300MW CFB鍋爐基于流態(tài)重構(gòu)技術(shù)的煤種適應(yīng)性探討

張光望

（神華福建能源公司雁石電廠，福建省龍巖市，364001）

神華福建能源公司雁石電廠 （以下簡(jiǎn)稱 “神福雁石電廠”）2×300 MW 機(jī)組配備了東方鍋爐 （集團(tuán)）股份有限公司自主研發(fā)制造的1025t／h 亞臨界、中間一次再熱、單爐膛、汽冷式旋風(fēng)分離器、露天布置的循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐型號(hào)為DG1025-17.4-Ⅱ18型；該電廠位于福建內(nèi)陸閩西革命老區(qū)龍巖市新羅區(qū)雁石鎮(zhèn)，距廈門(mén)約230km；鍋爐以燃用當(dāng)?shù)責(zé)o煙煤為主，但近年來(lái)隨著資源的逐漸枯竭，當(dāng)?shù)責(zé)o煙煤已無(wú)法滿足電廠需求，2013年該電廠神華煙煤和印尼褐煤的采購(gòu)量占其煤炭采購(gòu)總量的70%，故該電廠對(duì)燃用3 個(gè)煤種的差異開(kāi)展了專題試驗(yàn)。

清華大學(xué)在近20年的CFB燃燒技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，較為完整地發(fā)展了CFB 的理論體系和設(shè)計(jì)理論體系，其基于流態(tài)重構(gòu)的CFB 節(jié)能運(yùn)行技術(shù)在該電廠得到了廣泛的應(yīng)用，3個(gè)煤種的專題試驗(yàn)均以該技術(shù)為指導(dǎo)，以有效避免鍋爐運(yùn)行工況及參數(shù)控制的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 煤質(zhì)概況

基于流態(tài)重構(gòu)的鍋爐節(jié)能運(yùn)行技術(shù)的關(guān)鍵是優(yōu)化爐膛內(nèi)床料的質(zhì)量，煤種適應(yīng)性試驗(yàn)運(yùn)行調(diào)整技術(shù)的重點(diǎn)是對(duì)煤種的元素分析、工業(yè)分析、煤的粒徑分布、飛灰的粒徑分布及可燃物情況等方面進(jìn)行分析，以確保循環(huán)流化床質(zhì)量并分析鍋爐燃用不同煤種差異的因素所在。

圖1 各煤種元素分析對(duì)比

1.1 元素分析對(duì)比

與無(wú)煙煤相比，神華煙煤、褐煤的含氧量高7%～9%，含氫量高1.8%～3%；褐煤的含硫量高0.5%。對(duì)不同煤種的鍋爐效率進(jìn)行計(jì)算時(shí)需選擇相應(yīng)煤種元素分析，見(jiàn)圖1。

1.2 入爐煤粒徑對(duì)比

與無(wú)煙煤相比，神華煙煤、褐煤小于0.2mm粒徑低20%以上，細(xì)顆粒少易于分離器捕捉，有利于提高燃燼度，見(jiàn)圖2。

1.3 工業(yè)分析對(duì)比

與無(wú)煙煤相比，神華煙煤、褐煤全水分高4%～10%，灰分低6% ～15%，揮發(fā)分高21% ～33%，著火點(diǎn)低，易于燃燼。各煤種工業(yè)分析對(duì)比見(jiàn)表1。

圖2 各煤種入爐煤粒徑對(duì)比

2 適應(yīng)性試驗(yàn)之經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

驗(yàn)證CFB基于流態(tài)重構(gòu)節(jié)能技術(shù)對(duì)不同煤種的適應(yīng)性，針對(duì)褐煤、神華煙煤的成灰特性，控制入爐煤粒徑，在保證爐膛懸浮差壓的同時(shí)，合理控制料層厚度，風(fēng)室壓力仍維持在燃用無(wú)煙煤時(shí)水平，實(shí)現(xiàn)流態(tài)重構(gòu)技術(shù)在不同煤種上的拓寬。

重點(diǎn)比對(duì)分析無(wú)煙煤、神華煙煤、褐煤100%全燒工況下的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及對(duì)污染物排放的影響。

2.1 不同出力系數(shù)機(jī)械不完全燃燒損失對(duì)比

2.1.1 飛灰的粒徑分布

圖3 飛灰的粒徑分布

如圖3所示，3個(gè)煤種的粒徑分布特性基本一致，說(shuō)明了飛灰的粒徑主要與分離器切割粒徑有關(guān)，與煤種關(guān)系不大。通過(guò)對(duì)粒徑分布規(guī)律及爐內(nèi)溫度場(chǎng)變化的分析，3個(gè)煤種均具有良好的成灰特性。

2.1.2 飛灰含碳量對(duì)比分析

燃用神華煙煤與褐煤時(shí)的不同負(fù)荷工況下，飛灰含碳量呈平穩(wěn)趨勢(shì)；燃用無(wú)煙煤時(shí)的不同負(fù)荷工況下，飛灰含碳量則變化較大，隨負(fù)荷的升高而降低。不同出力系數(shù)飛灰含碳量對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 不同出力系數(shù)飛灰含碳量

2.2 不同出力系數(shù)排煙溫度對(duì)比分析

各煤種排煙溫度隨負(fù)荷增加而升高，燃用神華煙煤排煙溫度最低，燃用無(wú)煙煤排煙溫度最高。不同出力系數(shù)排煙溫度對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 不同出力系數(shù)排煙溫度

2.3 不同出力系數(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

2.3.1 不同出力系數(shù)鍋爐效率分析

鍋爐效率：

式中：ηgl——鍋爐效率，100%；

q2——排煙，100%；

q3——可燃?xì)怏w未完全燃燒，100%；

q4——固體未完全燃燒，100%；

q5——鍋爐散熱，100%；

q6——灰渣物理顯熱熱損失，100%。

如表2、圖6所示，通過(guò)反平衡計(jì)算全部燃用神華煙煤／褐煤比全部燃用無(wú)煙煤鍋爐效率高4.8%～6.3%，但隨著負(fù)荷增加，增幅略降低0.5%～0.7%。其主要原因是飛灰變化小，機(jī)械不完全燃燒損失變化小，而排煙溫度隨負(fù)荷增加而升高導(dǎo)致排煙損失增大；無(wú)煙煤機(jī)械不完全燃燒損失隨負(fù)荷變化大，鍋爐效率隨負(fù)荷升高而升高。

圖6 不同出力系數(shù)鍋爐效率

2.3.2 不同出力系數(shù)鍋爐三大風(fēng)機(jī)耗電率分析

全部燃用神華煙煤／褐煤的三大風(fēng)機(jī)耗電率比全部燃用無(wú)煙煤高0.03%～0.23%，負(fù)荷越高則越突出，其主要原因是神華煙煤／褐煤的水分比無(wú)煙煤高4%～10%。不同出力系數(shù)鍋爐風(fēng)機(jī)耗電率見(jiàn)表3。

表2 不同出力系數(shù)鍋爐經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表3 不同出力系數(shù)鍋爐風(fēng)機(jī)耗電率 %

煤種 250 MW 300 MW一次風(fēng)機(jī) 二次風(fēng)機(jī) 引風(fēng)機(jī) 小計(jì)無(wú)煙煤一次風(fēng)機(jī) 二次風(fēng)機(jī) 引風(fēng)機(jī) 小計(jì)0.63 0.56 0.68 1.87 0.88 0.52 0.85 2.25神華煙煤 0.66 0.55 0.72 1.93 0.89 0.58 0.97 2.44褐煤0.68 0.59 0.82 2.09 0.9 0.59 0.99 2.48

2.3.3 反平衡供電標(biāo)煤耗分析

供電標(biāo)煤耗對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 供電標(biāo)煤耗對(duì)比g· （kW·h）-1

設(shè)定同負(fù)荷工況下汽機(jī)熱耗均為同一數(shù)值，管道效率以98%計(jì)算，則反平衡發(fā)電煤耗為：

式中：bf——反平衡發(fā)電煤耗，g／kW·h；

q——汽機(jī)熱耗，kJ／kW·h；

ηbl——鍋爐效率，100%；

ηgd——管道效率，取98%；

29.308——標(biāo)煤熱值，MJ／kg。

由式 （3），故燃用神華煙煤／褐煤與無(wú)煙煤比，通過(guò)反平衡計(jì)算綜合鍋爐效率的提高及廠用電率上升的因素，供電煤耗下降16～24g／kW·h。

3 適應(yīng)性試驗(yàn)之環(huán)保指標(biāo)分析

3.1 粉塵

無(wú)煙煤粉塵濃度為20mg／m3、神華煙煤粉塵濃度為10mg／m3、褐煤粉塵濃度為15mg／m3，其中神華煙煤粉塵排放濃度最低。3個(gè)煤種均滿足粉塵濃度＜30 mg／m3排放指標(biāo)要求。不同出力系數(shù)粉塵排放指標(biāo)見(jiàn)圖7。

3.2 二氧化硫

250 MW 負(fù)荷石灰石用量試驗(yàn)情況見(jiàn)表5。

石灰石計(jì)量按倉(cāng)泵稱重進(jìn)行計(jì)量，煤量按爐前帶式輸送機(jī)計(jì)量；試驗(yàn)時(shí)間為6h，試驗(yàn)時(shí)控制二氧化硫在150mg／m3水平。

實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，褐煤因含硫量為1.49%，噸煤耗石灰石比為21.67%，較無(wú)煙煤噸煤耗石灰石比高9%，較神華煙煤噸煤耗石灰石比高15.21%，是其1.7～3.3倍。燃用褐煤時(shí)，石灰石耗量較大，與神華煙煤相比，每燃用百噸褐煤需多消耗石灰石15.21t，石灰石價(jià)格以108元／t計(jì)算，與燃用神華煙煤相比，每燃用1t褐煤，僅由于石灰石的因素成本增加16.4元。

表5 250 MW 石灰石耗量統(tǒng)計(jì)

圖7 不同出力系數(shù)粉塵排放

3個(gè)煤種通過(guò)調(diào)節(jié)石灰石投用量，均可控制SO2達(dá)標(biāo)排放。

無(wú)煙煤、神華煙煤、褐煤含硫率分別按0.98%、0.43%和1.49%計(jì)算，3個(gè)煤種試驗(yàn)校核鈣硫比分別為2.5、2.8和3。

3.3 NOX

無(wú)煙煤NOx排放在100 mg／m3以下，神華煙煤NOx排放最高，滿負(fù)荷時(shí)達(dá)到224.8 mg／m3，已超過(guò)＜200mg／m3排放指標(biāo)要求。不同出力系數(shù)NOx排放指標(biāo)見(jiàn)圖8。

4 適應(yīng)性試驗(yàn)之安全性分析

4.1 安全性概況

從運(yùn)行安全性角度考慮，燃用神華煙煤、褐煤初期，采用與無(wú)煙煤摻燒方式，神華煙煤 （褐煤）與無(wú)煙煤摻燒比例由30%∶70%、50%∶50%、70%∶30%直至100%∶0，從而過(guò)渡到全部燃用。

神華煙煤灰熔點(diǎn)最低為1050℃，控制最高點(diǎn)床溫不超過(guò)1000℃，各運(yùn)行參數(shù)均可控制在合格范圍。

圖8 不同出力系數(shù)NOx排放

神華煙煤與褐煤水分高，運(yùn)行中煤倉(cāng)未發(fā)生堵煤現(xiàn)象。但水分高于25%時(shí)，給煤機(jī)下煤口偶有堵煤?jiǎn)栴}，輸煤系統(tǒng)則堵煤頻繁，因此神華煙煤（褐煤）需儲(chǔ)存、晾干。

尾部煙道未發(fā)生二次燃燒，電袋除塵器未發(fā)生糊袋、輸灰不暢、結(jié)焦等現(xiàn)象，可安全運(yùn)行。

4.2 “翻床”現(xiàn)象

鍋爐A、B 側(cè)床壓大幅度擺動(dòng)，呈現(xiàn)為 “湍流”、“節(jié)涌”方式，爐內(nèi)流化工況惡化，極易局部結(jié)焦，見(jiàn)圖9。

分析其原因，主要是褐煤灰分低，長(zhǎng)期燃用排渣量少或者不排渣，底部床料數(shù)量不足、質(zhì)量下降，當(dāng)前的一次風(fēng)量不足以滿足劣化的床料均衡流化需求，爐內(nèi)流化不均。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明，通過(guò)燃用各種不同低灰分褐煤，任一煤種灰分低于9%時(shí)，全部燃用3～5d，則爐內(nèi)即出現(xiàn) “翻床”現(xiàn)象，且負(fù)荷低于80%之后尤為明顯；灰分高于9%則不易發(fā)生該現(xiàn)象。

運(yùn)行中短時(shí)處理措施為增加一次風(fēng)量，但增加了風(fēng)機(jī)耗電率且不能徹底解決。有效處理方法為摻燒高灰分無(wú)煙煤，進(jìn)行床料置換，但影響鍋爐效率。目前，該電廠采取了向爐內(nèi)加入床料的方式。

4.3 安全性分析

燃用灰分＜9%的褐煤，易發(fā)生 “翻床”現(xiàn)象，不及時(shí)處理易導(dǎo)致?tīng)t膛局部結(jié)焦，目前運(yùn)行措施為立即加大一次風(fēng)量，從而及時(shí)消除該現(xiàn)象。

神華煙煤或褐煤揮發(fā)分高，易自燃，需加強(qiáng)煤場(chǎng)、輸煤、給煤系統(tǒng)監(jiān)視，密切關(guān)注尾部煙道煙溫，防止火災(zāi)及尾部煙道再燃燒事故。

5 結(jié)論

5.1 關(guān)于經(jīng)濟(jì)性

與無(wú)煙煤相比，燃用神華煙煤爐效提高5.29%～6.33%，風(fēng)機(jī)耗電率上升0.03%～0.19%，供電標(biāo)煤耗下降18.56～24.16g／kW·h。

與無(wú)煙煤相比，燃用褐煤爐效提高4.84%～6.15%，風(fēng)機(jī)耗電率上升0.15%～0.23%，供電標(biāo)煤耗下降16.87～23.16g／kW·h。

燃用褐煤經(jīng)濟(jì)指標(biāo)略低于神華煙煤，鍋爐效率下降0.18%～0.45%。

機(jī)組低負(fù)荷時(shí)燃用神華煙煤或褐煤，鍋爐效率較其他工況增長(zhǎng)0.5%，故在年度采購(gòu)各煤種比例既定、煤場(chǎng)庫(kù)容允許情況下，電廠生產(chǎn)管理中采取高負(fù)荷時(shí)段燃用無(wú)煙煤，提高無(wú)煙煤使用效率；在節(jié)假日、雨季等特殊時(shí)段低負(fù)荷運(yùn)行期間，各鍋爐全部燃用神華煙煤或褐煤，以最大程度地發(fā)揮其效益。

5.2 關(guān)于環(huán)保排放指標(biāo)

3個(gè)煤種均滿足粉塵濃度＜30 mg／m3的排放指標(biāo)要求。

燃用1t褐煤需投入石灰石0.21t，方可控制SO2達(dá)標(biāo)排放，若設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)故障則難以滿足，存在風(fēng)險(xiǎn)；燃用無(wú)煙煤、神華煙煤則無(wú)此風(fēng)險(xiǎn)。

全部燃用神華煙煤滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，NOX排放達(dá)到224.8mg／m3，超過(guò)＜200mg／m3的排放指標(biāo)要求，脫硝改造未實(shí)施前，需摻燒無(wú)煙煤。

5.3 關(guān)于安全性

基于流態(tài)重構(gòu)的CFB 節(jié)能技術(shù)對(duì)3個(gè)不同煤種均適應(yīng)；全部燃用灰分小于9%的煤種時(shí)，易出現(xiàn) “翻床”現(xiàn)象，需定期置換床料；燃用高揮發(fā)分煤種必須始終貫徹防自燃、再燃措施，防止發(fā)生各類(lèi)火災(zāi)事故；水分高于25%煤種，需儲(chǔ)存、晾干。

5.4 建議

（1）神混2 或神混3，發(fā)熱量為4800～5200kcal／kg的神華煙煤，為該電廠最適合使用煤種，綜合鍋爐效率及石灰石用量因素，在價(jià)格不超過(guò)褐煤價(jià)格16～18元／t的情況下，建議優(yōu)先采購(gòu)該煤種。

（2）灰分小于9%的褐 （煙）煤需定期置換床料，鍋爐效率提高的優(yōu)勢(shì)無(wú)法持續(xù)性體現(xiàn)，建議減少采購(gòu)該煤種。

（3）硫分含量大于1.5%的褐煤，要控制SO2達(dá)標(biāo)排放，存在風(fēng)險(xiǎn)，建議減少采購(gòu)該煤種。

（4）建議雨季減少采購(gòu)船運(yùn)煤量，以防止水分超標(biāo)；依據(jù)年度購(gòu)煤計(jì)劃，在非雨季可予以增加采購(gòu)船運(yùn)煤量。

［1］ 孫獻(xiàn)斌，黃中.大型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)與工程應(yīng)用第2版 ［M］.中國(guó)電力出版社，2013

［2］ 楊石，楊海瑞，呂俊復(fù)，岳光溪.基于流態(tài)重構(gòu)的低能耗循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)［J］.電力技術(shù)，2010（1）

［3］ 楊海瑞，呂俊復(fù).CFB 鍋爐煤成灰特性的6 參數(shù)模型研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2003 （11）

［4］ DL／T904-2004，火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算方法 ［S］

［5］ 李青，公維平.火力發(fā)電廠節(jié)能和指標(biāo)管理技術(shù)第2版 ［M］.中國(guó)電力出版社，2010

［6］ GB13223-2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) ［S］

［7］ 呂俊復(fù)，張建勝，岳光溪.循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行與檢修 ［M］.中國(guó)水利水電出版社，2003