量，卻對根本原因（灰分化學特性）毫無改善作用。
處理方案
CoalTreat試劑通過自動化"按需投加"系統在燃燒前施加於煤炭。針對所燃用的次煙煤，採用CT300與CT110添加劑組合，按不同劑量與配比投加，以實現高效的灰分改性。該灰分改性機制促使灰分向更高熔點、更結晶化、黏附性更低的結構轉變，同時在灰分形成路徑的早期階段就將有問題的鹼金屬固定住。
深入了解其中涉及的相態變化後，這背後的化學原理其實十分直觀。若不加干預，鈉和鉀會助熔灰分——降低其熔融溫度，並形成最初的黏性層，後續積灰均以此為基礎逐漸堆積。添加劑通過在燃燒器區域與鹼金屬物質發生反應，將其固定在熔點很高、遠超爐膛溫度仍能保持固態的高熔點鋁矽酸鹽相中，從根本上消除了這種可能性。"灰分形成路徑早期階段"正是關鍵所在：在鹼金屬揮發並冷凝到管壁表面之前將其固定住，就能阻斷整個連鎖反應——不會形成黏性層，不會隔絕管壁散熱，也不會出現加速積灰的現象。
兩種試劑各司其職。CT300是主要的灰分改性劑，推動灰分向結晶化、高熔點結構轉變。CT110作為輔助成分投加，隨燃料質量和爐膛工況變化調節響應效果。最終結果是形成的積灰疏鬆易碎，而非玻璃狀堅硬結塊。
由此形成的積灰強度更低、更疏鬆易碎，對吹灰也更為敏感。該方案的目標並非打造一個完全無積灰的爐膛，而是讓積灰不再成為制約運行的瓶頸。
CT300的投加量從約1000ppm調整至1200ppm，隨著爐膛工況改善，後期降至約750ppm。CT110的投加量在0至75ppm之間變動，後期降至約25ppm。這種動態調節至關重要：添加劑方案是一種根據燃料和爐膛工況匹配的控制策略，而非固定投加速率。
為期三周的高鈉PRB煤示範試驗
此次示範於2026年1月進行，為期三周。試驗期間，機組主要運行於約480兆瓦至525兆瓦負荷區間（中高負荷），燃燒的PRB煤難度逐步升級，包括鈉含量達3.7%和5%的煤種，期間未發生因結渣導致的強迫停運或除渣停機。
性能評估基於以下幾項參數：
噴水流量、煙氣溫度和擋板開度可能因多種原因而變化，包括操作人員的調整。然而，積灰特性、爐膛外觀、噴水量、煙氣溫度、煙氣側壓降以及灰熔融行為同時出現的變化，很難用巧合來解釋。在下文的每項對比中，負荷、配煤方案、過量氧量、磨煤機運行組合以及吹灰活動等背景因素均保持必要的一致性。
傳熱效果
最為明顯的運行趨勢或許是減溫水流量需求的變化。隨著爐膛及對流受熱面逐漸變潔淨，上游傳熱效果得到改善，煙氣溫度隨之降低，維持蒸汽溫度所需的噴水量也相應減少。在可比條件下，過熱器噴水流量降低約50%，再熱器噴水流量降低約53%（見圖1）。
圖1：1月示範期間過熱器與再熱器噴水流量變化趨勢。圖片來源：EES公司
另一組按年度（1月對1月）的對比則顯示再熱器噴水量降幅較小（約32%），這一數值更為保守，但在比較年度數據（而非試驗期間處理前後的匹配工況）時仍具有重要意義。按年度對比得出的數值更為保守，這也在情理之中——因為它包含了兩個1月份之間煤質、環境溫度及負荷曲線不同所帶來的噪聲干擾，而匹配工況對比則能夠更精準地剝離出處理措施本身的效果。
空氣預熱器（APH）入口煙氣溫度也呈現相同趨勢。試驗期間，APH入口煙氣溫度下降了10至20華氏度（見圖2）。減溫水需求降低與APH入口溫度下降均表明爐膛吸熱效果得到改善。這表明鍋爐熱耗率降低、效率提升——而不僅僅是減溫水設定值的調整。
圖2：示範期間APH入口煙氣平均溫度變化。圖片來源：EES公司
再熱器、省煤器及過熱器各段的煙氣側壓差均保持在可控範圍內，而爐膛至引風機管道整體壓降呈下降趨勢（見圖3）。煙氣通道阻力的維持或小幅降低，表明即便燃燒高鈉、高積灰傾向的燃料，積灰量也得到了減少和/或保持穩定，從而能夠維持正常的煙氣流量。
圖3：省煤器、過熱器、再熱器及引風機壓差變化情況。圖片來源：EES公司
積灰特性發生了變化
原位高溫探針（HTP）測試作為評估生成灰分特性變化的現場工具，具有重要價值。基線（未處理）HTP收集的積灰呈深色、玻璃狀、質地堅硬。在0至5分的定性疏鬆度評分標準中（5分代表需藉助工具才能破除），基線結渣/積灰評分為4至5分。而經處理後的樣品密度更低、更脆，疏鬆易碎（徒手即可捏碎），評分為2至3分（見圖4）。
圖4：負荷、CoalTreat投加量及HTP積灰疏鬆度指數變化。圖片來源：EES公司
值得注意的是，即便在燃用最高含鈉量（約5% Na2O）燃料的階段，積灰疏鬆度的改善效果依然保持穩定——而該煤種此前在未經處理的情況下，電廠方面表示無法連續燃用超過幾天。
這些變化意義重大——高強度玻璃狀積灰會牢固附著於鍋爐受熱面上，不僅抵抗吹灰清除，還會隔絕管壁散熱、增大噴水流量，並加劇通風阻損。而疏鬆易碎的積灰則能在正常熱循環過程中自行脫落，大幅提升吹灰效果，同時也有利於底灰處理。
通過紅外攝影獲得的影像證據，清晰展示了爐膛內部的變化進程。基線影像記錄了明顯的既有結渣情況，部分管壁幾乎完全被積灰覆蓋。試驗中期的照片顯示積灰開始脫落、堆積層變薄。到示範結束時，許多爐壁區域已相對潔淨，可清晰看到單根管子的輪廓（見圖5）。值得指出的是，這些觀測結果實際上低估了處理效果——因為試驗中燃用的高鈉燃料若不經處理，根本無法連續燃燒超過幾天而不降負荷。很多時候，"沒有發生"的事情（即未出現降負荷）與"發生了"的事情同樣具有價值。
圖5：處理期間早、中、後期的爐膛紅外攝影對比。圖片來源：EES公司
實驗室灰熔融試驗結果表明灰分化學特性發生了結晶學變化。PRB參考樣品的初始變形溫度約為2208華氏度，而經處理的樣品測得溫度更高，部分樣品甚至達到設備測試上限約2700華氏度。單憑熔融溫度本身並不能預測鍋爐性能的變化，但結合觀測到的疏鬆度變化（從玻璃狀轉變為疏鬆狀）以及分布式控制系統數據顯示的鍋爐各項參數呈現的積極趨勢，這些結果共同構成了灰分改性效果的有力證據。
燃燒靈活性與附帶的排放效益
經處理後，爐膛內結渣與積灰情況得到穩定控制，使運行人員得以將燃燒器風門開度從約77%調整至約40%，從而增強分級燃燒效果，降低下爐膛化學當量比。爐壁更潔淨意味著爐膛吸熱效果更好，這為在燃燒器區域實施更低化學當量比運行創造了空間，而不會像在積灰嚴重的機組上那樣引發加劇結渣的溫度升高問題。一旦解除了結渣限制，分級燃燒的靈活性便隨之恢復，氮氧化物排放也相應降低。
反之，在結渣嚴重的機組上，加大或激進的分級燃燒可能會加劇結渣及溫度失衡問題。在結渣與積灰失控的情況下，運行靈活性便無從談起。
得益於運行靈活性的提升以及分級燃燒幅度的加大，排放指標實現了顯著改善。在可比的過量氧量水平下，試驗末期SCR入口氮氧化物較基線工況降低約34%，氨噴射流量降低約50%。煙氣濁度從約9%降至約6%，一氧化碳也得到了有效控制（見圖6）。
圖6：示範期間SCR入口氮氧化物、氨噴射流量、濁度及氧量變化情況。圖片來源：EES公司
雖然該方案本身並非排放控制技術，但結渣積灰添加劑能夠幫助機組恢復運行靈活性，進而帶來氮氧化物、一氧化碳及濁度方面的改善。正如本次試驗所示，消除限制爐膛分級燃燒幅度的瓶頸，有助於降低氮氧化物排放、氨噴射速率及煙氣濁度。
可靠性
該電站歷來定期進行除渣停機。此外，據電廠運營人員反映，若不經處理，本次試驗所用的高鈉燃料連續燃燒超過幾天便會導致降負荷或強迫停運。而在整個示範期間，機組始終保持在線運行，未發生因結渣導致的強迫停運、降負荷或清灰停機。
本次示範僅在該電站一台機組上進行，但同一天在相鄰機組上進行的對比觀察提供了參照。在同一天拍攝的照片顯示，姐妹機組在未經處理、燃用同等高鈉煤種的情況下，積灰堆積更為嚴重，管壁遮蔽情況也更為明顯，與經處理機組形成鮮明對比。這種直接配對的數據，即便是定性的，通常也比按年度對比的數據更具說服力。
對於美國現存燃煤機組中的大部分而言，可用率和可靠性的提升所帶來的投資回報，或許比單純的熱耗率改善更為可觀。在電價較低的時段，30兆瓦或50兆瓦的結渣降負荷或許只是個小問題；但若發生在冬季用電高峰或高電價的可靠性緊要關頭，同樣的降負荷事件就會成為重大事件。避免停機還能同時節省啟動用燃料、外包清灰費用、額外維護成本、熱循環損耗，以及大型機組停運再重新啟動所帶來的風險。
基於燃料靈活性、熱耗率、試劑成本及避免停運等因素，內部已對年度收益進行了初步估算。由於該收益對煤炭合同條款、容量係數及電價較為敏感，具體數值此處不作公開。但總體結論並不依賴於某個具體的美元數字：結渣控制本質上是一個關乎可靠性與調度的問題，而不僅僅是鍋爐清潔費用的問題。
從"清灰"思維轉向"燃料管理"思維
傳統做法是任由灰渣沉積不斷增長，隨後再耗費蒸汽、水、人力或安排停機來清除，這種模式已不再具有優勢。
燃料處理技術能夠在灰渣沉積問題形成之前就對其特性進行改性，生成疏鬆易碎、便於吹灰清除的積灰。對灰分特性的調控能力，同樣可以反過來影響燃料採購策略——價格更低廉的高鈉煤或不達標燃料也能夠得到有效燃用，為電站的燃料戰略工具箱增添了新的選項。
一種務實的現代化路徑
當前業內的討論大多仍聚焦於大型項目：新建機組、環保改造、重新發電、碳捕集以及機組退役等。但大多數運營人員所面對的現實截然不同——他們被要求讓現有鍋爐超期服役，運行年限超過設計壽命，燃用合同所提供的任何煤種，並且在被調用時隨時保持可調度狀態，而這種調用從來不會按照他們所能掌控的時間表進行。
在為期三周的試驗中，這台機組在燃用高難度燃料的同時維持了負荷：噴水量下降、APH入口溫度降低、積灰從玻璃狀轉變為疏鬆狀、爐牆變得潔淨、煙氣側阻力保持穩定、氮氧化物及氨耗量下降，且未發生因結渣而被迫停機的情況。沒有任何單一數據能夠完整講述這個故事，但這些數據綜合起來共同說明了一件事：電廠真正掌控了自己的灰分，而不是灰分在悄然掌控著電廠。
這背後有一筆賬，其重要性超過任何單一的熱耗率提升數字。在電價較低的時段，30兆瓦或50兆瓦的結渣降負荷或許只是個小麻煩；但若發生在冬季用電高峰、電網正依賴該機組出力的時刻，情況則截然不同——損失的收入、啟動用燃料、外包清灰費用、熱循環損耗，以及大型機組停運再重新啟動所伴隨的風險，都將接踵而至。避免一次停運所帶來的價值，勝過任何單一的效率提升數字，因為在關鍵時刻無法交付的兆瓦，節省下來也毫無意義。
燃煤機組正被要求在設計壽命之外繼續服役，並燃燒其本不被預期燃用的燃料。燃料處理技術既不是鍋爐大修，也不是什麼魔法——它是一種能夠為這些機組爭取到度過難關所需的靈活性的途徑。
——P. Robert Santangeli，註冊工程師，EES公司工程與運營副總裁。聯繫郵箱：[email protected]
