電站鍋爐褐煤摻燒現(xiàn)狀及其影響研究分析

劉忠軒，寧新宇，王亞順，程石，鄭敏聰

(中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

由于褐煤水分大、發(fā)熱量低，在動力配煤時，原則上一般煙煤中不配入褐煤[1]。近年來隨著煤炭價格的上升，燃料成本在電廠經(jīng)營成本所占比例已經(jīng)超過70%[2]。受運營成本的壓力，國內(nèi)部分電廠已經(jīng)開始摻燒褐煤[3-5]。摻燒褐煤對于鍋爐制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的安全性影響較大，鍋爐的運行方式也要相應(yīng)有所調(diào)整。

本文通過對國內(nèi)部分電廠褐煤摻燒的情況及褐煤摻燒后燃燒調(diào)整試驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出了一些經(jīng)驗及規(guī)律，為褐煤摻燒提供參考。

1 褐煤特性

褐煤發(fā)熱量較低，一般在12 000～16 000 kJ/kg之間。揮發(fā)分在40%～50%，煤粉具有較強的自燃和爆炸傾向。除扎賁諾爾、梅河等少數(shù)礦區(qū)褐煤灰分較低外，我國絕大多數(shù)褐煤的灰分在20%～30%，其他國家的褐煤灰分一般在10%以下，只有俄羅斯褐煤灰分達15%～35%。我國華北區(qū)和東北區(qū)褐煤硫含量比較低，南方褐煤硫含量較高，一般在1%～3%，云南褐煤甚至高達3%～5%[6]。易著火、易燃盡，但灰熔融性較低，屬于易結(jié)渣煤種，煤灰中堿金屬含量較高，一般超過2%，煤灰的沾污性較強。原煤磨損系數(shù)較低，磨損性能在“不強”以下。

2 國內(nèi)機組褐煤摻燒現(xiàn)狀

2.1 褐煤來源

沿海地區(qū)火電企業(yè)摻燒的褐煤大多來自印尼、澳大利亞和越南的進口煤；東北、華北、山東區(qū)域火電企業(yè)摻燒的褐煤主要來自內(nèi)蒙古和東北的國產(chǎn)煤。

2.2 褐煤摻燒能力

東北、華北、福建、江蘇、山東等區(qū)域火電企業(yè)，一些廠在70%負荷工況下褐煤摻燒能力達到80%以上，甚至100%；安徽、江西、湖北、河南、湖南等區(qū)域火電企業(yè)由于褐煤運輸成本相對高一些，摻燒能力在20%～40%；新疆、廣西、貴州等區(qū)域火電企業(yè)由于煤源結(jié)構(gòu)和鍋爐特性幾乎不摻燒褐煤。

一般情況下，通過優(yōu)化制粉系統(tǒng)運行方式和燃燒調(diào)整，鍋爐的褐煤摻燒能力能達到15%，設(shè)計煤質(zhì)為劣質(zhì)煙煤、貧瘦煤的鍋爐由于煤質(zhì)較接近，褐煤摻燒能力較強，能達到30%以上。對于四角切圓布置燃燒器鍋爐，可進行分層分磨摻燒褐煤，便于調(diào)整控制煤粉細度、磨出口溫度等，褐煤摻燒能力較強；對沖布置燃燒器鍋爐也可進行分磨摻燒褐煤，褐煤摻燒能力次之；“W”火焰無煙煤鍋爐只能混煤，褐煤摻燒能力較弱。由于混煤不可能均勻，分層分磨摻燒能力優(yōu)于混煤方式。

2.3 褐煤摻燒機組類型

機組容量為100～1 000 MW的鍋爐均進行了褐煤摻燒。設(shè)計煤質(zhì)為煙煤、劣質(zhì)煙煤、貧瘦煤、無煙煤的鍋爐均進行了褐煤摻燒。其中設(shè)計煤質(zhì)為貧瘦煤的鍋爐褐煤摻燒能力最大，低負荷工況能達100%，設(shè)計煤質(zhì)為無煙煤的鍋爐褐煤合理摻燒能力只能達20%左右，主要是由于褐煤和無煙煤特性相差甚遠，摻燒量過大對鍋爐運行狀況及經(jīng)濟性影響過大。

3 摻燒褐煤的影響

摻燒褐煤后，鍋爐熱效率、帶負荷能力、污染物排放、鍋爐結(jié)焦、空預(yù)器低溫腐蝕、選擇性催化還原法(SCR)脫硝催化劑污染等會受到不同程度的影響。通過分析部分廠褐煤摻燒后的制粉系統(tǒng)調(diào)整試驗和鍋爐燃燒調(diào)整試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)了一些摻燒褐煤對于機組的影響。

3.1 磨煤機干燥出力不足

原煤水分對磨煤機碾磨出力影響較大。對于MPS、ZGM、HP型中速磨煤機及鋼球磨煤機，水分每增加10%，出力下降11%左右。

由于褐煤水分較多，一般設(shè)計燃用褐煤的鍋爐，鍋爐連續(xù)最大蒸發(fā)(BMCR)工況下的熱一次風(fēng)溫設(shè)計為380 ℃以上，而煙煤、貧煤設(shè)計鍋爐的熱一次風(fēng)一般低于330 ℃，盡管摻燒褐煤后煙氣量增加會使一次風(fēng)溫增加10～15 ℃，但熱一次風(fēng)溫度仍偏低較多。某電廠ZGM113N型磨煤機摻燒褐煤時的干燥出力曲線如圖1所示。

圖1 ZGM113N型磨煤機摻燒褐煤時的干燥出力曲線Fig.1 Drying capacity curve of ZGM113N coal pulverizer during lignite mixed burning

隨著褐煤摻燒比例的增加，磨煤機干燥出力迅速下降，摻燒50%褐煤時磨煤機干燥出力僅有不摻燒時的46%。褐煤熱值相對偏低煤質(zhì)，而熱值與燃煤量成反比，因此一般制粉系統(tǒng)在摻燒褐煤時要增開1臺磨煤機。在高負荷下，機組燃煤量增加與制粉系統(tǒng)出力下降的矛盾較為突出。

3.2 一次風(fēng)需求量增加

影響制粉系統(tǒng)干燥出力的因素之一為熱一次風(fēng)溫，另一個因素為干燥劑量。燃用褐煤時，磨煤機內(nèi)的風(fēng)煤比≥2，因此一次風(fēng)率將由20%增加至30%以上，實際運行中有的工況一次風(fēng)率接近50%。部分機組一次風(fēng)機裕量較低，一次風(fēng)機出力不足將限制褐煤的摻燒量。

3.3 鍋爐效率變化情況

由于褐煤熱值低、水分高，摻燒褐煤會導(dǎo)致總煤量增大，總煙氣流量大幅增加，一次風(fēng)率明顯升高，減溫水量增大，排煙溫度上升，設(shè)計煤種為煙煤的鍋爐摻燒褐煤往往會導(dǎo)致鍋爐效率降低，某設(shè)計煤種為淮南煙煤的600 MW機組摻燒褐煤后，修正后鍋爐效率降低0.79%[7]。但相對于設(shè)計煤質(zhì)為貧瘦煤的鍋爐，由于褐煤揮發(fā)分高、灰分低、硫分低等，其特性優(yōu)于貧瘦煤，有利于穩(wěn)定鍋爐燃燒，改善除塵、脫硫等環(huán)保指標。通過燃燒優(yōu)化和制粉系統(tǒng)優(yōu)化，可以最大限度地降低摻燒褐煤對于鍋爐效率的影響。某鍋爐摻燒褐煤時效率統(tǒng)計見表1。

表1 某鍋爐不同褐煤摻燒比例下鍋爐效率Tab.1 Boiler efficiency under different lignite mixed burning ratios of a boiler

在褐煤摻燒比例較低的情況下，鍋爐效率沒有發(fā)生明顯的變化。

3.4 爐膛溫度和結(jié)渣

某廠褐煤摻燒試驗結(jié)果表明，隨摻燒褐煤比例增加，煤粉燃燒器火焰長度逐漸縮短，燃燒器區(qū)域尤其是中上層燃燒器火焰溫度逐漸上升，燃燒器區(qū)域的結(jié)渣趨勢增加。

褐煤摻燒比例分別為0%，16%(雙磨混煤)，26%(三磨混煤)時，某鍋爐爐膛內(nèi)不同位置的溫度分布如圖2所示。

圖2 不同褐煤摻燒比例時爐膛溫度分布曲線Fig.2 Furnace temperature distribution curve under different lignite mixed burning ratios

由圖2可知，隨著褐煤摻燒比例的增加，鍋爐爐膛內(nèi)不同位置溫度呈上升趨勢。哈爾濱鍋爐廠和哈爾濱工業(yè)大學(xué)曾提出軟化溫度低于1 260 ℃的煤灰其結(jié)渣趨向嚴重，在1 260～1 330 ℃時其結(jié)渣趨勢中等，大于1 330 ℃時結(jié)渣趨勢輕微[8]。一般褐煤灰渣軟化溫度比較低，蒙東褐煤灰渣軟化溫度為1 200 ℃左右，灰熔點及灰特性表征褐煤多為易結(jié)渣煤種[9]。尤其混煤的結(jié)渣特性更加復(fù)雜，與單煤的結(jié)渣特性有很大不同，兩種結(jié)渣性不強的煤組成混煤其結(jié)渣性有可能增強，結(jié)渣性不強的煤中混入結(jié)渣性較強的煤其混煤的結(jié)渣性有可能增強。因此在摻燒褐煤后要加強對于鍋爐結(jié)渣的重視。

3.5 過、再熱器減溫水

隨著褐煤摻燒比例增加，對流吸熱比例增加，使減溫水量增加。但通過控制煤水比可使過熱減溫水量得到控制，再熱器減溫水量需要增加。在褐煤摻燒比例分別為0，16%，26%時，某鍋爐減溫水量對比見表2。

表2 某鍋爐不同褐煤摻燒比例下減溫水量Tab.2 The amount of desuperheated water of a boiler under different lignite mixed burning ratios

從表2可以看出，隨著鍋爐褐煤摻燒比例的增加，再熱器減溫水量不斷增加，這將影響機組的煤耗，降低機組的經(jīng)濟性。

3.6 制粉系統(tǒng)爆炸風(fēng)險加大

由于褐煤揮發(fā)分較高，在制粉系統(tǒng)啟、停及運行中斷煤期間極容易發(fā)生制粉系統(tǒng)爆炸事故。需要根據(jù)摻燒煤質(zhì)情況，調(diào)整制粉系統(tǒng)運行參數(shù)及制粉系統(tǒng)啟、停方法。某廠在摻燒褐煤后多次發(fā)生制粉系統(tǒng)爆炸事件，經(jīng)檢查分析后發(fā)現(xiàn)是由于磨煤機依然沿用磨制煙煤時的方法，磨煤機停止后會有大量煤粉積存，在重新啟動過程中造成積粉爆炸。采取重新制定適應(yīng)摻燒褐煤的制粉系統(tǒng)啟、停操作方法，確保磨煤機停止后內(nèi)部無積粉，控制磨出口溫度≤75 ℃等措施后，在年摻燒褐煤比例31.6%的情況下未再出現(xiàn)制粉系統(tǒng)爆炸現(xiàn)象[10]。

3.7 廠用電率增加

摻燒褐煤后，由于燃煤量增加導(dǎo)致制粉耗電增加；一、二次風(fēng)比例變化影響送、一次風(fēng)機的耗電率變化；煙氣量的增加、一次風(fēng)壓的提高造成空氣預(yù)熱器阻力和漏風(fēng)量的增加導(dǎo)致引風(fēng)機耗電率增加。

某廠2臺600 MW機組在摻燒前后各輔機的單位蒸汽耗電率比較顯示，#1鍋爐：送風(fēng)機的單位蒸汽耗電從0.43 (kW·h)/t下降至0.40 (kW·h)/t，降幅為7.5%；引風(fēng)機的單位蒸汽耗電從2.03 (kW·h)/t上升至2.21 (kW·h)/t,增幅為8.87%；一次風(fēng)機的單位蒸汽耗電從1.41 (kW·h)/t上升至1.65 (kW·h)/t,增幅為17.02%；磨煤機的單位蒸汽耗電從1.53 (kW·h)/t上升至1.60 (kW·h)/t, 增幅為4.58%。#2鍋爐：送風(fēng)機的單位蒸汽耗電從0.68 (kW·h)/t下降至0.63 (kW·h)/t，降幅為7.9%；引風(fēng)機的單位蒸汽耗電從2.21 (kW·h)/t上升至2.33 (kW·h)/t，增幅為5.40%；一次風(fēng)機的單位蒸汽耗電從1.49 (kW·h)/t上升至1.75 (kW·h)/t，增幅為17.40%；磨煤機的單位蒸汽耗電從1.55 (kW·h)/t上升至1.67 (kW·h)/t，增幅為7.74%。

褐煤摻燒比例對于廠用電率也有影響，某廠300 MW機組不同褐煤摻燒比例下廠用電率增加見表3。

從表3可以看出，隨著褐煤摻燒比例增加，廠用電率也不斷提高。

3.8 熱工自動控制的影響

褐煤水分高、熱值低，摻燒后燃料量大幅增加，水煤比發(fā)生變化，除影響機組高負荷出力能力外，對鍋爐燃燒調(diào)節(jié)特性也產(chǎn)生明顯影響，主要表現(xiàn)為熱慣性大、響應(yīng)遲滯。機組升降負荷時汽壓、汽溫波動較大，部分高比例摻燒褐煤機組主汽壓力波動范圍增大到1 MPa，甚至出現(xiàn)主汽溫度下降等情況，嚴重影響機組安全運行。

機組投運自動發(fā)電控制(AGC)時，負荷變化率快，負荷頻繁升降，摻燒比例高時，因磨煤機磨制褐煤，干燥出粉速度慢，粉溫度低，鍋爐燃燒跟不上負荷變化，影響AGC速率響應(yīng)及品質(zhì)要求，造成考核。

表3 某廠機組不同褐煤摻燒比例下廠用電率增加值Tab.3 Increase in the service power rate of a power plant under different lignite mixed burning ratios %

3.9 空預(yù)器低溫腐蝕及脫硝催化劑污染

褐煤水分高，燃燒后煙氣量大，煙氣中的水蒸氣含量增加，導(dǎo)致空預(yù)器的低溫腐蝕幾率增加，同時由于煙氣中的水蒸氣對SCR催化劑產(chǎn)生污染，影響SCR效率。

4 結(jié)論

(1)國內(nèi)諸多電廠的實踐表明，不同容量、類型、設(shè)計煤種的鍋爐均可以摻燒褐煤，通過燃燒調(diào)整優(yōu)化運行，部分機組可以達到較高比例的褐煤摻燒量。

(2)摻燒褐煤后對于機組的影響是多方面的，磨煤機干燥出力、一次風(fēng)機出力對于摻燒后的機組出力有影響，鍋爐效率、廠用電率、減溫水量對于摻燒后機組的經(jīng)濟性有影響，爐膛溫度、結(jié)渣、制粉系統(tǒng)爆炸風(fēng)險、熱工控制、空預(yù)器低溫腐蝕及SCR催化劑污染等對摻燒后機組的安全穩(wěn)定運行有影響。

(3)為了保證摻燒褐煤后機組能夠安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定的運行，需要綜合考慮各方面的因素并制定周密的規(guī)劃。