1000 MW鍋爐燃燒印尼煤和扎煤的研究

裘立春，洪道文，常毅君

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；2.華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604）

0 前言

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的統(tǒng)計(jì)資料，2009年我國(guó)能源消費(fèi)總量為31億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費(fèi)量為30.2億t。同時(shí)，2009年我國(guó)進(jìn)口煤炭量達(dá)1.25億t，比上年增長(zhǎng)212%。由此估算煤炭占能源消費(fèi)總量的68%。根據(jù)2009年英國(guó)石油公司的資料顯示，我國(guó)的煤炭資源量為1145億t，儲(chǔ)采比在41年左右。根據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2010年1-4月，來自印尼、澳大利亞、越南的煤炭進(jìn)口量占進(jìn)口總量的比重分別為41.1%，22.0%，11.2%。由此可見，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)大量燃用進(jìn)口煤是大勢(shì)所趨。

近年國(guó)內(nèi)大量投產(chǎn)了1000 MW的超超臨界機(jī)組，對(duì)于供電煤耗的降低起到了重要作用。由于2009年國(guó)內(nèi)外煤炭?jī)r(jià)格的差異，導(dǎo)致沿海發(fā)電廠大量燃用進(jìn)口煤。但國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的鍋爐設(shè)計(jì)煤種一般選用國(guó)內(nèi)煤種，如易結(jié)渣的神華混煤等。進(jìn)口的印尼煤，為地質(zhì)年代更為年輕的煤種，由此帶來了煤種適應(yīng)性等問題。

1 煤種和鍋爐特征參數(shù)的比較

某火力發(fā)電A廠4臺(tái)1000 MW鍋爐為π型布置、單爐膛、八角燃燒。其設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤，校核煤種為晉北煤。實(shí)際燃用煤種主要為印尼煤；另有扎賚諾爾褐煤（簡(jiǎn)稱扎煤）、優(yōu)混煤等。

印尼煤炭在地質(zhì)年代分布上主要集中在中新世，其儲(chǔ)量中褐煤占57%，次煙煤占27%，煙煤占15%。其中次煙煤和煙煤可劃分為如下幾個(gè)等級(jí)：熱值（空氣干燥基，adb）為17584～20934 kJ/kg，總水分為30%～40%的為C級(jí)；熱值（adb）為20934～24283 kJ/kg，總水分為20%～30%的為B級(jí)；熱值（adb）為24283 kJ/kg，總水分小于20%的為A級(jí)。印尼煤大部分是由低熱值和高水分的C和B級(jí)的次煙煤及少量的煙煤構(gòu)成，大量可采的C級(jí)次煙煤是印尼煤的主要組成部分。扎煤產(chǎn)于內(nèi)蒙古地區(qū)，其發(fā)熱量為14653～17584 kJ/kg。

JB/T 10440-2004《大型煤粉鍋爐爐膛及燃燒器性能設(shè)計(jì)規(guī)范》中沒有涉及1000 MW的參數(shù)推薦，但提到爐膛特征參數(shù)的規(guī)律。對(duì)于容易結(jié)焦的煤種和褐煤，要求鍋爐具有較低的爐膛容積熱負(fù)荷qv，相應(yīng)下降約25%，即要求爐膛體積擴(kuò)大約25%。根據(jù)美國(guó)的研究資料，對(duì)于低水分褐煤，要求爐膛容積是一般煙煤的1.3倍，爐膛高度是一般煙煤的1.31倍；對(duì)于高水分褐煤，要求爐膛容積是一般煙煤的2倍，爐膛高度是一般煙煤的1.44倍。

同比近年投產(chǎn)的幾臺(tái)1000 MW鍋爐最大出力工況（BMCR）結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，如表1所示。A廠qv相對(duì)較高，B廠較A廠低約20.2%，C廠較A廠低約6%，但考慮旋流燃燒特征，可以選取qv相應(yīng)低約15%，相當(dāng)于C廠較A廠選取的qv低約21%。選取較高的qv，帶來投資低等好處，但煤種適應(yīng)性相對(duì)差。目前A廠燃用的印尼煤和扎煤，均屬于高水分褐煤。由于煤種不匹配，容易帶來鍋爐結(jié)焦、排煙溫度高等影響鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性等問題。

表1 1000 MW機(jī)組BMCR爐膛特征參數(shù)比對(duì)

2 印尼煤、澳煤和扎煤的實(shí)驗(yàn)室研究

實(shí)驗(yàn)室對(duì)澳煤、印尼煤、扎煤進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

對(duì)于這些煤種灰成分的詳細(xì)綜合研究如表2，3所示。分析認(rèn)為，印尼煤輕微結(jié)渣，澳煤不結(jié)渣，扎煤的灰成分具有高Na2O （3.1%～8.5%）的特征?；抑锈c、鉀含量高會(huì)促使受熱面沾污增強(qiáng)，與其它成分結(jié)合會(huì)明顯降低灰熔融性溫度。許多人認(rèn)為受熱面上的結(jié)渣主要是沾污引起的，如果沒有沾污，就不會(huì)結(jié)渣。因此煤的沾污傾向也決定了結(jié)渣傾向。灰中Na2O及K2O含量高，結(jié)渣傾向也高。由于Na2O對(duì)應(yīng)的化合物Na2SiO3灰熔點(diǎn)溫度僅為877℃，對(duì)于爐膛的結(jié)焦構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

圖1中可以看出，扎煤和印尼B級(jí)煤基本具有相同的燃燒著火溫度和燃燼溫度。但是扎煤的燃燒發(fā)熱的峰值15.06 μV/mg，相比印尼B級(jí)煤的12.75 μV/mg更大，即火焰更為短促有力。根據(jù)熱重分析數(shù)據(jù)，印尼B級(jí)煤和扎煤著火溫度為200℃，澳煤為280℃。采用熱重分析得出的反應(yīng)開始溫度 （或著火溫度）最能反映煤的爆炸特性，且其數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]列出了根據(jù)熱重分析指標(biāo)與煤粉爆炸特性間的關(guān)系提出的煤粉爆炸特性等級(jí)劃分，認(rèn)為扎煤和印尼B級(jí)煤具有等級(jí)最高的爆炸特性和著火特性。

表2 A廠印尼煤、澳煤、扎煤的元素和工業(yè)分析、灰成分比較

3 實(shí)際燃燒結(jié)果分析

3.1 磨煤機(jī)出力

燃用高水分煤種，主要影響磨煤機(jī)的干燥出力。根據(jù)干燥出力計(jì)算研究，影響程度如圖2所示。適當(dāng)降低磨煤機(jī)的出口溫度，能提高磨煤機(jī)出力。降低磨煤機(jī)出口溫度10℃，可以提升磨煤機(jī)的干燥出力約10%。水分對(duì)于干燥出力的影響是非常大的。從圖2看出，如保持磨煤機(jī)出口溫度75℃，在其它條件相同情況下，原煤水分由9%上升到16%，計(jì)算的干燥出力可以從85 t/h下降到55 t/h。

目前A廠燃用印尼煤的磨煤機(jī)出口溫度一般在60～65℃，已接近低限。制約負(fù)荷的主要因素是磨煤機(jī)的干燥出力。機(jī)組帶額定負(fù)荷，需要6臺(tái)磨運(yùn)行。

表3 印尼、澳煤和扎煤的灰結(jié)渣特性評(píng)價(jià)

圖1 熱重分析的比較研究

圖2 磨煤機(jī)干燥出力和水分、磨出口溫度影響

由于扎煤水分高達(dá)30%，即使降低磨煤機(jī)出口溫度至低限55℃，磨煤機(jī)的干燥出力僅約40 t/h。同時(shí)由于扎煤的低發(fā)熱量，進(jìn)一步降低了磨煤機(jī)的實(shí)際出力。如果再考慮可磨度的影響，出力下降約10%。

根據(jù)表4，認(rèn)為燃用扎煤的干燥出力已經(jīng)達(dá)到極限。此時(shí)風(fēng)煤比數(shù)據(jù)為2.7，如果回歸1.8的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，認(rèn)為磨煤機(jī)出力將僅為40 t/h。磨煤機(jī)出口溫度62.5℃，已接近運(yùn)行的下限數(shù)據(jù)。

3.2 燃燒安全性

表4 磨煤機(jī)出力運(yùn)行數(shù)據(jù)

由于印尼煤和扎煤的高揮發(fā)分，容易導(dǎo)致爆燃等影響制粉系統(tǒng)和鍋爐設(shè)備安全的后果，實(shí)際燃用中采取了以下措施：

（1）加強(qiáng)對(duì)燃燒器著火情況的檢查。

（2）加強(qiáng)對(duì)燃用印尼煤磨煤機(jī)出口煤粉管道的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有漏粉現(xiàn)象應(yīng)立即進(jìn)行封堵，并及時(shí)清理現(xiàn)場(chǎng)的煤粉。

（3）加強(qiáng)監(jiān)視磨制印尼煤的磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混和物溫度及石子煤斗排放情況，當(dāng)磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混和物溫度超過90℃，應(yīng)立即停運(yùn)。

（4）控制燃用高揮發(fā)分的磨煤機(jī)出口溫度小于70℃，并控制磨煤機(jī)入口一次風(fēng)溫小于270℃，啟停磨煤機(jī)時(shí)入口風(fēng)溫小于200℃。

（5）保證磨煤機(jī)蒸汽滅火投入熱備用，磨煤機(jī)出口溫度大于90℃或磨煤機(jī)著火時(shí)，及時(shí)投入蒸汽滅火。

（6）磨煤機(jī)啟停時(shí)需延長(zhǎng)吹掃時(shí)間。

3.3 燃燒經(jīng)濟(jì)性

由于實(shí)際燃用的印尼煤屬于次煙煤和褐煤類別，扎煤屬于褐煤類別，引起廠用電量的顯著上升。根據(jù)美國(guó)的相關(guān)資料，燃用煙煤和褐煤的機(jī)組對(duì)于一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的廠用電率可由1.42%上升至2.08%。同時(shí)摻燒高水份褐煤和次煙煤后，往往導(dǎo)致排煙溫度顯著上升和鍋爐效率下降。根據(jù)600 MW機(jī)組的比對(duì)研究，摻燒40%的褐煤，引起鍋爐效率下降約0.2%～0.3%。摻燒褐煤時(shí)使煤質(zhì)水分升高，鍋爐排煙中水分也相應(yīng)增加，煙氣中水蒸氣顯熱增大，鍋爐排煙熱損失增大。A廠由于全年摻燒60%的高水份褐煤和次煙煤，引起排煙溫度上升約15℃，造成鍋爐效率下降0.75%，導(dǎo)致煤耗上升約2.1 g/kWh。

鍋爐實(shí)際運(yùn)行中摻燒扎煤后，多次造成給煤機(jī)堵煤、斷煤，引起設(shè)備損壞。同時(shí)，可能由 于煤灰含鈉的特征，在實(shí)際運(yùn)行過程中，時(shí)常發(fā)生大焦下落情況。

A廠燃用扎煤的效率專項(xiàng)試驗(yàn)后可知，燃用印尼B級(jí)煤、澳煤和扎煤的鍋爐效率約為93.6%，比其它國(guó)內(nèi)1000 MW鍋爐效率低約0.8%。

然而近年來國(guó)內(nèi)外煤炭?jī)r(jià)格相差較大，以2009年為例，國(guó)際上澳大利亞權(quán)威的BJ（Barlow Jonker）亞洲市場(chǎng)動(dòng)力煤現(xiàn)貨價(jià)格指數(shù)約70美元/t，而國(guó)內(nèi)煤炭如山西優(yōu)混煤平倉價(jià)650～700元/t，考慮運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用后，進(jìn)口煤價(jià)格較便宜，因此大量燃用印尼等煤種后，雖然鍋爐效率略有下降，但發(fā)電廠取得了非常巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

橫向比較研究1000 MW機(jī)組幾種爐型的特征參數(shù)，認(rèn)為A廠采用了較經(jīng)濟(jì)的爐膛特征參數(shù)。對(duì)于進(jìn)口煤種進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)由于扎煤的高鈉含量，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行容易結(jié)焦。熱重分析研究認(rèn)為，印尼煤和扎煤均屬于極易著火、極易燃盡，具有較嚴(yán)重的結(jié)渣傾向。實(shí)際摻燒次煙煤和褐煤后，導(dǎo)致磨煤機(jī)干燥出力不足。燃用這些高水分煤種后，導(dǎo)致鍋爐效率下降約0.8%。但由于國(guó)內(nèi)外煤炭?jī)r(jià)格的差異，大量燃用印尼等煤種，將取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 岑可法.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，1994.

[2] Babcock&Wilcox Company.Steam,Its Generation and Use[M].41st ed.2005.

[3] 毛健雄.煤的清潔燃燒[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[4] 劉增田，程志強(qiáng).神華煤燃用技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.