某600 MW 機(jī)組配煤摻燒試驗與分析

陳孝武，葛 偉，張 軍

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310030)

由于設(shè)計煤采購困難，越來越多的電廠大量燃用非設(shè)計煤種[1-4]。另一方面，為了降低燃料成本，電廠也經(jīng)常摻燒一些低成本的劣質(zhì)煤。由于煤源較雜，煤種多變，電廠缺乏必要的煤質(zhì)分析手段，因而對煤質(zhì)特性以及擬摻燒煤與鍋爐設(shè)備的適應(yīng)性認(rèn)識不足，導(dǎo)致在煤質(zhì)發(fā)生較大改變時鍋爐在運行過程中出現(xiàn)許多問題，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運行。試驗電廠地處沿海，隨著煤炭供應(yīng)緊張，電廠來煤趨于多元化，目前常用的煤種主要有神混系列、優(yōu)混、平混系列、準(zhǔn)混系列、印尼煤、褐煤等，燃用煤種偏離設(shè)計煤質(zhì)較多，影響鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運行。為了提高摻燒過程的科學(xué)性，有必要對鍋爐進(jìn)行摻燒熱態(tài)試驗，以優(yōu)化摻燒過程，提高摻燒過程機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性，降低污染物的排放，從而降低供電成本。為此，通過多工況熱態(tài)試驗，探討了不同煤質(zhì)的煤組合、配風(fēng)等對NOx的排放濃度及鍋爐效率的影響，以指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備及試驗過程簡介

試驗在某電廠2 號爐上進(jìn)行，該鍋爐為600 MW超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1913 t/h。鍋爐燃燒系統(tǒng)按配中速磨冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計。24 只直流式燃燒器分6 層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。最上排燃燒器噴口中心標(biāo)高為34 919 mm，距分隔屏底部20 931 mm。最下排燃燒器噴口中心標(biāo)高為25 459 mm，在主燃燒器和爐膛出口之間標(biāo)高44 099 mm 處布置有1 組分離燃盡風(fēng)（SOFA）燃燒器噴嘴。主風(fēng)箱設(shè)有6 層強(qiáng)化著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置燃料風(fēng)（周界風(fēng)）。在每相鄰2 層煤粉噴嘴之間布置1 層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括上下2 只偏置的輔助風(fēng)（CFS）噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。主風(fēng)箱上部設(shè)有2 層緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA）噴嘴，下部設(shè)有1 層火下風(fēng)（UFA）噴嘴。在主風(fēng)箱上部布置SOFA 燃燒器，包括5 層可水平擺動的SOFA 噴嘴。

按試驗設(shè)計的工況調(diào)整鍋爐的運行，在試驗期間保持鍋爐穩(wěn)定運行，在給煤機(jī)取樣口處采集原煤，按質(zhì)量比例混合，用樣品袋封裝送檢，待工況穩(wěn)定持續(xù)一段時間后采集飛灰和渣樣封裝送檢。在試驗過程中，空預(yù)器進(jìn)出口煙氣溫度測量采用K 型熱電偶，精度為Ⅰ級，通過Fluke 數(shù)字溫度采集儀記錄數(shù)據(jù)，煙氣組成采用型號為Testo350XL 德圖煙氣分析儀進(jìn)行分析；采用紅外測溫儀Raynger 3i，從觀火孔測量不同標(biāo)高的爐膛溫度；部分運行數(shù)據(jù)從分布式控制系統(tǒng)（DCS）歷史工作站中采集。

1.2 試驗用煤

電廠設(shè)計煤種為神府東勝煤，由于煤炭市場供應(yīng)量和價格因素的影響，實際電力生產(chǎn)中煤種來源較為龐雜。試驗中選用典型的神混煤、褐煤、印尼煤和平混煤等煤種，此4 類煤使用量大且來源較穩(wěn)定，其中褐煤和印尼煤的價格較便宜，神混煤和褐煤均較容易結(jié)渣，印尼煤和平混煤的結(jié)渣情況較好。典型煤種的試驗可以為鍋爐燃燒相近煤質(zhì)煤提供參考。典型煤種試驗煤質(zhì)分析見表1。褐煤收到基水分達(dá)到34%，熱值較低，氮元素含量與設(shè)計煤種和平混煤均較為接近，但硫含量較低，摻入后可以減少總的入爐硫含量。印尼煤的收到基含水量也較大，低位發(fā)熱量介于設(shè)計煤種與褐煤之間，但氮元素、硫含量較高。神混煤和平混煤的煤質(zhì)與設(shè)計煤種較接近，其中神混煤的發(fā)熱量略低于設(shè)計煤種，而平混煤的熱容量略高于設(shè)計煤種。根據(jù)穩(wěn)燃判別指數(shù)[5]，神混煤和平混煤的穩(wěn)燃性能與設(shè)計煤種相近，均為易穩(wěn)燃，褐煤和印尼煤則屬于極易穩(wěn)燃。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同煤種組合的影響

試驗主要考察了滿負(fù)荷情況下?lián)綗推焚|(zhì)的褐煤以及印尼煤對運行的影響。試驗過程中機(jī)組負(fù)荷為600 MW，控制氧量在2.6%左右，每臺磨（A-F）對應(yīng)一層燃燒器，燃燒器最下層為A 層，最上層為F 層。進(jìn)行了3個工況的試驗，工況一燃用神混煤、褐煤、平混煤，三者的質(zhì)量比為31:11:10，其中A、B、C 磨上神混煤，D磨上褐煤，E 磨上平混煤，F(xiàn) 磨停用；工況二進(jìn)一步摻燒品質(zhì)最差的褐煤而停燒品質(zhì)最好的平混煤，神混煤與褐煤的質(zhì)量比為62:38，為此采用6 磨運行方式，其中A、C、E、F 磨上神混煤，B、D 磨上褐煤；工況三摻燒煤質(zhì)處于神混煤和褐煤中間的印尼煤以取代部分神混煤，神混煤、印尼煤、褐煤三者的質(zhì)量比為32:30:38，其中A、F 磨上神混煤，B、D 磨上褐煤，C、E 磨上印尼煤。不同煤組合下的試驗結(jié)果如表2 所示。

表1 典型煤質(zhì)分析 %

表2 不同煤組合下的試驗結(jié)果

神混煤和平混煤的燃燒性能與設(shè)計煤種較為接近，摻燒1 臺褐煤后（工況一），未燃盡碳熱損失比設(shè)計值（0.63%）低，這是由于褐煤具有更好的著火和燃盡性能。但是褐煤的摻入使得鍋爐效率低于鍋爐設(shè)計保證熱效率（93.55%），原因是摻燒高水分褐煤后，排煙溫度升高，干煙氣熱損失升高（設(shè)計煤種干煙氣熱損失為4.64%）。

用褐煤取代平混煤后（工況二），鍋爐效率降低到93.214%。褐煤揮發(fā)分高，易于著火和燃盡，因此取代平混后飛灰含碳量降低，未燃盡碳熱損失減少，但其水分高，導(dǎo)致排煙溫度上升，干煙氣熱損失增大，且燃料中氫元素燃燒生成的損失和燃燒中液體水產(chǎn)生的損失均比工況一大，并最終導(dǎo)致鍋爐效率的降低。

進(jìn)一步將煤質(zhì)較差的印尼煤取代部分神混煤（工況三）后鍋爐效率略有下降。印尼煤的著火和燃盡性能比神混好，但從試驗結(jié)果來看，印尼煤的加入使飛灰含碳量增加。FAUNDEZ[6]等人在利用夾帶流反應(yīng)器的實驗研究中也發(fā)現(xiàn)高揮發(fā)分煤的過多摻入對燃盡會產(chǎn)生不利影響。高揮發(fā)分煤的有機(jī)質(zhì)釋放溫度低，進(jìn)入爐膛后會更快釋放出來。當(dāng)高揮發(fā)分煤加入多時，大量釋放的揮發(fā)分會占據(jù)更多的氧，從而使揮發(fā)分低的煤著火和燃燒所需氧量不足，最終導(dǎo)致其燃盡度降低。因此，電廠在今后運行中應(yīng)合理控制摻燒比例。

受鍋爐受熱面材料的限制，鍋爐的過熱器和再熱器的出口溫度上限為565℃，在上述3 組試驗中，工況三的蒸汽流量比前2個工況多25 t/h 左右，主汽溫度略有降低，減溫水用量較少，而前2個工況減溫水用量較大。

從燃燒器火焰平均溫度來看，3 種工況之間最大差值只有6℃，差別不大，但3 種工況的爐膛火焰平均溫度最大差值達(dá)到19℃。圖1 示出了3 種工況下爐膛溫度的發(fā)布，可以看到煤種組合方式對其存在明顯影響。工況一下燃燒煤的熱值較高，且集中在A-E 層燃燒器，導(dǎo)致燃燒器區(qū)域溫度較高。當(dāng)摻燒更多的熱值低的煤后（工況二和三），由于采用A-F 6 層燃燒器運行，燃燒中心上移，最高溫度出現(xiàn)在燃燒器上部，且最高溫度升高。工況二摻燒2 臺磨褐煤，煤粉在出燃燒器區(qū)域后的溫度始終比工況一的高，由于褐煤和神混煤都是易結(jié)渣煤，因此這種組合方式對鍋爐結(jié)渣的防止是不利的。工況三的火焰中心溫度介于工況一和工況二之間，而印尼煤結(jié)渣性低，因此用其取代部分神混對減輕結(jié)渣有利。從對運行過程中鍋爐受熱面的觀察，發(fā)現(xiàn)工況一的結(jié)渣情況最輕，工況二的最大，這與上述分析是一致的，因此在電廠今后鍋爐滿負(fù)荷運行時需注意控制工況二的摻燒方式。

從煙氣NOx測量結(jié)果來看，隨煤質(zhì)差的煤加入量的增加，NOx含量增加，這主要是所燃用煤中氮含量增加的緣故，分析表明煙氣中NOx含量與燃料氮量相關(guān)系數(shù)為0.987。從典型煤質(zhì)分析（見表1）中可以看出印尼煤中的氮含量較大，導(dǎo)致其加入后煙氣中NOx含量明顯升高（見表2 工況三），且其取代神混煤后也會使煙氣量增加，因此隨著選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)的使用，如何優(yōu)化印尼煤的使用是需要考慮的問題。

圖1 不同工況爐膛溫度變化

根據(jù)2013年5 月環(huán)渤海動力煤價格指數(shù)[7]，取不同發(fā)熱量的煤價格分別為：神混煤價格525 元/t、平混煤600 元/t、印尼煤430 元/t、褐煤400 元/t。計算出工況一發(fā)電燃料成本最大，工況三最低，可見摻入低熱值煤雖然帶來鍋爐效率的降低，但是在當(dāng)前的煤炭價格條件下，褐煤和印尼煤的價格較低，摻燒褐煤和印尼煤可以降低發(fā)電燃料成本。

2.2 不同氧量的影響

該組試驗保持機(jī)組負(fù)荷為360 MW，B、D 層燃用褐煤，C、E 層燃用印尼煤?？刂剖∶浩鞒隹跓煔庋趿孔兓?，測量機(jī)組運行參數(shù)。

不同氧量控制條件下試驗結(jié)果如表3 所示。對煙氣中NOx含量而言，可以看到氧量對其有顯著影響，隨氧量的增加，NOx含量增加。在低氧條件下，中間產(chǎn)物NH3和HCN 等易向N2轉(zhuǎn)化；而氧濃度升高后，它們易轉(zhuǎn)化成NOx[8]。

表3 不同氧量控制條件下試驗結(jié)果

此鍋爐日常運行中，負(fù)荷為360 MW時，氧量控制4.4 左右，當(dāng)氧量從4.4%增加到4.75%時，鍋爐效率下降了0.3%，主要來源于過量空氣帶來的煙氣熱損失；氧量降低到4.0%時，鍋爐效率增加了0.13%，且NOx的排放也有所下降。氧量的變化對主蒸汽溫度影響不大，對再熱蒸汽溫度有影響。

當(dāng)氧量從4.4%下降到4.0%時未燃盡碳熱損失降低，氧量上升到4.75%時，飛灰含碳量減少更為明顯，氧量和飛灰含碳量之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。通常過量空氣系數(shù)的增大會使近燃燒器區(qū)內(nèi)氣流流速增大，煤粉與氣體間的傳熱傳質(zhì)狀態(tài)改善，這對煤粉的燃燒又是有利的。文獻(xiàn)[9]在高負(fù)荷變氧量試驗中，隨著氧量的增加飛灰含碳呈下降趨勢，出現(xiàn)差異的原因可能是一次風(fēng)風(fēng)量不同變化的緣故。試驗過程中省煤器氧量控制通過機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）調(diào)節(jié)一二次風(fēng)量來實現(xiàn)，從調(diào)節(jié)結(jié)果看，雖然隨著氧量的增加總風(fēng)量是增加的，但工況六的一次風(fēng)量最小，工況五的一次風(fēng)量最大。一次風(fēng)量越大，煤粉氣流著火所需吸收的熱量越大，燃燒器區(qū)域煤粉濃度降低，煤粉著火推遲，不利于燃盡。此外，該試驗是在低負(fù)荷下進(jìn)行的，與高負(fù)荷相比爐膛溫度較低，一次風(fēng)的影響更為明顯。由此可見，該爐在低負(fù)荷下采用褐煤和印尼煤摻燒，一次風(fēng)量的變化對飛灰含碳影響較大，應(yīng)通過試驗的方法確定合適的一次風(fēng)量，避免控制氧量變化過程中一次風(fēng)量調(diào)節(jié)不合理的情況。試驗結(jié)果也顯示，在機(jī)組低負(fù)荷運行氧量控制為4.0%時，爐膛出口過量空氣系數(shù)約為1.25，煤粉燃盡所需的氧量已經(jīng)能夠滿足，因此電廠今后在鍋爐低負(fù)荷運行摻燒褐煤和印尼煤時，可適當(dāng)降低現(xiàn)有運行方式下的氧量。

2.3 SOFA 風(fēng)調(diào)整的影響

試驗過程中，煤質(zhì)參數(shù)和磨組合方式均和氧量試驗相同，維持機(jī)組負(fù)荷為360 MW，保持省煤器出口氧量4.5%，二次風(fēng)比率為77%，SOFA 風(fēng)擋板開度和試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 SOFA 風(fēng)調(diào)整試驗結(jié)果

SOFA 風(fēng)擋板開度整體增加20%后，燃燒器周圍的二次風(fēng)量相對下降，燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)減小，燃燒器區(qū)域火焰平均溫度降低了7℃。煤粉燃燒延遲，當(dāng)煙氣經(jīng)過SOFA 噴口對應(yīng)區(qū)域時，未完全燃燒的可燃物和部分還原性氣體實現(xiàn)再燃。從表4 中可以看出，SOFA 風(fēng)的增加再熱蒸汽溫度升高，而主蒸汽的溫度變化不大。

在一定范圍內(nèi)，增大SOFA 風(fēng)擋板開度，煙氣NOx含量降低43 mg/m3的同時，鍋爐熱效率僅降低了0.003%，兼顧了氮氧化物排放和鍋爐效率。

電廠實際運行中，當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運行時SCR 脫硝裝置系統(tǒng)會退出，由于在低負(fù)荷時，煙氣溫度較低，NOx的催化還原反應(yīng)不能正常進(jìn)行。此時，在保證鍋爐熱效率較低不明顯的條件下，通過合理的配風(fēng)可以使NOx的排放顯著降低。

3 結(jié)束語

進(jìn)行分磨制粉，爐內(nèi)摻燒褐煤可以改善煙煤燃盡特性，摻入2 臺低熱值高揮發(fā)分煤時未燃盡碳損最低，隨著摻入低發(fā)熱值煤量的增加，不完全燃燒增加，且低熱值煤量的增加會導(dǎo)致鍋爐排煙熱損失增加，鍋爐效率降低。但是由于低熱值煤價格的優(yōu)勢，總的發(fā)電燃料成本降低了，且摻燒印尼煤可以減輕結(jié)渣；在相同的配風(fēng)和氧量控制條件下，煙氣中NOx的排放與燃料含氮量關(guān)系密切，可以通過摻配低氮燃料來控制入爐總?cè)剂系?，從而降低煙氣中NOx的量；在一定的氧量范圍內(nèi)，通過降低省煤器出口氧量可以降低NOx的排放，同時可以減少排煙熱損失，增加鍋爐效率，低負(fù)荷運行氧量宜為4.0%，并適當(dāng)降低一次風(fēng)量；在一二次風(fēng)比率不變的條件下，通過增大SOFA 擋板開度，可以降低燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)，降低了NOx的排放。

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