660 MW 機(jī)組高熱值新疆煤分磨摻燒試驗研究

郎 寧，郭玉鑫，楊 威，胡紅偉

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 311121）

0 引 言

新疆煤炭資源豐富，預(yù)測資源量2.09 萬億噸，約占全國預(yù)測儲備的39.3%[1]。 新疆原煤產(chǎn)量逐年上升，2019 年全區(qū)煤炭產(chǎn)量達(dá)2.38 億噸，同比增長24.9%。 根據(jù)國家能源戰(zhàn)略部署和自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，新疆是我國第十四個現(xiàn)代化大型煤炭基地，同步已逐漸形成以吐哈、準(zhǔn)噶爾、伊犁、庫拜四大煤田為中心的重要能源接替區(qū)和戰(zhàn)略能源儲備區(qū)[2，3]。 隨著內(nèi)地煤炭資源的日益枯竭及國家環(huán)保治理力度的不斷加大，根據(jù)國家《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確了全國煤炭開發(fā)總體布局調(diào)整為：壓縮東部，限制中部和東北，優(yōu)化西部。 新疆煤炭產(chǎn)能隨之開始逐步釋放，在滿足當(dāng)?shù)厥袌鲂枨蟮耐瑫r，大幅度提高煤炭的產(chǎn)運量，填補國內(nèi)市場的缺口[4]。

綜合考慮運輸成本，在浙江某660 MW 超臨界機(jī)組電廠進(jìn)行高熱值新疆煤摻燒試驗。 本文在對高熱值新疆煤的工業(yè)分析、元素分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱重實驗分析，對新疆煤的燃燒特性進(jìn)行初步研究，并在電廠以分磨燃燒的方式進(jìn)行摻燒試驗，了解陸運高熱值新疆煤對某660 MW 超臨界火電機(jī)組的試燒性能。

1 試驗設(shè)備及方法

試驗所用熱重（TGA）系統(tǒng)使用瑞士梅特勒-托利多公司的TGA/DSC3 +熱重分析儀。 熱分析儀的測溫范圍為室溫至1600 ℃，線性升溫速率為0.1 ～150 ℃/min 可調(diào)。

為研究高熱值新疆煤的燃燒特性，利用熱重分析儀，分析煤的著火溫度、燃盡溫度及最大燃燒速率溫度，試驗采用20 ℃/min 的升溫速率，反應(yīng)氣氛為空氣，流量為80 L/min，保護(hù)氣氛為N2，流量20 L/min，煤量為10 mg左右，每個煤樣多次試驗，減小平均誤差所引起的影響。

圖1 TGA與DTG著火溫度計算方法

根據(jù)煤種的熱重分析曲線（TGA）和微商熱重分析曲線（DTG），本文采取最常用的TG-DTG法，可以分析出煤種的著火溫度Ti、燃盡溫度Th和最大燃燒速率溫度Tmax。 具體方法是在TG-DTG圖像中，選取DTG曲線的失重點峰值為A點作垂線，該A點的橫坐標(biāo)為煤的最大燃燒速率溫度Tmax，該垂線交于DT曲線于B點處作切線，該切線與失重開始時的平行線相交于C，C點對應(yīng)的橫坐標(biāo)溫度即為煤粉的著火溫度Ti，燃盡溫度Th選取樣品中可燃成分消耗98%時對應(yīng)的溫度[5]。

2 高熱值新疆煤煤質(zhì)分析

2.1 工業(yè)分析及元素分析

本次研究選取該電廠的常用煤種蒙混和富動24 號動力煤作對比試驗研究，表1 和表2 分別為高熱值新疆煤與蒙混、富動24 號的工業(yè)分析和元素分析。

表1 試驗煤種的工業(yè)分析

表2 試驗煤種的元素分析

從煤質(zhì)分析中可以看出，高熱值新疆煤相對于其他兩種煤灰分較低，固定碳較高，C、H 和S元素也高于對比的試驗煤種，因此，熱值均大于蒙混煤和富動24 號。

2.2 灰成分分析

在煤灰的沾污特性評價中，一般將煤中當(dāng)量Na作為沾污判別指標(biāo)[6]，煤中當(dāng)量Na指標(biāo)沾污性判斷分級界限如表3 所示。

表3 煤中當(dāng)量鈉沾污性判別分級界限

煤中Na當(dāng)量如式（1）所示：

式中，Na2O和K2O為煤灰中氧化鈉和氧化鉀的含量，%；Ad為煤中灰分，%。

煤中鈉鹽為易揮發(fā)物質(zhì)，在高溫?fù)]發(fā)后，容易凝結(jié)在受熱面上形成燒結(jié)或粘結(jié)性的灰塵積。 煤灰中的堿金屬化合物的熔點比較低，當(dāng)堿金屬愈多時，灰的燒結(jié)性愈強，受熱面就愈容易積灰[7]。本批次高熱值新疆煤的灰成分分析如表4 所示，煤中堿金屬含量不高，由堿金屬引起的結(jié)渣傾向并不會太強。

表4 高熱值新疆煤灰成分分析

3 熱重實驗分析

新疆煤、蒙混煤和富動24 號的熱重分析曲線（TG）和微商熱重曲線（DTG）分別見圖2 和圖3。

圖2 新疆煤、蒙混煤和富動24 的DT曲線

圖3 新疆煤、蒙混煤和富動24 的DTG曲線

按照TG-DTG法對新疆煤、蒙混煤和富動24進(jìn)行燃燒特性分析（見表5），3 種常用煤中蒙混煤的燃燒特性相對較好，著火溫度和燃盡溫度分別為372 ℃和580 ℃，相比于新疆煤和富動24 均較低。 新疆煤和富動24 的著火溫度和最大燃燒速率溫度相接近，燃盡溫度低705 ℃比富動24 的616 ℃更為滯后。

表5 新疆煤、蒙混煤和富動24 燃燒特性

除了燃盡溫度外，煤的燃盡受到受到煤種的揮發(fā)分、內(nèi)水、固定碳以及灰分等因素的影響，是一個復(fù)雜的過程，燃盡特性指數(shù)Fz的計算方法也有多種。 有學(xué)者采用式（2）利用煤的工業(yè)分析指標(biāo)對煤的燃盡指數(shù)Fz進(jìn)行評估[8]。

從表6 可以看出，新疆煤相比于蒙混煤和富動24 的內(nèi)水很低，但煤中含有較高的固定碳使得燃盡指數(shù)為10.31，略高于蒙混煤的9.89 和富動24 的9.49。 雖然新疆煤的燃盡溫度較高，但燃盡指數(shù)稍高于蒙混煤和富動24 號。

表6 新疆煤、蒙混煤和富動24 號試驗煤種燃盡特性

4 660 MW 機(jī)組高熱值新疆煤摻燒試驗

4.1 機(jī)組概況

本次摻燒試驗在某電廠660 MW 超臨界燃煤鍋爐上進(jìn)行。 鍋爐本體采用螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的∏型鍋爐，鍋爐配有帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)。 采用ZGM中速磨冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，配置B&W 公司的DRB-4Z超低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器及NOx（OFA）噴口。 尾部設(shè)置分煙道，采用煙氣分流擋板調(diào)節(jié)再熱器出口汽溫。 尾部豎井下設(shè)置兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

4.2 試驗工況

本次摻燒試驗采用分磨摻燒的試驗方式，共進(jìn)行三個試驗工況，其中包括燃用該廠常用煤種的蒙混與優(yōu)混的基礎(chǔ)工況，工況1 為一倉新疆煤，工況2 為二倉新疆煤，其余保持蒙混與優(yōu)混不變。試驗期間保持鍋爐汽溫汽壓穩(wěn)定運行，控制二次風(fēng)門開度不變。 試驗主要包含摻燒新疆煤的安全性及經(jīng)濟(jì)性。

4.3 試驗結(jié)果

4.3.1 制粉系統(tǒng)評估

試驗選取F磨為試驗?zāi)ソM，控制此磨煤機(jī)煤量45 t/h，風(fēng)量投自動模式，磨煤機(jī)出口溫度85 ℃，在磨制常用煤種優(yōu)混煤與試驗煤種新疆煤穩(wěn)定運行期間記錄各參數(shù)（見表7）。 試驗結(jié)果表明：在磨制優(yōu)混煤與新疆煤期間，制粉系統(tǒng)均能正常運行，相比磨煤機(jī)電流無明顯變化，石子煤排放量正常，在磨制新疆煤的時候干燥出力情況比磨制優(yōu)混要好，這是由于新疆煤水分較低的原因。

表7 新疆煤與常用煤種優(yōu)混磨煤機(jī)運行情況

4.3.2 減溫水量投運情況

表8 中對比了三個工況下鍋爐過熱器與再熱器減溫水量投運情況，隨著新疆煤摻配比例的提高，減溫水量有一定增加，應(yīng)與新疆煤的燃盡溫度較高有關(guān)，隨著新疆煤摻配比例的提高，鍋爐燃燒器區(qū)域煤粉燃盡越滯后，但整體的減溫水量維持在正?？煽厮?，鍋爐各受熱面無超溫情況。

表8 三個工況下鍋爐過熱器與再熱器減溫水量對比（單位：t/h）

4.3.3 爐膛結(jié)渣情況

在三個工況下，鍋爐不吹灰穩(wěn)定運行8 小時后，觀察爐膛的燃盡風(fēng)OFA層與屏過區(qū)域的結(jié)渣情況，隨著新疆煤摻配比例的增加，OFA層水冷壁清晰可見，無明顯結(jié)渣情況，屏過區(qū)域位置結(jié)渣較少，未見有大面積掛焦情況。 在試驗期間，爐膛負(fù)壓未發(fā)生大范圍波動，說明試驗期間爐膛結(jié)渣情況良好，無大渣掉落的情況發(fā)生。

4.3.4 鍋爐熱效率

在基礎(chǔ)工況、摻燒1 倉新疆煤、摻燒2 倉新疆煤3 個工況下，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷處于穩(wěn)定600 MW 的工況下分別進(jìn)行了鍋爐熱效率試驗（見表9）。

表9 三個工況下鍋爐熱效率對比

從表9 可以看出，隨著新疆煤的占比增加，飛灰含碳量及CO濃度變化不大，主要是由于排煙溫度有所上升，導(dǎo)致鍋爐熱效率略微下降，應(yīng)與新疆煤燃盡溫度相對偏高、燃燒拖后有關(guān)。

5 結(jié) 論

（1）高熱值新疆煤具有水分低，固定碳高，堿金屬含量低、燃盡溫度高的特點。

（2）制粉系統(tǒng)在磨制新疆煤時能正常運行，磨煤機(jī)各項指標(biāo)均正常，相同條件下磨制新疆煤時的干燥出力要優(yōu)于電廠的常用煤種優(yōu)混。

（3）在進(jìn)行基礎(chǔ)工況、摻燒1 倉、2 倉新疆煤三個工況下，鍋爐均可穩(wěn)定運行。 隨著新疆煤比例的增加，減溫水量有一定提高，三個工況下鍋爐效率分別為93.11%、92.74%、92.73%，修正到設(shè)計工況下鍋爐效率分別為93.32%、93.28%、92.98%。隨著摻燒新疆煤比例增加鍋爐效率略有下降，上述兩種情況應(yīng)與新疆煤的燃盡溫度較高有關(guān)，隨著新疆煤摻配比例的提高，鍋爐燃燒器區(qū)域煤粉燃盡越滯后。

（4）針對新疆煤燃盡溫度較高的特性，建議在實際運行中，可采用增加二次風(fēng)門開度，降低煤粉細(xì)度等措施，促進(jìn)煤粉提前燃盡，提高鍋爐熱效率。