哈鍋大容量高參數(shù)褐煤鍋爐技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

魏國(guó)華

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引言

我國(guó)褐煤儲(chǔ)量豐富，已探明儲(chǔ)量達(dá)1300億t。褐煤具有水分和灰分高、發(fā)熱值低、易結(jié)渣等特點(diǎn)，褐煤燃燒技術(shù)一直是世界性難題。我國(guó)早期的大容量褐煤鍋爐完全依賴進(jìn)口，由于國(guó)外公司未掌握我國(guó)老年褐煤的燃燒特性，鍋爐投運(yùn)后暴露了許多設(shè)計(jì)缺陷和不足，出現(xiàn)了嚴(yán)重的爐膛結(jié)渣、受熱面超溫和爆管、鍋爐無(wú)法達(dá)到額定出力和預(yù)熱器出口煙氣溫度高等問(wèn)題。

近年來(lái)我國(guó)火力發(fā)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅速，優(yōu)質(zhì)煙煤供應(yīng)不足。開發(fā)適于燃用褐煤的大容量、高效、低污染物排放的電站鍋爐，有利于緩解我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)煤炭資源日益緊張的困難局面，是滿足我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必由之路。

1 我國(guó)大型電站褐煤鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀

哈鍋是我國(guó)唯一擁有大型褐煤鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行業(yè)績(jī)的鍋爐供貨商，代表了我國(guó)褐煤鍋爐研制的最高水平。自20世紀(jì)80年代起，哈鍋立足自主創(chuàng)新，開始針對(duì)國(guó)內(nèi)褐煤煤質(zhì)特性、褐煤燃用、爐膛選型等關(guān)鍵技術(shù)開展科技攻關(guān)，取得了重大突破，并研制出300～1000 MW褐煤鍋爐爐型系列，涵蓋亞臨界、超臨界和超超臨界參數(shù)，采用型或塔式布置方式，中速磨或風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。所研制產(chǎn)品完全替代了進(jìn)口。多項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)國(guó)際和國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。并與其他單位聯(lián)合開發(fā)了褐煤干燥技術(shù)及與之相匹配的大容量褐煤鍋爐。

2 自主開發(fā)600MW級(jí)超臨界褐煤鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn)

基于我國(guó)褐煤煤質(zhì)水分波動(dòng)大的特點(diǎn)，哈鍋開發(fā)了采用不同制粉系統(tǒng)的600 MW等級(jí)超臨界褐煤鍋爐，主要包括中速磨制粉系統(tǒng)π型爐，風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)塔式鍋爐和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)π型爐。

與其他煤質(zhì)相比，褐煤具有較高的水分，因此要求制粉系統(tǒng)采用更高溫度或更大流量的干燥介質(zhì)對(duì)煤粉進(jìn)行干燥。中速磨制粉系統(tǒng)一般在燃用水分低于36%的褐煤鍋爐中采用，干燥介質(zhì)為空氣預(yù)熱器出口熱空氣。當(dāng)燃用褐煤煤質(zhì)的水分達(dá)到或高于36%時(shí)，一般推薦采用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

哈鍋設(shè)計(jì)開發(fā)的600 MW等級(jí)褐煤鍋爐均采用切圓燃燒方式，通過(guò)燃燒器分組布置和采用較大的一次風(fēng)間距來(lái)降低燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷，有效減少爐膛結(jié)焦。同時(shí)在燃燒器上方合理布置SOFA風(fēng)以有效控制NOx生成。其中采用中速磨制粉系統(tǒng)的爐型為四角切圓燃燒方式，煤粉干燥介質(zhì)為熱風(fēng)；而采用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)的爐型為八角切圓燃燒方式，采用熱風(fēng)、高溫爐煙和冷爐煙進(jìn)行煤粉干燥。鍋爐水冷壁采用螺旋管圈+垂直管屏布置方式，爐膛中、下部為螺旋水冷壁，能有效減小工質(zhì)在爐膛周界方向上的溫度偏差，保持水動(dòng)力的安全穩(wěn)定。過(guò)熱器采用三級(jí)布置，設(shè)置兩級(jí)四點(diǎn)噴水減溫器，并能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而有效控制系統(tǒng)左右側(cè)汽溫偏差和防止過(guò)熱器超溫。再熱器采用二級(jí)布置，在兩級(jí)再熱器之間設(shè)置有噴水減溫器，具體功能因爐型差異而有所差別。對(duì)于采用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)的褐煤鍋爐，噴水減溫器作為再熱器汽溫調(diào)節(jié)的主要手段。對(duì)于采用中速磨制粉系統(tǒng)的褐煤鍋爐，由于采用了尾部雙煙道方案，通過(guò)煙道出口擋板開度的調(diào)節(jié)來(lái)控制低溫再熱器和低溫過(guò)熱器側(cè)煙氣流量，從而達(dá)到再熱蒸汽汽溫調(diào)節(jié)的作用。

3 自主開發(fā)高效褐煤發(fā)電技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展，與此同時(shí)世界能源價(jià)格日益高漲，SO2、NOx、CO2排放對(duì)人類及環(huán)境的損害與破壞日益加重，發(fā)展更高效率的火電機(jī)組成為節(jié)能減排的最有效途徑。基于已有大容量褐煤鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，哈鍋?zhàn)灾鏖_發(fā)了適于燃用我國(guó)老年褐煤的1000 MW等級(jí)超超臨界褐煤鍋爐和褐煤干燥技術(shù)。

3.1 自主開發(fā)1000 MW超超臨界π型褐煤鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn)

2006年末，哈鍋依托國(guó)家“863計(jì)劃”，聯(lián)合國(guó)內(nèi)著名科研院所，針對(duì)1000 MW超超臨界褐煤鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)開展科技攻關(guān)。課題完成了鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力特性、煤質(zhì)特性、燃燒器及制粉系統(tǒng)等技術(shù)研究，形成了鍋爐整體設(shè)計(jì)和制造方案，并順利通過(guò)科技部驗(yàn)收。鍋爐采用長(zhǎng)方形爐膛設(shè)計(jì)、π型布置方案，中速磨直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐。一次風(fēng)進(jìn)入爐膛后，在爐膛中心形成反向雙切圓，有利于形成均勻的斷面熱負(fù)荷和降低爐膛、受熱面區(qū)域煙氣偏差。過(guò)熱器系統(tǒng)采用三級(jí)受熱面，每?jī)杉?jí)過(guò)熱器之間均設(shè)置有噴水減溫器，左右兩側(cè)各一只。并能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而有效控制系統(tǒng)左右側(cè)汽溫偏差和防止過(guò)熱器超溫。再熱器系統(tǒng)包括低溫再熱器和高溫再熱器兩級(jí)受熱面。鍋爐尾部采用雙煙道設(shè)計(jì)方案，再熱汽溫主要靠前后煙道出口煙氣擋板開度的變化進(jìn)行煙氣量調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)再熱器系統(tǒng)設(shè)置有事故噴水減溫器，作為再熱汽溫的輔助調(diào)節(jié)手段。此外，擺動(dòng)燃燒器也對(duì)再熱汽溫起到一定的調(diào)節(jié)作用。

3.2 自主研發(fā)1000 MW超超臨界塔式褐煤鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn)

受到制粉出力的影響，采用中速磨制粉系統(tǒng)的褐煤鍋爐在燃用更高水分的褐煤時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)排煙溫度高、鍋爐效率低、一次風(fēng)率高導(dǎo)致燃燒調(diào)節(jié)困難和爐膛結(jié)渣嚴(yán)重等問(wèn)題。因此采用扇磨制粉系統(tǒng)的超超臨界塔式鍋爐成為燃用高水分褐煤的理想爐型。

本方案采用正方形爐膛、塔式布置。制粉系統(tǒng)采用8臺(tái)風(fēng)扇磨，并沿爐膛四周成軸向輻射式布置。燃燒器入口煤粉管道采用寶塔型布置，通過(guò)煤粉管道直徑的變化和流通截面的調(diào)整對(duì)一次風(fēng)流量進(jìn)行控制。燃燒器噴口沿爐膛水冷壁均勻布置，一次風(fēng)在爐膛中心形成小直徑單切圓。通過(guò)燃燒器分組布置和采用較大的一次風(fēng)間距來(lái)降低燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷，有效減少爐膛結(jié)焦。同時(shí)在燃燒器上方合理布置SOFA風(fēng)以有效控制NOx生成。

制粉系統(tǒng)采用三介質(zhì)干燥方案，即高溫爐煙、冷爐煙和熱空氣。高溫爐煙引自布置在爐膛上方區(qū)域的抽煙口，冷爐煙一般取自預(yù)熱器出口與除塵器之前的管道，熱風(fēng)則來(lái)自預(yù)熱器出口的熱風(fēng)。由于干燥介質(zhì)中大部分為高溫爐煙，解決了中速磨制粉系統(tǒng)熱風(fēng)溫度較高與鍋爐熱效率的矛盾。鍋爐各級(jí)受熱面均水平布置于爐膛上部。熱煙氣依次流經(jīng)低溫過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器、中溫過(guò)熱器、低溫再熱器和省煤器，工質(zhì)與煙氣存在較大的溫度差，保證了煙氣與各級(jí)受熱面中工質(zhì)的換熱。

3.3 褐煤干燥技術(shù)主要技術(shù)特點(diǎn)

褐煤屬軟質(zhì)煤，其特征是水份大，能量密度低，與煙煤等硬煤有很大差異。由于褐煤水分高達(dá)25%～40%甚至更高，如直接參與燃燒，大量的水分在燃燒汽化的過(guò)程中吸收大量熱量，使得鍋爐效率大大降低。此外，由于大量水分的存在，褐煤鍋爐體積也較煙煤鍋爐體積更加龐大，鍋爐造價(jià)增加約25%，限制了大容量褐煤鍋爐在我國(guó)的發(fā)展。

在此背景下，哈鍋積極研發(fā)新型褐煤應(yīng)用技術(shù)，以國(guó)內(nèi)某電廠煤質(zhì)為主要研究對(duì)象，提出了600 MW等級(jí)開式制粉系統(tǒng)超臨界鍋爐方案。

經(jīng)過(guò)干燥后的煤質(zhì)水分大大降低，發(fā)熱值更加接近于煙煤，但由于干燥后的煤種所含灰分的成分沒(méi)有發(fā)生改變，其結(jié)焦和磨損特性與干燥前煤質(zhì)相比沒(méi)有明顯變化，甚至更加惡化。因此鍋爐方案除了要與褐煤提水系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮并提供煤質(zhì)干燥所需的熱量外，還應(yīng)保證鍋爐的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。本方案鍋爐為超臨界參數(shù)，采用塔式布置，六角切圓燃燒方式，采用開式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配備6臺(tái)給粉機(jī)，5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。下爐膛采用螺旋管圈水冷壁，上爐膛采用垂直管圈水冷壁，中間采用混合集箱，可有效對(duì)工質(zhì)進(jìn)行充分混合并消除工質(zhì)溫度偏差。爐內(nèi)過(guò)熱器、再熱器和省煤器均采用水平布置方式，為全輸水型。煙氣向上流動(dòng)依次流經(jīng)低溫過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器、中溫過(guò)熱器、低溫再熱器和省煤器，然后進(jìn)入預(yù)熱器與冷空氣進(jìn)行換熱。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)火力發(fā)電裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，優(yōu)質(zhì)煙煤供應(yīng)不足。開發(fā)適于燃用褐煤的大容量、高效、環(huán)保的電站鍋爐、高效褐煤發(fā)電爐煙干燥開式制粉系統(tǒng)鍋爐以及煙氣余熱回收技術(shù)，充分利用我國(guó)儲(chǔ)量豐富的褐煤資源，將進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)大容量高參數(shù)鍋爐對(duì)燃用高水分褐煤的適應(yīng)性，以滿足我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的要求。

［1］ 張殿軍，尹向梅.1000 MW超超臨界褐煤鍋爐的研究與初步設(shè)計(jì)［J］.動(dòng)力工程，2010，30（8）：559-566.