600 MW超臨界貧煤鍋爐摻燒煙煤試驗(yàn)研究

王磊

（山西魯晉王曲發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 047500）

600 MW超臨界貧煤鍋爐摻燒煙煤試驗(yàn)研究

王磊

（山西魯晉王曲發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 047500）

對(duì)某廠600 MW超臨界貧煤機(jī)組進(jìn)行爐外摻燒煙煤試驗(yàn)，分別分析了爐外摻燒20%、30%、40%煙煤后鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。結(jié)果表明，摻燒40%煙煤后，經(jīng)過(guò)燃燒調(diào)整總體上能夠保障運(yùn)行安全性，爐膛結(jié)焦不嚴(yán)重。摻燒煙煤使鍋爐NOx濃度降低，這主要是由于煙煤較高揮發(fā)分的還原作用；SO2濃度也降低，主要由于所摻燒煙煤的含硫量較低。摻燒后鍋爐排煙溫度下降，飛灰可燃物有所上升，鍋爐熱效率變化較小，而機(jī)組整體的運(yùn)行成本下降，經(jīng)濟(jì)效益提升。

超臨界發(fā)電機(jī)組；貧煤；煙煤；摻燒

0 引言

由于受煤炭供應(yīng)、煤炭?jī)r(jià)格以及交通運(yùn)輸?shù)瓤陀^條件的限制，許多燃煤電廠無(wú)法以單一的設(shè)計(jì)煤種為主要燃料，不得不大量摻燒其他煤種。當(dāng)摻燒煤種與設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)相近時(shí)，不會(huì)對(duì)鍋爐的安全及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生明顯影響，而當(dāng)摻燒煤種與設(shè)計(jì)煤種差別較大時(shí)，會(huì)對(duì)鍋爐及輔助系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響，甚至產(chǎn)生威脅機(jī)組安全運(yùn)行的危險(xiǎn)點(diǎn)，因此有必要通過(guò)摻燒試驗(yàn)對(duì)鍋爐混煤摻燒的影響進(jìn)行詳細(xì)分析［1-5］。

目前常用的燃煤鍋爐摻燒方式有兩種，一種是爐前摻混，一種是分磨單燒［6-7］。采用爐前摻混時(shí)，原煤在進(jìn)入磨煤機(jī)前就已經(jīng)按要求摻混好，通常采用的爐前摻混方法有煤場(chǎng)摻混、皮帶摻混等；采用分磨單燒時(shí)，不同磨煤機(jī)磨制不同的單煤，因此不同層燃燒器的煤質(zhì)各異。當(dāng)參與摻混的煤質(zhì)差別較小時(shí)，采用爐前摻混較為合適，而當(dāng)參與摻混的煤質(zhì)差別較大時(shí)，宜采用分磨單燒的方式，以便對(duì)采用不同煤種的制粉系統(tǒng)和燃燒器分別進(jìn)行調(diào)整。具體的摻混方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的摻煤設(shè)備、煤質(zhì)差異等具體選擇。

某廠600 MW超臨界機(jī)組，原設(shè)計(jì)煤種為貧煤，受煤炭供應(yīng)的影響，需要摻燒部分煙煤。為探討煤質(zhì)以及摻燒方式對(duì)鍋爐運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性能的影響，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了煙煤摻燒試驗(yàn)。

1 設(shè)備概況

機(jī)組鍋爐為英國(guó)三井巴布科克公司的超臨界直流爐，單爐膛、一次中間再熱、旋流燃燒器前后墻對(duì)沖燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全懸吊鋼結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，型號(hào)為MB-1944-24.7-571／569，爐膛尺寸為22.18 m×15.74 m×63.95 m（寬×深×高）。鍋爐前后墻各布置3層三井巴布科克公司生產(chǎn)的低NOx軸向旋流燃燒器（LNASB），每層5個(gè)，共30個(gè)。每層燃燒器由1臺(tái)MPS型中速磨煤機(jī)提供煤粉，BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況時(shí)5臺(tái)投運(yùn)，1臺(tái)備用。在燃燒器上部的前后墻、側(cè)墻布置一層燃盡風(fēng)噴口，前后墻各5個(gè)，左右側(cè)墻各3個(gè)，共16個(gè)。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

鍋爐采用LNASB旋流燃燒器，設(shè)計(jì)燃燒貧煤，燃燒器從內(nèi)向外分別是中心風(fēng)、一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)。一次風(fēng)切向進(jìn)入一次風(fēng)管，一次風(fēng)管噴口處裝有煤粉濃縮器，使得進(jìn)入爐膛的一次風(fēng)粉分為幾股煤粉濃淡氣流，煤粉的濃淡分離有利于促進(jìn)煤粉的著火和穩(wěn)燃。內(nèi)、外二次風(fēng)的旋流葉片角度可分別調(diào)整。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 煤質(zhì)分析及試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 煤質(zhì)分析

鍋爐原設(shè)計(jì)煤種為山西潞安礦貧煤，而受煤炭供應(yīng)影響，該廠借鑒其他廠的經(jīng)驗(yàn)，考慮摻燒部分府谷煙煤。此次摻燒試驗(yàn)期間，貧煤以潞安貧煤為主，煙煤以府谷煙煤為主，潞安貧煤和府谷煙煤的主要煤質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

對(duì)比兩種煤的煤質(zhì)可見(jiàn)，府谷煙煤的發(fā)熱量低于潞安貧煤，因此同負(fù)荷下?lián)綗裏熋簳r(shí)制粉系統(tǒng)出力需要增加；府谷煙煤的揮發(fā)分含量高于潞安貧煤，摻燒時(shí)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)煤粉著火、制粉系統(tǒng)和燃燒器安全進(jìn)行監(jiān)視；另一個(gè)主要差別在于府谷煙煤的灰熔點(diǎn)較低，摻燒時(shí)應(yīng)注意監(jiān)視燃燒器及屏區(qū)結(jié)焦，一旦出現(xiàn)結(jié)焦應(yīng)及時(shí)做出調(diào)整。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)的主要目的是探究該貧煤鍋爐摻燒煙煤后的鍋爐安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性變化。安全性分析的主要內(nèi)容是爐膛結(jié)焦、燃燒器、水冷壁以及過(guò)（再）熱器超溫、制粉系統(tǒng)安全等；經(jīng)濟(jì)性分析主要包括鍋爐熱損失以及摻燒煙煤后的全廠整體經(jīng)濟(jì)效益的變化；環(huán)保特性主要針對(duì)煙煤摻燒對(duì)鍋爐硫氧化物、氮氧化物產(chǎn)量的影響。

為確保摻燒煙煤后制粉系統(tǒng)以及鍋爐運(yùn)行安全，采用循序漸進(jìn)的方式增加煙煤比例，即在爐前摻混中，煙煤比例由20%、30%至40%逐步增加，煙煤比例變化后適當(dāng)調(diào)整燃燒器的運(yùn)行參數(shù)，確保摻燒期間機(jī)組的安全。試驗(yàn)期間機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在575～600 MW范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 安全性分析

3.1.1 制粉系統(tǒng)安全與調(diào)整

由于貧煤與煙煤不同，磨制貧煤、煙煤及其混煤時(shí)，制粉系統(tǒng)運(yùn)行特性也是不同的，在貧煤鍋爐爐前摻混煙煤時(shí)，對(duì)制粉系統(tǒng)的影響和調(diào)整主要包括磨出口一次風(fēng)溫度、煤粉細(xì)度等的調(diào)整。根據(jù)DL／T5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》［8］，中速磨煤機(jī)分離器后一次風(fēng)最高溫度t2按式（1）計(jì)算，并且燃用混煤時(shí)可按允許t2較低的煤種取值。

根據(jù)表2中的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，由式（1）計(jì)算燃用純貧煤時(shí)的溫度t2為118℃，而燃用純煙煤時(shí)的溫度t2為83℃。在實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)中，針對(duì)爐前摻混方式，考慮到此次試驗(yàn)所摻煙煤比例較小而貧煤比例大，如果磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度較低，不利于混合煤粉的著火燃燒，會(huì)使得煤粉燃燒不完全、鍋爐飛灰可燃物含量增加，不利于鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性。考慮到煤粉管道流動(dòng)通暢，風(fēng)速較高且不存在積粉問(wèn)題，因此在煙煤比例不太高時(shí)，可以適當(dāng)提高磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度，在保證安全性的前提下，提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。此次試驗(yàn)，對(duì)磨煤機(jī)出口溫度進(jìn)行了調(diào)整試驗(yàn)，運(yùn)行表明，在表3所示磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度下，未出現(xiàn)制粉系統(tǒng)運(yùn)行安全問(wèn)題，但應(yīng)加強(qiáng)制粉系統(tǒng)溫度監(jiān)視，并做好防爆措施（停磨清空、惰化等）。

表3 磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度試驗(yàn)安全值 ℃

3.1.2 燃燒器安全與調(diào)整

根據(jù)分析，煙煤著火距離比貧煤短，因此摻燒煙煤后容易發(fā)生燃燒器壁面超溫或燒損。本次試驗(yàn)前，在燃燒器一次風(fēng)噴口外緣金屬壁面和燃燒器中心線上距離水冷壁平面0.5 m的爐膛側(cè)分別安裝溫度測(cè)點(diǎn)，用于檢測(cè)燃燒器壁面溫度和一次風(fēng)著火距離，不同煙煤比例下的平均溫度值如圖1所示，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在600 MW。

從圖1可見(jiàn)，隨著煙煤比例的增加，燃燒器出口壁面金屬溫度和燃燒器出口溫度均上升，說(shuō)明增加煙煤摻燒比例明顯縮短著火距離。在爐前摻混方式中，在摻入20%煙煤后燃燒器保持原貧煤運(yùn)行方式不調(diào)整仍能保證燃燒器的安全；但在摻入40%煙煤后，進(jìn)行了一系列調(diào)整，包括增加一次風(fēng)流量、降低磨出口一次風(fēng)溫、將燃燒器的二次風(fēng)旋流強(qiáng)度減到最?。ń咏绷鳡顟B(tài)），并調(diào)整磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速使煤粉加粗才能勉強(qiáng)維持多數(shù)燃燒器壁面溫度在允許范圍，而個(gè)別燃燒器已存在超溫現(xiàn)象，但此時(shí)鍋爐飛灰可燃物含量大幅增加，從摻燒前的1.5%上升到4.5%，因此采用爐前摻混方式時(shí)，摻燒40%煙煤幾乎達(dá)到上限，因此未再進(jìn)行更高比例的煙煤摻混。

圖1 燃燒器壁面金屬溫度及出口氣流溫度

3.1.3 爐膛結(jié)焦

根據(jù)表2煤質(zhì)數(shù)據(jù)，鍋爐原設(shè)計(jì)煤種屬于不易結(jié)焦煤，灰熔點(diǎn)較高，鍋爐結(jié)焦輕微，而此次摻燒的煙煤灰熔點(diǎn)低，屬于易結(jié)焦煤，因此此次摻燒試驗(yàn)，鍋爐結(jié)焦特性也是一個(gè)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)視的安全點(diǎn)，對(duì)爐膛結(jié)焦的判斷主要通過(guò)兩種方式，一是通過(guò)觀火孔直觀觀察燃燒器噴口結(jié)焦和冷灰斗落焦?fàn)顩r，二是通過(guò)監(jiān)視水冷壁和過(guò)熱器壁溫偏差間接判斷爐膛結(jié)焦?fàn)顩r。

圖2 爐外摻混40%煙煤1周后燃燒器噴口結(jié)焦

對(duì)于燒貧煤和爐外混燒30%以下煙煤的工況，冷灰斗觀察孔處時(shí)有落焦，但落焦尺寸較小，且高負(fù)荷下落焦更頻繁，燃燒器噴口附近只有輕微掛焦，水冷壁和過(guò)熱器壁溫正常，沒(méi)有較大偏差，說(shuō)明煙煤摻燒比例在30%以下時(shí)，爐膛結(jié)焦很輕微。在摻燒40%煙煤并對(duì)燃燒器進(jìn)行調(diào)整后，在冷灰斗處能偶爾聽(tīng)到大塊落焦聲，運(yùn)行一周后，燃燒器附近能見(jiàn)到結(jié)焦焦塊，目測(cè)厚度在10～20 cm左右，如圖2所示；水冷壁和過(guò)熱器并未有明顯壁溫超溫或大偏差現(xiàn)象，可以推測(cè)分隔屏處沒(méi)有大范圍結(jié)焦，而燃燒器噴口的結(jié)焦覆蓋范圍也較小，不會(huì)對(duì)鍋爐安全構(gòu)成影響；試驗(yàn)期間沒(méi)有出現(xiàn)冷灰斗堵渣情況?？梢?jiàn)摻燒40%煙煤后，鍋爐整體的運(yùn)行安全性是能夠保障的。

3.2 環(huán)保性分析

近年來(lái)，為保護(hù)環(huán)境，電廠鍋爐運(yùn)行的環(huán)保性越來(lái)越受到關(guān)注，環(huán)保指標(biāo)成為重要的考核指標(biāo)，并且鍋爐的污染物如SO2、NOx產(chǎn)量直接關(guān)系到鍋爐的脫硝、脫硫等設(shè)備運(yùn)行成本，因此，此次摻燒試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注鍋爐煙氣的SO2和NOx濃度變化。

3.2.1 煙氣SO2濃度變化

鍋爐SO2的產(chǎn)量主要受燃料中硫的影響，此次摻燒不同煙煤比例下的煙氣折算SO2質(zhì)量濃度如圖3所示。

圖3 不同混煤比例下的折算SO2質(zhì)量濃度

由圖3可見(jiàn)，隨著煙煤比例的增加，SO2的質(zhì)量濃度是下降的，由燒貧煤時(shí)的1 757 mg／m3下降到摻燒40%煙煤時(shí)的1 359 mg／m3，這主要是由所摻燒的煙煤的含硫量較低引起的。式（2）用于計(jì)算煤中硫分與煙氣折算SO2濃度的關(guān)系［9］

式中：Sar為收到基硫分，%；Vg為實(shí)際煙氣容積，m3／kg；K為硫的排放系數(shù)；α為過(guò)量空氣系數(shù)，取1.4；V0g和V0分別為理論煙氣容積和理論空氣量，m3／kg。將圖3中的SO2濃度和混煤比例帶入（2）式計(jì)算，得到不同混煤比例下的原煤中的硫最終轉(zhuǎn)換為煙氣中SO2的比例系數(shù)K在0.86左右，可見(jiàn)SO2濃度的變化主要是原煤含硫量不同引起的。

3.2.2 煙氣NOx濃度變化

不同煙煤摻混比例下的鍋爐脫硝前折算NOx質(zhì)量濃度如圖4所示。

圖4 不同混煤比例下的鍋爐折算NOx質(zhì)量濃度

由圖4，隨著摻燒煙煤比例的增加，鍋爐NOx濃度明顯降低。純燒貧煤時(shí)，鍋爐折算NOx質(zhì)量濃度在500 mg／m3左右，在摻燒 40%煙煤后，鍋爐折算NOx質(zhì)量濃度降低到260 mg／m3左右，降低幅度達(dá)到50%左右。

鍋爐的NOx分燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。分析表2煤質(zhì)數(shù)據(jù)，貧煤與煙煤的元素N含量相近，因此摻燒前后鍋爐燃料型NOx應(yīng)該相近。對(duì)摻燒40%煙煤后爐膛觀火孔及52 m高度處的紅外線測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)如表4所示，可見(jiàn)摻燒前后爐膛溫度水平?jīng)]有明顯變化，因此熱力型和快速型NOx產(chǎn)量應(yīng)該也是相近的，摻燒前后鍋爐NOx的產(chǎn)生量是相近的，導(dǎo)致最終NOx濃度明顯降低的主要原因應(yīng)該是爐內(nèi)NOx的還原。由于煙煤的揮發(fā)分含量較高，在爐膛燃燒器高溫區(qū)域，揮發(fā)分對(duì)已經(jīng)生成的NOx有明顯的還原作用，煙煤含量越大，揮發(fā)分對(duì)NOx的還原作用越明顯。

表4 爐膛測(cè)溫?cái)?shù)據(jù) ℃

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 鍋爐熱損失

以不同方式摻燒煙煤后的鍋爐熱損失是衡量鍋爐經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)之一。而在鍋爐的各項(xiàng)熱損失中，較為關(guān)鍵、受摻燒影響較大的兩項(xiàng)為排煙熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失。因此，此次摻燒試驗(yàn)重點(diǎn)監(jiān)視了鍋爐排煙溫度和飛灰可燃物含量?jī)身?xiàng)指標(biāo)，不同混煤比例（600 MW）下的排煙溫度和飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖5所示。

圖5 不同混煤比例下的排煙溫度和飛灰可燃物含量

由圖5可見(jiàn)，隨著摻混煙煤比例的增加，鍋爐的排煙溫度略有下降，而飛灰可燃物含量有所上升，二者的綜合作用使鍋爐效率變化很小。對(duì)于鍋爐飛灰可燃物含量的增加，主要原因可能是在摻燒煙煤后，對(duì)燃燒器進(jìn)行了調(diào)整，降低了磨出口一次風(fēng)溫度，提高一次風(fēng)速等，同時(shí)在煙煤和貧煤的混燒中，容易發(fā)生“搶風(fēng)”問(wèn)題，煙煤揮發(fā)分較早析出和燃燒消耗了燃燒器區(qū)域的氧氣，致使貧煤顆粒的燃燒延后，綜合作用致使鍋爐飛灰可燃物含量有所增加。

3.3.2 摻燒總體經(jīng)濟(jì)效益

摻燒對(duì)機(jī)組總體經(jīng)濟(jì)效益的影響，用公式（4）進(jìn)行初步估算。

式中：ΔMc、ΔMp、ΔMNOx、ΔMSO2分別為摻燒對(duì)燃煤成本、制粉電耗成本、脫硝噴氨成本和脫硫石灰石及電耗成本的影響，各項(xiàng)之和即為摻燒對(duì)機(jī)組發(fā)電成本影響的估計(jì)值M。

經(jīng)過(guò)初步估計(jì)，摻燒40%煙煤使得發(fā)電總成本降低0.004元／kWh左右，按平均負(fù)荷率80%，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)7 200 h計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約運(yùn)行成本1 400萬(wàn)元左右。因此在保障機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，適量摻燒煙煤對(duì)該機(jī)組總體經(jīng)濟(jì)效益是有所提升的。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)600 MW超臨界貧煤機(jī)組進(jìn)行了爐外摻燒煙煤試驗(yàn)，分別試驗(yàn)了爐外摻燒20%、30%、40%煙煤后鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。試驗(yàn)表明，摻燒40%煙煤后，經(jīng)過(guò)燃燒調(diào)整總體上能夠保障運(yùn)行安全性，爐膛結(jié)焦不嚴(yán)重，更高的煙煤摻燒比例對(duì)燃燒器安全和鍋爐經(jīng)濟(jì)性都可能不利。摻燒煙煤使鍋爐NOx濃度降低，主要是煙煤揮發(fā)分的還原作用減少了已經(jīng)生成的氮氧化物；SO2濃度也降低，主要由于所摻燒煙煤的含硫量較低。摻燒后鍋爐排煙溫度下降，飛灰可燃物有所上升，鍋爐熱經(jīng)濟(jì)性變化較小，而機(jī)組整體的運(yùn)行成本下降。

［1］李培，梁增同，高振罡，等.某電廠600 MW機(jī)組鍋爐摻燒劣質(zhì)煤制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究［J］.熱力發(fā)電，2013，42（5）：64-68.

［2］程友良，嚴(yán)小東，韓富強(qiáng)，等.摻燒劣質(zhì)煤對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響的分析［J］.華北電力技術(shù)，2014（3）：59-63.

［3］李振茂.700 MW機(jī)組鍋爐配煤摻燒試驗(yàn)及效益分析［J］.電力科學(xué)與工程，2014，30（6）：6-10.

［4］毛曉飛，吳英，曾過(guò)房，等.700 MW機(jī)組鍋爐混煤摻燒試驗(yàn)研究［J］.熱力發(fā)電，2014，43（5）：69-74.

［5］馬盟，劉向東.300 MW亞臨界鍋爐混煤摻燒的研究［J］.鍋爐制造，2011（5）：1-2.

［6］陳國(guó)棟，袁益超，王波.電廠鍋爐混煤燃燒技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及分析［J］.鍋爐技術(shù)，2014，45（5）：53-57.

［7］段學(xué)農(nóng)，朱光明，焦慶豐，等.電廠鍋爐混煤摻燒技術(shù)研究與實(shí)踐［J］.中國(guó)電力，2008，41（6）：51-54.

［8］DL／T 5145-2012火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定［S］.

［9］岑可法，姚強(qiáng)，駱仲泱，等.燃燒理論與污染控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Blending Combustion Tests with Bituminous Coal on 600 MW Meagre Coal Supercritical Boiler

WANG Lei
（Shanxi Lujin Wangqu Power Plant Co.，Ltd.，Changzhi 047500，China）

The security，economy and pollutant formation of a 600 MW meagre coal supercritical unit with mixedly burning 20%，30%and 40%bituminous coal are studied.Results show that the security can be achieved by the adjustment of the burner when blending 40%bituminous coal，and the furnace coking is not serious.NOxconcentration decreases after blending combustion because of the reducing action of high volatiles content of bituminous coal.Due to the low sulfur content of the bituminous coal，SO2concentration after mixedly burning decreases too.After blending combustion，the exhaust gas temperature drops，and the fly ash combustibles content increases，but the boiler efficiency has a little change，and the total economic performance of the power unit is improved.

supercritical power unit；meagre coal；bituminous coal；blending combustion

TK224.1

B

1007－9904（2017）03－0061－05

2016-09-25

王 磊（1983），男，工程師，從事燃煤機(jī)組運(yùn)行、調(diào)試工作。