600 MW機(jī)組鍋爐深度摻燒褐煤的經(jīng)濟(jì)性研究

王軍民，蘇利輝，閆向東，王 遠(yuǎn)

（浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315722）

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤電市場(chǎng)的供需矛盾突出，高熱值動(dòng)力煤價(jià)格一路高漲，但是褐煤卻一直供給充足而且相對(duì)價(jià)格低廉。在這種形勢(shì)下，越來(lái)越多的火電企業(yè)采用摻燒褐煤的方式作為提升經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。但是，褐煤摻燒對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響因素較多，為了能有效降低發(fā)電成本，迫切需要量化摻燒效益。本文對(duì)某大型燃煤鍋爐摻燒褐煤的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面分析，研究褐煤的存儲(chǔ)、上煤方式、配煤方式以及摻燒比例對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響，并提出了相應(yīng)的可行措施，在確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下最大化地提高經(jīng)濟(jì)性。

1 設(shè)備概述及煤種特性

輸煤系統(tǒng)來(lái)煤由鐵路從煤礦運(yùn)抵黃驊港或秦皇島港下水，由海輪（3.5萬(wàn)噸級(jí)）轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)電廠專用運(yùn)煤碼頭。卸煤系統(tǒng)包括卸煤碼頭的3臺(tái)1 500 t/h橋式抓斗卸船機(jī)，3套系統(tǒng)可互為備用，也可同時(shí)卸船。廠內(nèi)有6個(gè)儲(chǔ)煤場(chǎng)，煤場(chǎng)總寬度為339 m，長(zhǎng)度約360 m，6個(gè)煤場(chǎng)總儲(chǔ)煤量36萬(wàn)t。每2個(gè)煤場(chǎng)設(shè)置1臺(tái)DQ1600/3600.38型懸臂斗輪堆取料機(jī)作為堆取煤設(shè)備，3臺(tái)斗輪堆取料機(jī)互為備用，并列布置。輸煤皮帶系統(tǒng)0—10號(hào)皮帶共有22條皮帶機(jī)，其中：5號(hào)皮帶為3路并列布置，6號(hào)皮帶為單路布置，其余均為2路布置。

鍋爐型號(hào)為HG-1890/25.4-YM4，采用π型布置、單爐膛、尾部雙煙道、全鋼架、懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、燃燒器前后墻布置、對(duì)沖燃燒。爐膛斷面尺寸為22 m（寬）、15 m（深）。制粉系統(tǒng)采用HP1003中速磨煤機(jī)直吹系統(tǒng)，單臺(tái)爐配6臺(tái)磨煤機(jī)，在5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)能帶額定負(fù)荷。前、后墻各布置3層旋流煤粉燃燒器，每層5只。在煤粉燃燒器的上方前、后墻各布置2層燃盡風(fēng)，每層有5只風(fēng)口。

鍋爐設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為大同塔山煙煤，煤質(zhì)特性如表1所示。該發(fā)電廠主燒煤種為神華煙煤和塔山煙煤，摻燒煤種為白音華褐煤，煤質(zhì)特性如表2所示。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤種及校核煤種煤質(zhì)特性

表2 鍋爐主燒及摻燒煤種煤質(zhì)特性

2 煤場(chǎng)褐煤存儲(chǔ)熱值損失分析

煤炭在自然貯存條件下，由于氧化反應(yīng)發(fā)生熱值損失，其損失程度取決于煤的內(nèi)在品質(zhì)（揮發(fā)分、水分、密度）和外界環(huán)境（濕度、溫度）。貯存時(shí)間越長(zhǎng)、環(huán)境溫度越高，熱值損失也越大。煤種不同，熱值損失也不同，通常情況下，褐煤、煙煤最易自燃，熱值損失最大，較高灰分煙煤和高灰分劣質(zhì)煙煤有中等自燃傾向，而較高灰分貧煤和無(wú)煙煤幾乎不自燃，熱值損失很小。

熱值在20.23～23.34 MJ/kg的煙煤，儲(chǔ)存半年的熱值損失在200～400 J/kg，損失比例在0.91%～1.56%[1]。褐煤變質(zhì)程度低、易氧化，加之機(jī)械強(qiáng)度小，在空氣中易風(fēng)化破碎，粒度變小，吸水性增強(qiáng)，加速氧化速度，導(dǎo)致其熱值損失加快。文獻(xiàn)[2]給出了褐煤存放損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)：試驗(yàn)褐煤存放15天，收到基低位發(fā)熱量降低255～293 J/g，降低比例為1.77%～1.99%；存放30天，收到基低位發(fā)熱量會(huì)降低529～607 J/g，降低比例為3.67%～4.13%；存放60天，收到基低位發(fā)熱量會(huì)降低1 075～1 236 J/g，降低比例為7.45%～8.41%。

褐煤存放時(shí)間越長(zhǎng)，熱值降低越多，且基本成比例下降。褐煤存放15天后，熱值損失明顯加快，存放30天后，已達(dá)到4%損失量。 因此，應(yīng)根據(jù)燃料供應(yīng)市場(chǎng)形勢(shì)、季節(jié)特點(diǎn)、機(jī)組每天燃煤量等，合理規(guī)劃煤場(chǎng)的存煤結(jié)構(gòu)及褐煤的存煤量。褐煤要分堆單獨(dú)存放，燒舊存新，控制煤場(chǎng)存儲(chǔ)時(shí)間不超15天。褐煤煤堆要分層碾壓，盡可能降低煤堆縫隙率，減少煤堆中空氣含量，減緩褐煤氧化速率[2]。要定期監(jiān)測(cè)褐煤煤堆溫度，加大測(cè)溫頻率及測(cè)溫點(diǎn)密度，當(dāng)煤堆溫度超過(guò)60℃時(shí)，及時(shí)翻燒，以減少熱值損失。

3 褐煤摻燒方式的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 各種摻燒方式的特點(diǎn)

摻燒方式為2種：分磨摻燒和爐外預(yù)混。沒(méi)有專用預(yù)混設(shè)備的煤場(chǎng)，爐外預(yù)混又分為皮帶預(yù)混方式、煤倉(cāng)預(yù)混方式。這3種摻燒方式有不同的特點(diǎn)：

（1）分磨摻燒方式，即不同煤種由不同磨煤機(jī)磨制，各煤種在爐內(nèi)燃燒過(guò)程中混合。分磨摻燒不需專用混煤設(shè)備，摻燒比例控制靈活。煤種性能差異較大時(shí)，燃燒穩(wěn)定性易掌握，對(duì)于設(shè)計(jì)燃用煙煤或褐煤的鍋爐，應(yīng)避免下層磨摻燒低揮發(fā)分煤和劣質(zhì)煙煤。

（2）皮帶預(yù)混方式，即2臺(tái)斗輪機(jī)取不同煤種，經(jīng)過(guò)同一轉(zhuǎn)運(yùn)站，2種煤同時(shí)落入同一條皮帶混合，接著落入原煤倉(cāng)后再次混合。

該方式對(duì)混煤設(shè)備和混煤控制要求較高，差異較大的煤種經(jīng)過(guò)2次預(yù)混后，混合均勻性較高。但是，皮帶預(yù)混方式的輸煤電耗最高，較其他摻燒方式增加了1臺(tái)斗輪機(jī)和1條皮帶的電耗，經(jīng)濟(jì)性較差。

（3）煤倉(cāng)預(yù)混方式即2臺(tái)斗輪機(jī)取不同煤種，通過(guò)2路皮帶將2種煤送入原煤倉(cāng)，在原煤倉(cāng)內(nèi)混合。

該方式對(duì)混煤設(shè)備和混煤控制要求較高，差異較大的煤種僅經(jīng)過(guò)煤倉(cāng)1次預(yù)混，混合均勻性較差，影響鍋爐燃燒。其輸煤電耗與分磨摻燒方式一致。

3.2 褐煤摻燒方式的分析

白音華褐煤具有熱值低、揮發(fā)分高、水分高、灰分和硫分低、難磨制（HGI為44）、灰熔點(diǎn)溫度低（ST為1 200℃左右）、煤粉氣流水露點(diǎn)溫度為54℃左右[4]等特點(diǎn)。鍋爐摻燒褐煤時(shí)，需要綜合考慮，選擇最優(yōu)摻燒方式：

（1）由于褐煤水分大、難磨制的特點(diǎn)，在配置中速磨煤機(jī)的鍋爐摻燒時(shí)，磨煤機(jī)的干燥出力和研磨出力均受限。為了提高褐煤摻燒量，優(yōu)先采用皮帶預(yù)混方式，可以兼顧混煤均勻性。但是，同時(shí)增加了輸煤電耗。

（2）如果褐煤摻燒比例不高，優(yōu)先選擇分磨摻燒方式，不存在混煤不均勻問(wèn)題，也降低了輸煤電耗。但是，需要采取相應(yīng)措施提高磨煤機(jī)出力。由于褐煤易爆燃，因此需要嚴(yán)格控制磨煤機(jī)出口溫度在55～65℃，盡可能減少磨煤機(jī)啟停次數(shù)，并規(guī)范磨煤機(jī)啟停操作，防止褐煤爆燃[11]。

（3）摻燒褐煤不建議采用煤倉(cāng)預(yù)混方式。褐煤與煙煤熱值相差極大，采用煤倉(cāng)預(yù)混方式，混煤均勻性差，影響鍋爐燃燒，導(dǎo)致機(jī)組參數(shù)大幅波動(dòng)，存在較大安全隱患。

綜上分析，褐煤摻燒方式優(yōu)先選擇皮帶預(yù)混方式，若褐煤摻燒總比例不大，可以采用分磨摻燒方式。

3.3 爐外預(yù)混摻燒方式對(duì)燃燒效率的影響

燃盡性能相差較多的煤混燒時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂的“搶風(fēng)”現(xiàn)象，燃燒效率會(huì)明顯下降。分析其原因，一方面是由于各種煤質(zhì)的著火溫度和燃盡時(shí)間不一致，甚至相差很多，著火性能好的煤已經(jīng)著火并燃盡，而著火性能差的煤還未著火或剛剛開(kāi)始著火；另一方面，運(yùn)行中無(wú)法同時(shí)滿足不同燃燒性能的煤對(duì)配風(fēng)的不同要求，從而導(dǎo)致燃燒損失急劇增加，燃燒效率大幅下降。此外，考慮到煤種混合不均勻和可磨性不一致造成煤粉顆粒不均勻的影響，實(shí)際的燃燒效率會(huì)明顯下降[6]。

褐煤揮發(fā)分高，著火溫度低，燃盡性能要明顯好于煙煤。采用分磨摻燒方式時(shí)，褐煤和煙煤可分別配風(fēng)，其初期燃燒互不影響，而且由于褐煤的燃盡特性好，可能對(duì)提高燃燒效率有利。當(dāng)采用爐外預(yù)混方式時(shí)，由于褐煤和煙煤的燃盡性能有差異，可能會(huì)對(duì)混煤煤粉氣流的燃燒初期有影響， 出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象[5]。

通過(guò)試驗(yàn)，研究不同摻燒方式對(duì)燃燒效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。摻燒褐煤提高了煤粉的燃燒效率，飛灰可燃物均有不同程度的下降。尤其是爐外預(yù)混方式，飛灰可燃物降低了1.59%，下降明顯，沒(méi)有出現(xiàn)理論上的“搶風(fēng)”現(xiàn)象。從燃燒效率分析，爐外預(yù)混方式明顯優(yōu)于分磨摻燒。

雖然褐煤與煙煤存在一定程度的燃盡性能差異，但是，采用爐外預(yù)混方式不僅沒(méi)有使得飛灰可燃物提高，相反卻降低明顯，主要原因有：

（1）褐煤著火溫度低，提前著火，提前釋放熱量，有利于燃燒性能適中的煙溫提前著火，延長(zhǎng)了煤粉在爐內(nèi)的燃燒時(shí)間，褐煤自身燃盡性能又極好，能提高混煤的燃盡率。

（2）褐煤密度低，中速磨煤機(jī)采用離心式分離器，混煤中褐煤的煤粉必然較煙煤粗，可以適當(dāng)延后褐煤煤粉的著火時(shí)間，緩解了褐煤與煙煤著火時(shí)間不同步的問(wèn)題，因此沒(méi)有出現(xiàn)導(dǎo)致燃燒效率大幅下降的“搶風(fēng)”現(xiàn)象。

4 提高摻燒褐煤磨煤機(jī)最大出力的措施

磨煤機(jī)出力包括碾磨出力、通風(fēng)出力和干燥出力，最終出力取決于三者中最小者。褐煤水分高，磨煤機(jī)最大出力主要受限于干燥出力。磨煤機(jī)出力低、達(dá)不到設(shè)計(jì)出力時(shí)，為了適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷，需要增加運(yùn)行1套制粉系統(tǒng)，制粉電耗出力也會(huì)增加。

表3 褐煤不同摻燒方式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了提高磨煤機(jī)摻燒褐煤的最大出力，在600 MW負(fù)荷下，開(kāi)展了3個(gè)工況的摻燒褐煤磨煤機(jī)最大出力試驗(yàn)：工況1為分磨摻燒方式，單燒褐煤；工況2為皮帶預(yù)混方式，煙煤與褐煤按1:1摻配；工況3為分磨摻燒方式，單燒褐煤，改變靜態(tài)分離器折向擋板角度。

為了避免煤粉氣流結(jié)露堵塞粉管，磨煤機(jī)出口溫度控制在不低于55℃，若達(dá)到55℃，則磨煤機(jī)出力達(dá)到最大。試驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示。

（1）試驗(yàn)工況1，分磨摻燒方式，單燒褐煤，磨煤機(jī)最大出力為43 t/h。隨著機(jī)組負(fù)荷下降，一次風(fēng)溫度降低，一次風(fēng)母管壓力下降，磨煤機(jī)干燥出力降低，在50%額定負(fù)荷時(shí)磨煤機(jī)最大出力降為38 t/h。

（2）試驗(yàn)工況2，皮帶預(yù)混方式，煙煤與褐煤按1:1摻配，磨煤機(jī)在磨制混煤時(shí)，原煤可磨性指數(shù)升高，原煤水分下降，磨煤機(jī)最大出力增加至51 t/h。

（3）試驗(yàn)工況3，分磨摻燒方式，單燒褐煤，將靜態(tài)分離器折向擋板位置由5調(diào)整至3（位置編號(hào)越小，單板角度越小，煤粉越粗），煤粉細(xì)度由20%增加至25%，磨煤機(jī)最大出力提高至46 t/h，提高了3 t/h。通過(guò)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)出口折向擋板，提高煤粉細(xì)度，減少了磨煤機(jī)內(nèi)煤粉循環(huán)倍率，既減少了折向擋板的阻力，也減少磨碗煤層厚度，降低磨煤機(jī)總體阻力，增大了入磨一次風(fēng)量，增加干燥劑熱量，提高磨煤機(jī)最大出力。褐煤燃盡性能好，煤粉細(xì)度變化對(duì)燃燒特性影響不明顯，灰渣可燃物變化不明顯。

5 褐煤不同摻燒比例對(duì)鍋爐效率及輔機(jī)電耗的影響

在300 MW，450 MW，600 MW負(fù)荷工況下，開(kāi)展了褐煤不同摻燒比例的鍋爐性能試驗(yàn)及主要輔機(jī)電耗測(cè)量試驗(yàn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

5.1 褐煤不同摻燒比例對(duì)鍋爐效率的影響

300 MW負(fù)荷下，摻燒58%比例的褐煤，鍋爐效率（以下簡(jiǎn)稱“爐效”）下降0.97%。450 MW負(fù)荷下，摻燒50%比例的褐煤，爐效下降0.99%。如圖1所示，在600 MW工況下，褐煤摻燒比例由0%升至32%，爐效下降0.52%，降幅較為平緩。褐煤摻燒比例由32%升至42%，爐效快速下降0.41%，降幅明顯增大，最低爐效降至92.53%，較不摻燒褐煤降低0.93%。在3個(gè)典型工況下，摻燒褐煤均導(dǎo)致?tīng)t效下降，且隨著摻配比例的增大，爐效下降的幅度也相應(yīng)增大，摻燒比例在40%～60%時(shí)，爐效平均下降約0.9%。

圖1 600 MW工況下褐煤不同摻燒比例對(duì)爐效影響

摻燒褐煤導(dǎo)致?tīng)t效下降的主要因素有：

（1）鍋爐煙氣流量增大。褐煤全水分高（白音華褐煤約33%），較常用煙煤高出一倍左右，隨著褐煤摻燒比例的增大，入爐煤的全水分也相應(yīng)增加，煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)增大，雖然干煙氣量變化不大，但是總煙氣量增大明顯。

（2）鍋爐排煙溫度升高。同一工況下，在設(shè)計(jì)過(guò)量空氣系數(shù)下，摻燒褐煤時(shí)，需用理論空氣量變化較小，而總煙氣流量增大明顯，冷空氣吸收煙氣熱量的份額減少，對(duì)空預(yù)器的冷卻效果降低，鍋爐排煙溫度升高。如表5所示，不同摻燒比例工況下的排煙溫度均有不同程度升高。

5.2 摻燒褐煤對(duì)鍋爐重要輔機(jī)電耗的影響

圖2為600 MW工況下鍋爐重要輔機(jī)電耗隨褐煤摻燒比例的變化趨勢(shì)。從圖2可以看出，隨著褐煤摻燒比例增大，引風(fēng)機(jī)電耗相應(yīng)增大。摻燒比例為42%時(shí)，引風(fēng)機(jī)電耗較無(wú)摻燒工況增大0.12%，磨煤機(jī)、一次風(fēng)機(jī)電耗也相應(yīng)增大。摻燒比例為32%時(shí)，較無(wú)摻燒工況，磨煤機(jī)電耗增大0.06%，一次風(fēng)機(jī)電耗增大0.05%，制粉總電耗增大0.11%。鍋爐摻燒褐煤，煙氣流量增加，排煙溫度升高，必然導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)容積流量增加，煙道阻力增大，引風(fēng)機(jī)電耗必然隨著摻燒比例增大而增大。摻燒褐煤時(shí)，入爐煤平均熱值降低，相同工況下總煤量必然增加，每臺(tái)磨煤機(jī)的煤量相應(yīng)增加，或者增加1臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，磨煤機(jī)功率增加，一次風(fēng)量增加，因此磨煤機(jī)電耗和一次風(fēng)機(jī)電耗均升高，也隨著摻燒比例增大而增大。

摻燒褐煤對(duì)鍋爐總風(fēng)量影響較小，理論上由于爐效降低，燃料量必然增加，在保證相同過(guò)量空氣系數(shù)下，總風(fēng)量相應(yīng)少量增加，因此送風(fēng)機(jī)電耗變化不大，不同摻燒比例下送風(fēng)機(jī)電耗均為0.2%，無(wú)變化。

5.3 摻燒褐煤對(duì)輸煤電耗、環(huán)保成本的影響

摻燒褐煤，入爐煤熱值降低、水分增加，相同工況下燃用的總煤量增加，輸煤皮帶運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，輸煤電耗必然升高[1]，且隨著摻燒比例的增加，輸煤電耗相應(yīng)增加。

圖2 600 MW工況不同褐煤摻燒比例重要輔機(jī)電耗

褐煤含氮量低、灰分低、硫分不高，對(duì)脫硝、除塵及脫硫系統(tǒng)影響很小，不會(huì)增加環(huán)保成本。

6 摻燒褐煤的經(jīng)濟(jì)性分析

以某發(fā)電廠600 MW機(jī)組為例，負(fù)荷率75%，摻燒褐煤比例50%。褐煤在煤場(chǎng)存放15天，收到基低位發(fā)熱量降低約1.8%[3]，折合爐效降低約0.9%，供電煤耗增加2.7 g/kWh。鍋爐摻燒50%比例的褐煤，入爐煤熱值由22 250 kJ/kg降低至18 830 kJ/kg，爐效下降約0.99%，總煤量增加25 t/h（見(jiàn)表5），輸煤電耗增加0.016%，供電煤耗增加4.38 g/kWh，重要輔機(jī)電耗增加0.3%。

不考慮增加的設(shè)備維護(hù)和檢修費(fèi)用，摻燒褐煤增加供電煤耗7.08 g/kWh，按單臺(tái)600 MW機(jī)組年發(fā)電量30億kWh計(jì)算，每年多耗標(biāo)煤2.12萬(wàn)t。按每噸標(biāo)煤800元計(jì)算，因摻燒褐煤增加成本1 696萬(wàn)元，即為摻燒褐煤的利潤(rùn)邊界點(diǎn)。

表5 各工況褐煤不同摻燒比例試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

7 結(jié)論

（1）褐煤的存煤量應(yīng)根據(jù)燃料供應(yīng)市場(chǎng)形勢(shì)、季節(jié)特點(diǎn)、機(jī)組每天燃煤量，合理規(guī)劃煤場(chǎng)的存煤結(jié)構(gòu)及褐煤存煤量，盡量減少褐煤的存儲(chǔ)時(shí)間，并采取分層碾壓和測(cè)溫翻燒，減少熱值損失。

（2）摻燒褐煤提高了煤粉的燃燒效率，飛灰可燃物均有不同程度的下降，尤其是爐外預(yù)混方式，飛灰可燃物降低了1.59%，下降明顯，沒(méi)有出現(xiàn)理論上的“搶風(fēng)”現(xiàn)象。從燃燒效率分析，爐外預(yù)混方式明顯優(yōu)于分磨摻燒。

（3）摻燒褐煤磨煤機(jī)，提高磨煤機(jī)最大出力有以下措施：采用爐外預(yù)混方式，通過(guò)摻入一定比例的低水分煤種，降低入磨原煤水分；通過(guò)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)出口折向擋板，提高煤粉細(xì)度，降低磨煤機(jī)總體阻力，增大入磨一次風(fēng)量，增加干燥基熱量。

（4）鍋爐摻燒褐煤，隨著摻燒比例的增大，鍋爐爐效相應(yīng)降低，引風(fēng)機(jī)電耗、磨煤機(jī)電耗、一次風(fēng)機(jī)電耗相應(yīng)增大，送風(fēng)機(jī)電耗無(wú)變化。

（5）不考慮增加的設(shè)備維護(hù)和檢修費(fèi)用，按摻燒褐煤比例50%、煤場(chǎng)存放時(shí)間15天、發(fā)電廠摻燒褐煤增加供電煤耗7.08 g/kWh、單臺(tái)600 MW機(jī)組年發(fā)電量30億kWh計(jì)算，摻燒褐煤的利潤(rùn)邊界點(diǎn)為1 696萬(wàn)元。褐煤標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)低，若采購(gòu)褐煤所降低燃料成本超過(guò)利潤(rùn)邊界點(diǎn)，則摻燒褐煤有經(jīng)濟(jì)效益，否則，發(fā)電廠應(yīng)放棄摻燒褐煤。