600 MW超臨界鍋爐混煤燃燒試驗(yàn)研究

郭魯陽，季明斌，王富文，黃平平，高春陽，任明偉，林德平

(1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002;2.山西魯晉王曲發(fā)電公司，山西 長(zhǎng)治 047500)

1 問題的提出

由于我國(guó)煤炭資源分布不平衡以及交通、運(yùn)輸?shù)瓤陀^條件的制約，非坑口大型火電廠幾乎不可能燃用設(shè)計(jì)的單一煤種，實(shí)際燃用煤種多樣且與設(shè)計(jì)煤種存在較大偏差。不同煤種的煤質(zhì)特性存在差別，必然影響到鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，必須對(duì)實(shí)際來煤進(jìn)行混配摻燒，以滿足鍋爐燃燒的需求并降低燃煤成本。

目前，燃煤的混配摻燒主要有2種基本方式，一種是爐前預(yù)混(煤場(chǎng)堆混、皮帶混、筒倉混等)，一種是分磨燃燒(不同煤種進(jìn)入不同的磨煤機(jī)及相應(yīng)的燃燒器，又稱分層燃燒或分質(zhì)燃燒)，2種方式可結(jié)合使用。在一般情況下，當(dāng)主煤種與摻配煤種的燃燒特性差別較小時(shí)，采用爐前預(yù)混是比較適用的方式。當(dāng)主煤種與摻配煤種的燃燒特性差別較大時(shí)，宜采用分磨燃燒方式，其優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)單一煤種特性對(duì)相應(yīng)的制粉系統(tǒng)及燃燒器進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，有利于提高運(yùn)行安全性及經(jīng)濟(jì)性。

本文通過介紹某600 MW超臨界機(jī)組的混煤燃燒試驗(yàn)，對(duì)爐前預(yù)混和分磨燃燒技術(shù)進(jìn)行了比較分析，提出了合理化建議，希望能對(duì)混煤燃燒技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考和借鑒。

2 設(shè)備概況及煤質(zhì)分析

該鍋爐是三井巴布科克能源公司生產(chǎn)的MB－1944－24.7－571/569型超臨界直流鍋爐，為單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π形鍋爐。鍋爐燃燒方式為前、后墻對(duì)沖燃燒，前、后墻各布置3層低NOx軸向旋流燃燒器，每層對(duì)應(yīng)1臺(tái)MPS中速磨煤機(jī)，共有6臺(tái)磨煤機(jī)。在煤粉燃燒器上方前、后墻和側(cè)墻布置一層燃盡風(fēng)口，前、后墻各5個(gè)風(fēng)口，左、右側(cè)墻各3個(gè)風(fēng)口，共16個(gè)。每個(gè)燃燒器配有1個(gè)油槍，用于點(diǎn)火和助燃。

鍋爐設(shè)計(jì)煤種為貧煤，為降低燃料成本，計(jì)劃摻燒一部分煙煤。設(shè)計(jì)煤種及計(jì)劃摻燒煙煤工業(yè)分析見表1。由表1可以看出，2種煤質(zhì)的水分和揮發(fā)分差別較大，而水分和揮發(fā)分對(duì)燃燒和制粉系統(tǒng)有較大的影響。

表1 設(shè)計(jì)煤種及計(jì)劃摻燒煤種工業(yè)分析

3 2種煤質(zhì)的熱重分析

為了解2種煤質(zhì)的基本燃燒特性，在熱重分析試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)2種煤質(zhì)分別進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見表2。試驗(yàn)中控制升溫速率10℃/min，配置反應(yīng)氣為 φ(O2)∶φ(N2)=1∶4，流量為100 mL/min。

試驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)劃摻燒煙煤的著火溫度及最大失重速率溫度均明顯低于設(shè)計(jì)煤種，其可燃性指數(shù)和煤著火穩(wěn)燃特性綜合判別指標(biāo)高于設(shè)計(jì)煤種，燃燒特性指數(shù)低于設(shè)計(jì)煤種。各項(xiàng)參數(shù)均顯示，計(jì)劃摻燒煙煤更容易著火和穩(wěn)燃，具有更高的燃燒速度及燃燒強(qiáng)度。這就要求在進(jìn)行實(shí)際摻燒試驗(yàn)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注燃燒器及制粉系統(tǒng)的安全性，防止出現(xiàn)制粉系統(tǒng)爆燃及燃燒器燒損等問題。

表2 2種煤質(zhì)的熱重分析結(jié)果

4 采用爐前預(yù)混方式摻燒

爐前預(yù)混方式采用斗輪機(jī)與葉輪給煤機(jī)配合調(diào)節(jié)來控制煙煤及貧煤流量，進(jìn)入鍋爐原煤倉的是已按要求摻配好的原煤。

試驗(yàn)開始時(shí)摻配煙煤比例為20%，逐漸增加摻配比例至40%。試驗(yàn)期間保持鍋爐負(fù)荷大于90%鍋爐連續(xù)最大蒸發(fā)量(MCR)。

主要試驗(yàn)結(jié)果如下:

(1)采用爐前預(yù)混方式摻燒20%煙煤，基本可以保證鍋爐正常、穩(wěn)定運(yùn)行以及燃燒器和制粉系統(tǒng)的安全性;同時(shí)，不需要對(duì)鍋爐各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行大幅度調(diào)整，保持原貧煤運(yùn)行方式即可。

(2)采用爐前預(yù)混方式摻燒30%煙煤，需要對(duì)鍋爐進(jìn)行大幅度的調(diào)整，包括一次/二次風(fēng)配比及風(fēng)速的調(diào)整、煤粉細(xì)度調(diào)整、燃燒器旋流強(qiáng)度調(diào)整、氧量調(diào)整等。通過調(diào)整可保證鍋爐、燃燒器及制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行(也能基本保證鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性)，鍋爐主參數(shù)正常，各項(xiàng)損失在可接受范圍內(nèi)。

(3)采用爐前預(yù)混方式摻燒40%煙煤，需要對(duì)鍋爐進(jìn)行更大幅度的調(diào)整，這時(shí)調(diào)整的主要目的是保證鍋爐及附屬設(shè)備的安全性(特別是燃燒器的安全性)。試驗(yàn)結(jié)果表明，為防止燃燒器燒損，必須大幅度調(diào)整煤粉細(xì)度使煤粉顆粒變粗，同時(shí)要減弱燃燒器二次風(fēng)旋流強(qiáng)度使其接近直流氣流。在這種工況下，基本可以保證燃燒器的安全，但鍋爐效率明顯降低，飛灰可燃物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從摻燒前的3%升至7%，已不能滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。因此，對(duì)該鍋爐來講，采用爐前預(yù)混方式摻燒煙煤比例的上限在40%左右，最好控制在30%以下。

5 采用分磨燃燒方式摻燒

爐前預(yù)混摻燒試驗(yàn)結(jié)束后，開始進(jìn)行分磨單燒煙煤試驗(yàn)。在試驗(yàn)期間，保持鍋爐負(fù)荷大于90%MCR?？紤]到爐膛下部溫度較低，為便于控制燃燒器出口著火距離，從前墻下層燃燒器開始進(jìn)行煙煤?jiǎn)螣囼?yàn)(折合全爐摻燒量約20%)，然后逐步過渡到前、后墻中層燃燒器(折合全爐摻燒量約40%)，最后到前、后墻中層燃燒器和前墻下層燃燒器(折合全爐摻燒量接近60%)。后墻下層燃燒器是貧煤小油槍點(diǎn)火燃燒器，不適應(yīng)單燒煙煤，為保證安全，沒有進(jìn)行單燒試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過程中，對(duì)單燒煙煤的制粉系統(tǒng)及燃燒器進(jìn)行了大幅度的調(diào)整，包括降低二次風(fēng)旋流強(qiáng)度、調(diào)整一次/二次風(fēng)配比、調(diào)整總風(fēng)量、調(diào)整煤粉細(xì)度及濃度、降低制粉系統(tǒng)出口溫度、增加燃燒器冷卻風(fēng)等。通過調(diào)整，基本保證了燃燒器及制粉系統(tǒng)的安全，同時(shí)也保證了鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

在中、下層3臺(tái)磨煤機(jī)單燒煙煤的工況下，實(shí)測(cè)鍋爐效率為93.03%，接近鍋爐設(shè)計(jì)效率93.65%。飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，比全燒貧煤時(shí)低1%。排煙熱損失增加較多，主要是因?yàn)樵黾恿瞬糠秩紵骼鋮s風(fēng)，相當(dāng)于增加了一部分鍋爐漏風(fēng)，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)也高于設(shè)計(jì)值。

由于煙煤發(fā)熱量比貧煤低且燃盡距離比貧煤短，因此，在5臺(tái)磨煤機(jī)帶滿負(fù)荷的工況下，各臺(tái)磨煤機(jī)出力基本達(dá)到最大值，制粉出力裕度較小且主蒸汽溫度略偏低。當(dāng)采用6臺(tái)磨煤機(jī)帶滿負(fù)荷時(shí)，情況大為好轉(zhuǎn)，制粉出力保持一定的調(diào)整裕度，主蒸汽溫度正常且有一定的減溫水量。

6 2種摻燒方式的對(duì)比分析

6.1 鍋爐主要參數(shù)變化

圖1～圖4顯示了鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)在不同摻燒方式下的變化趨勢(shì)，圖中工況1～5分別是:基準(zhǔn)工況(全燒設(shè)計(jì)煤種)、爐前預(yù)混摻燒20%煙煤、爐前預(yù)混摻燒30%煙煤、爐前預(yù)混摻燒40%煙煤和分磨單燒摻燒50%煙煤。

圖1 主蒸汽溫度及再熱蒸汽溫度變化

從圖1～圖4可以看出，鍋爐主/再熱汽溫、汽壓在各工況下基本保持穩(wěn)定，隨摻燒方式的變化未出現(xiàn)明顯偏離設(shè)計(jì)值的情況。摻燒煙煤后鍋爐減溫水量有所下降，但在分磨單燒工況下投用6臺(tái)磨煤機(jī)時(shí)，減溫水量與摻燒前持平，說明此時(shí)汽溫有一定的調(diào)節(jié)裕度。各工況下排煙溫度變化較小，爐前預(yù)混摻燒方式下排煙溫度有輕微降低，采用分磨單燒時(shí)排煙溫度略升高，這與燃燒器投用冷卻風(fēng)有一定關(guān)系。

總體來說，通過調(diào)整，鍋爐各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)基本可保持在適當(dāng)范圍內(nèi)。

6.2 運(yùn)行安全性

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在上述幾種摻燒工況下均可保證鍋爐、燃燒器、制粉系統(tǒng)的安全性。通過采取降低磨煤機(jī)出口溫度及加強(qiáng)制粉系統(tǒng)監(jiān)視的措施，可避免制粉系統(tǒng)發(fā)生爆燃;通過燃燒調(diào)整及增加部分冷卻風(fēng)，可防止燃燒器燒損。在采用分磨單燒方式摻燒50%煙煤3個(gè)月后，利用小修機(jī)會(huì)對(duì)爐內(nèi)燃燒器進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)燃燒器燒損現(xiàn)象。

6.3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及摻燒比例

在上述各摻燒工況中，只有采用爐前預(yù)混方式且摻燒煙煤比例高于40%時(shí)，鍋爐效率才出現(xiàn)明顯的下降，其余摻燒工況的鍋爐效率基本維持不變。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用分磨單燒方式與爐前預(yù)混方式相比，可明顯提高摻燒比例，考慮到增加摻燒比例也能提高全廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，因此，該鍋爐機(jī)組采用分磨單燒方式摻燒煙煤是比較適當(dāng)?shù)摹?/p>

7 結(jié)束語

爐前預(yù)混和分磨單燒是鍋爐混煤燃燒的2種基本方式，對(duì)于不同的鍋爐機(jī)組，應(yīng)根據(jù)具體情況通過試驗(yàn)分析來選擇適當(dāng)?shù)膿綗绞?。?duì)于文中所提鍋爐，當(dāng)煙煤摻燒比例小于30%時(shí)，采用2種方式都是可以的，并且采用爐前預(yù)混的方式可以減少調(diào)整工作量;當(dāng)煙煤摻燒比例大于40%時(shí)，采用分磨單燒方式可取得更好的效果。

［1］姚強(qiáng)，岑可法，施正倫，等.多煤種配煤特性的試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程，1997(2):16 －20.

［2］段學(xué)農(nóng)，朱光明，焦慶豐，等.電廠鍋爐混煤摻燒技術(shù)研究與實(shí)踐［J］.中國(guó)電力，2008，41(6):51－54.

［3］虞亞輝，于立軍，施伯紅，等.多種燃料混燒及單燒鍋爐效率間的關(guān)系［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35(8):1200－1203.

［4］韓天財(cái).燃煤鍋爐塌焦運(yùn)行特征及預(yù)防措施［J］.東北電力技術(shù)，2006(10):24－26.