660 MW超臨界塔式爐燃用高鈉褐煤實(shí)踐研究

于鵬峰，黃偉，李文軍，楊劍鋒，宋清泉

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.神華國能哈密電廠，新疆哈密839000)

660 MW超臨界塔式爐燃用高鈉褐煤實(shí)踐研究

于鵬峰1，黃偉1，李文軍1，楊劍鋒1，宋清泉2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.神華國能哈密電廠，新疆哈密839000)

對新疆哈密大南湖礦區(qū)兩種高鈉褐煤進(jìn)行了結(jié)渣特性分析，介紹了哈密某電廠塔式鍋爐針對哈密高鈉褐煤采取的設(shè)計(jì)措施、調(diào)試及運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題以及采取的預(yù)防及處理措施，并對燃用高鈉煤鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行提出了建議，結(jié)合機(jī)組調(diào)試及燃燒優(yōu)化試驗(yàn)實(shí)踐證明采取科學(xué)措施后燃用該地區(qū)高鈉煤可實(shí)現(xiàn)大比例摻燒。

塔式鍋爐；高鈉煤；結(jié)渣

近年來，隨著 “西電東送” 項(xiàng)目的落實(shí)，新疆準(zhǔn)東地區(qū)及哈密地區(qū)作為已探明的新疆乃至全國最大煤炭基地，已在逐漸地?cái)U(kuò)大開發(fā)，一批大容量、高參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組正在陸續(xù)建成。該地區(qū)煤質(zhì)著火溫度低、燃盡率高、燃燒經(jīng)濟(jì)性高、且污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)，特別符合我國節(jié)能減排的目標(biāo)〔1〕。但這兩個地區(qū)煤灰中堿金屬 (鈣、鈉、鉀)含量較高，具有嚴(yán)重的結(jié)渣、沾污特性。運(yùn)行結(jié)果顯示高比例燃用高堿煤后許多電廠鍋爐都發(fā)生了嚴(yán)重的結(jié)渣、沾污，威脅到鍋爐機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著新疆地區(qū)大量新建機(jī)組的投產(chǎn)，如不解決高堿煤鍋爐燃用問題，未來大量機(jī)組投產(chǎn)后將面臨嚴(yán)重的運(yùn)行安全問題。

某集團(tuán)哈密電廠4×660 MW工程鍋爐為上海鍋爐廠針對哈密地區(qū)高堿煤設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首批2 236 t/h超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流塔式鍋爐，4臺機(jī)組于2015年7月全部投產(chǎn)，這4臺鍋爐調(diào)試及運(yùn)行中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)將對后期燃用高堿煤鍋爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有重要的意義。

1 設(shè)備概況及燃用煤質(zhì)

某電廠4×660 MW工程鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的2 236 t/h超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛塔式布置、四角對稱正反切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、一次再熱〔2〕，平衡通風(fēng)，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，固態(tài)排渣，同步安裝脫硫、脫硝裝置。

該電廠主要燃用哈密大南湖礦區(qū)一、二礦煤，該礦區(qū)已經(jīng)揭露的上層煤質(zhì)資料顯示，各煤層具有高內(nèi)在水分 (Mad=10.78%～11.92%)，特低-低灰分 (Ad=9.49%～11.95%)，高揮發(fā)分 (Vdaf= 39.7%～41.88%)，低-中-高發(fā)熱量Qgr.d=(10.11～22.95～28.97 MJ/kg)，特低-高氯 (Cld=0.02%～0.53%)，較低煤灰軟化溫度 (ST=1 150～1 226℃)，難-易磨 (HGI=49.64～156)，氧化鈉、二氧化硅及三氧化二鋁含量分布寬特點(diǎn) (Na2O為2%～11%，SiO2為 20.12%～50.12%，Al2O3為5.01～26.31%)。與新疆準(zhǔn)東地區(qū)平均煤質(zhì)比較，哈密地區(qū)煤熱值低30%、灰分較高，灰分中Na2O，MgO，CaO等堿金屬含量水平相當(dāng)，因此折算成單位熱值，單位質(zhì)量煤的堿金屬較準(zhǔn)東地區(qū)高得多。反映在灰熔點(diǎn)上，哈密煤比準(zhǔn)東煤低100℃以上，具有更強(qiáng)的沾污、結(jié)焦特性。同時大南湖礦區(qū)煤中SiO2，Al2O3含量比新疆其他地區(qū) (如準(zhǔn)東地區(qū))高，這是大南湖礦區(qū)煤的主要特點(diǎn)之一。表1為該電廠主要燃用的煤質(zhì)。

表1 大南湖一、二礦煤質(zhì)分析結(jié)果

2 煤質(zhì)結(jié)渣特性分析

煤質(zhì)特性對結(jié)渣的影響主要體現(xiàn)在燃用煤種的熔融特性溫度 (DT/ST/FT)以及灰的熔化特性及其與成分的關(guān)系上。為判斷不同煤種在燃燒時的結(jié)渣性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多判別方法，大致可以分為3個方面，即根據(jù)煤灰物理特性、煤灰的成分特性進(jìn)行評判以及爐內(nèi)結(jié)渣的綜合評判。煤灰的物理特性包括煤灰的熔點(diǎn)溫度、灰渣粘度、燒結(jié)溫度、渣形特征等〔3〕。常用的結(jié)渣判別方法列舉見表2，大南湖一、二礦煤各種計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 煤灰成分結(jié)渣傾向性判別指標(biāo)

表3 大南湖一、二礦煤結(jié)渣計(jì)算結(jié)果

表2中各公式的計(jì)算方法如下:

式中

從以上各種結(jié)渣指數(shù)判別方法看，二礦煤屬于嚴(yán)重結(jié)渣煤質(zhì)，一礦煤介于中等結(jié)渣與嚴(yán)重結(jié)渣之間。無論是在爐膛選型、燃燒器設(shè)計(jì)，還是在受熱面的布置方面都應(yīng)當(dāng)給予高度重視。

3 針對高鈉煤的設(shè)計(jì)措施

針對上述燃煤特征，鍋爐廠在設(shè)計(jì)階段從以下幾個方面對鍋爐的選型及相關(guān)參數(shù)的選取進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 爐型的選擇

煤粉鍋爐主要分為π型爐及塔式爐兩種，塔式爐主要有以下優(yōu)點(diǎn): (1)相同條件下較低的屏底煙溫和較小的爐膛出口截面煙溫偏差； (2)受熱面水平布置，無水平煙道，無折焰角，不易堆灰，有利于受熱面吹灰器的布置，無吹灰死角；(3)煙氣流速向上，灰粒子受重力作用，部分粘聚的大顆?？赏ㄟ^重力作用回落至爐膛； (4)與π型布置相比，選用塔式鍋爐，更易于尾部受熱面布置和蒸汽側(cè)參數(shù)匹配，從而大幅度降低結(jié)渣、沾污、積灰趨勢?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，塔式爐更適用燒高堿煤。

3.2 爐膛參數(shù)的選取

通過增加爐膛高度來增加爐膛容積，以降低容積熱負(fù)荷來緩解結(jié)渣情況 (塔式布置)。其爐膛高度比同級別的鍋爐高10 m以上。

根據(jù) 《火力發(fā)電廠大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》 (DL/T 831—2002)，切圓燃燒鍋爐燃用褐煤其爐膛特性參數(shù)推薦上限值:爐膛容積熱負(fù)荷為68～80 kW/m3；爐膛斷面熱負(fù)荷為4.0～5.0 mW/m2；燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷為1.0～1.6 mW/m2；燃盡高度為22～26 m。

表4為哈密地區(qū)兩種爐型爐膛設(shè)計(jì)參數(shù)對比。從表中看出該塔式爐設(shè)計(jì)參數(shù)均優(yōu)于π型爐及選型導(dǎo)則要求。

3.3 燃燒器及吹灰器布置

1)燃燒器采用同心正反對沖切向燃燒技術(shù)，一次風(fēng)對沖，通過二次風(fēng)開度來調(diào)整切圓大小，可有效防止煤粉氣流沖刷水冷壁。將高溫、貧氧、富煤粉的燃燒過程控制在爐膛中心進(jìn)行，而在水冷壁區(qū)域創(chuàng)造低溫、富氧、貧煤粉的區(qū)域。

2)燃燒器布置采用垂直方向分段布置方案，ABC層與DEF層燃燒器分組布置，拉開間距、降低燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷，不僅降低 NOx的生成率，而且可以實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，有效防止結(jié)渣。

3)設(shè)計(jì)8套爐膛水力吹灰器，當(dāng)爐膛結(jié)渣時使用水力吹灰進(jìn)行除焦。

表4 兩種爐型爐膛設(shè)計(jì)參數(shù)對比

4 調(diào)試及運(yùn)行中發(fā)生的問題

1)調(diào)試及投產(chǎn)初期，在400 MW以下負(fù)荷可全燃二礦煤，鍋爐的各項(xiàng)主要參數(shù)基本正常，鍋爐無嚴(yán)重結(jié)焦。高負(fù)荷下當(dāng)二礦煤摻燒比例超過50%時，渣量較大，后期調(diào)整一二次風(fēng)比例、優(yōu)化配風(fēng)提高吹灰頻率后高負(fù)荷下?lián)綗V煤比例可達(dá)75%。

2)一級過熱器區(qū)域沾污較快，主要集中在迎風(fēng)面。圖1為從一級過熱器取下來的渣樣及爐內(nèi)實(shí)際沾污情況。

圖1 一級過熱器結(jié)渣情況

3)干除渣系統(tǒng)排渣不暢。高負(fù)荷高比例摻燒二礦煤后，當(dāng)出現(xiàn)較大渣塊且渣快較硬時，碎渣機(jī)經(jīng)常發(fā)生卡澀，且由于沒有設(shè)計(jì)旁路，導(dǎo)致無法排渣，因此在渣倉上部開孔進(jìn)行就地排渣，同時擠渣頭設(shè)計(jì)擠壓壓力為10 MPa。當(dāng)爐膛掉大焦時，焦塊較硬，擠壓不動，需人工進(jìn)行除焦，勞動強(qiáng)度極大。后期利用停爐機(jī)會對除渣系統(tǒng)進(jìn)行了改造，提高了擠渣壓力，增設(shè)了碎渣機(jī)旁路并將碎渣機(jī)電機(jī)更換為大功率電機(jī)，排渣能力得到明顯改善。

4)再熱汽溫波動大。2號鍋爐投產(chǎn)最早，運(yùn)行時間長，一級過熱器及三級過熱器處形成了穩(wěn)定結(jié)渣層，再熱汽溫偏高，尤其是長時間未進(jìn)行一級過熱器吹灰時，再熱汽溫會比過熱汽溫高10～20℃。4號機(jī)組投產(chǎn)最晚，運(yùn)行時間短，過熱器結(jié)渣層薄，低負(fù)荷下，尤其是低負(fù)荷下過熱器吹灰完后，再熱汽溫較過熱汽溫低10～20℃。

5 優(yōu)化運(yùn)行措施

針對鍋爐結(jié)焦問題，運(yùn)行、調(diào)試、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)等單位進(jìn)行了一系列調(diào)整，主要采取了以下措施:

5.1 燃燒調(diào)整措施

保持適當(dāng)氧量，合理配風(fēng)，控制風(fēng)箱/爐膛差壓:根據(jù)負(fù)荷制定氧量和風(fēng)箱/爐膛差壓控制曲線，根據(jù)負(fù)荷及磨煤機(jī)投運(yùn)情況制定二次風(fēng)門開度控制曲線；適當(dāng)提高風(fēng)箱差壓，增強(qiáng)二次風(fēng)剛度，減少啟旋風(fēng) (偏置風(fēng))開度，避免一次風(fēng)刷墻。

調(diào)整一次風(fēng)率、密封風(fēng)壓力:適當(dāng)減少一次風(fēng)率，降低一次風(fēng)風(fēng)速和剛度。

一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平:通過調(diào)平防止火焰偏斜、爐內(nèi)熱負(fù)荷不均。

改變二礦煤摻燒方式:通過試驗(yàn)摸索不同比例、不同磨煤機(jī)組合摻燒高鈉煤，由原先的分層摻燒改為集中摻燒，即二礦高堿煤放在上層燃燒器(CDE磨組合或BCDE磨組合)集中摻燒，有利于控制爐內(nèi)結(jié)焦〔4〕。

5.2 優(yōu)化吹灰

采用定期吹灰和重點(diǎn)吹灰相結(jié)合的方式。通過觀察減溫水量、壁溫與汽溫差、受熱面進(jìn)出口溫差進(jìn)行優(yōu)化吹灰，通過現(xiàn)場探火孔觀察等方式發(fā)現(xiàn)結(jié)焦時安排進(jìn)行打焦和局部吹灰，根據(jù)水冷壁結(jié)焦情況適時投入水冷壁水力除焦裝置。

通過以上的調(diào)整措施，初步確定了燃燒配風(fēng)方式、二礦煤摻燒比例、摻燒方式和各受熱面吹灰頻率，目前二礦煤為比例50%～75%。從鍋爐運(yùn)行情況來看，4臺鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)焦情況明顯改善，爐底掉大焦問題較少發(fā)生。鍋爐停爐檢查，爐膛水冷壁無明顯掛著的大焦塊，除一級過熱器外受熱面也無明顯沾污現(xiàn)象。

6 對燃用高鈉煤的建議

6.1 鍋爐設(shè)計(jì)

解決高鈉煤結(jié)焦、沾污問題的關(guān)鍵是鍋爐設(shè)計(jì)選型。如果設(shè)計(jì)選型不當(dāng)，其它措施無法根本解決問題。選擇合適的爐型、燃燒方式、爐膛結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力參數(shù)，燃燒器布置方式尤為重要。主要從降低爐膛容積熱負(fù)荷、斷面熱負(fù)荷，提高燃燒器間距，延長燃燒器至屏底間距著手，同時針對可能發(fā)生的結(jié)焦、積灰問題，適當(dāng)增加吹灰器數(shù)量，必要時增設(shè)水力吹灰裝置可起到緩解作用。

6.2 輔助設(shè)備

目前燃用高鈉煤鍋爐比較突出的問題是爐內(nèi)一旦結(jié)渣渣量較大，結(jié)渣時間長時渣塊硬度大。必須保證干除渣系統(tǒng)出力，保證排渣順暢，建議采取以下措施:增大渣斗格柵間距；增大擠渣門、碎渣機(jī)出力；干除渣設(shè)計(jì)成二級除渣 (碎渣機(jī)+旁路)；在渣井處設(shè)計(jì)噴水系統(tǒng)。

6.3 進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

優(yōu)化運(yùn)行氧量和SOFA開度，保持爐內(nèi)適當(dāng)?shù)倪^量空氣系數(shù)，保證不缺氧的同時降低火焰中心。

進(jìn)行一次風(fēng)調(diào)整及調(diào)平，防止火焰偏斜，爐內(nèi)熱負(fù)荷不均。

優(yōu)化煤粉細(xì)度和磨出口一次風(fēng)溫，控制煤粉著火與燃盡。

優(yōu)化不同負(fù)荷下磨煤機(jī)的組合方式，通過試驗(yàn)確定摻燒的比例和方式。

優(yōu)化燃燒器擺角，避免火焰中心過分上移。

優(yōu)化配風(fēng)方式，防止水冷壁貼壁處缺氧燃燒。

燃燒穩(wěn)定前提下降低爐膛溫度。

運(yùn)行中加強(qiáng)對結(jié)焦、積灰情況的監(jiān)視。

針對鍋爐不同設(shè)計(jì)情況，通過優(yōu)化吹灰使受熱面保持合理結(jié)渣厚度。

建議增加紅外測溫、爐內(nèi)成像觀測裝置，利用先進(jìn)的監(jiān)視手段，對受熱面結(jié)焦、沾污情況進(jìn)行定期監(jiān)測，定向清焦，發(fā)現(xiàn)問題及時采取調(diào)整和處理措施。

〔1〕王彥林，郭前鑫，翟文東.燃用哈密高鈉高氯煤的超臨界鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行 〔J〕.中國電力，2014，47(4):60-64.

〔2〕上海鍋爐廠有限公司.鍋爐設(shè)計(jì)說明書 〔S〕.2014.

〔3〕艾靜，秦裕琨，朱群益，等.國內(nèi)外煤灰結(jié)渣判別指數(shù)的探討 〔J〕.電站系統(tǒng)工程，1994.10(2):1-4.

〔4〕西安熱工研究院有限公司.神華國能哈密電廠2號鍋爐配煤摻燒試驗(yàn)報(bào)告 〔R〕.2015.

〔5〕湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司.神華國能哈密電廠1、2號鍋爐整套啟動調(diào)試報(bào)告〔R〕.2015.

Practice and research of high sodium lignite combustion characteristics in 660 MW subcritical pressure updraft boiler

YU Pengfeng1，HUANG Wei1，LI Wenjun1，YANG Jiangfeng1，SONG Qingquan2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Electric Power Research Institute，Changsha 410007，China；2.Shenhua Guoneng Hami Power Plant，Hami 839000，China)

This paper analyzes the slag characteristics of high sodium lignite of south lake mine in Hami of Xinjiang Province，introduces the design measures，commissioning and operation situation of the tower boiler of Hami power plant，and puts forward some suggestions on the design and operation of high sodium coal boiler.The practice has proved that it can realize the large proportion of co-comubustion with high sodium coal in the region after the scientific measures are taken.

updraft boiler；high sodium lignite；slag

TM227.1

B

1008-0198(2016)04-0066-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.017

2015-11-20