摻燒高硫煤對某600 MW機組鍋爐的影響及運行優(yōu)化

童家麟，齊曉娟，呂洪坤

摻燒高硫煤對某600 MW機組鍋爐的影響及運行優(yōu)化

童家麟1，齊曉娟2，呂洪坤1

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

電站鍋爐摻燒高硫煤會給鍋爐運行帶來不利影響。本文通過數(shù)值模擬研究了摻燒高硫煤前后爐內(nèi)貼壁腐蝕性氣氛、煤粉燃盡率、污染物排放等參數(shù)的變化，并對摻燒高硫煤后煙氣酸露點的變化進行了計算。結(jié)果表明：摻燒高硫煤后，爐內(nèi)貼壁H2S體積分數(shù)明顯上升，高溫腐蝕風險加大，同時煤粉燃盡率降低，煙氣酸露點提高；在下層燃燒器層摻燒高硫煤，高金屬壁溫區(qū)域高H2S體積分數(shù)區(qū)域面積占比較小，約為35%，較常規(guī)運行工況爐膛出口CO體積分數(shù)上升約0.35%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約0.4 g/m3，其效果較中、上層燃燒器層摻燒更具優(yōu)勢。

高硫煤；摻燒；腐蝕性氣體；高溫腐蝕；燃盡率；酸露點；燃燒器；鍋爐

我國煤炭資源較為豐富，存儲總量居世界第3位，同時亦是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。隨著我國電站鍋爐摻燒煤種種類的日益豐富，高硫煤作為一類重要的煤炭資源，其使用也越來越普遍[1-2]。但高硫煤硫含量較高，在燃燒過程中不僅會產(chǎn)生大量的SO2氣體造成酸雨污染，而且對鍋爐運行有一定的影響。

國內(nèi)學者針對燃用高硫煤對鍋爐燃燒特性的影響和腐蝕機理進行了較為深入的研究，并得出了許多有意義的結(jié)論。李江等[3]對某超超臨界鍋爐進行了在模擬高硫煤煙氣中的腐蝕試驗，結(jié)果表明，HR3C鋼具有較好的抗腐蝕性能。應(yīng)冬軍等[4]結(jié)合某電廠對沖燃燒鍋爐摻燒高硫煤的實際情況，分析了鍋爐高、低溫腐蝕、環(huán)保排放等問題。董琨等[5]分析了電站鍋爐燃用高硫煤造成的危害，并對燃用高硫煤的技術(shù)進行了相應(yīng)的探討。艾晨輝等[6]對某高硫煤進行了實驗室摻燒試驗，研究了摻燒比例、煤粉細度和運行氧量等對混煤性能的影響。但目前國內(nèi)學者主要著眼于使用現(xiàn)場和實驗室試驗的方法研究燃用高硫煤對鍋爐性能的影響，受現(xiàn)場測點的限制和運行條件的制約，這類研究方法對電站鍋爐有效燃用高硫煤的指導(dǎo)性意義不大[7]，實驗室試驗亦存在與現(xiàn)場實際運行偏差較大的問題。

本文使用數(shù)值模擬對某600 MW機組亞臨界對沖燃燒鍋爐摻燒高硫煤前后的爐內(nèi)貼壁腐蝕性氣氛、煤粉燃盡率、污染物排放等參數(shù)的變化進行研究，并對摻燒高硫煤后的煙氣酸露點溫度的變化進行了計算，同時給出了該鍋爐優(yōu)化摻燒高硫煤的合理化建議，以期為同類型鍋爐優(yōu)化摻燒高硫煤提供參考。

1 鍋爐概況

某電廠3號鍋爐為亞臨界2045 t/h對沖燃燒鍋爐，采用上海鍋爐廠有限公司復(fù)合空氣分級燃燒技術(shù)的低NO煤粉燃燒器，對應(yīng)的3層燃燒器和燃盡風（SOFA）燃燒器中心線標高分別為24.2、27.7、31.2、34.6 m。原鍋爐設(shè)計煤種為內(nèi)蒙古某低硫煙煤，近年來受煤炭市場及地方能源政策的影響，該鍋爐開始摻燒某高硫洗混煤，其與設(shè)計煤種的煤質(zhì)對比分析見表1。

表1 煤質(zhì)對比分析

Tab.1 Quality analysis for the coals

由表1可見，與設(shè)計煤種相比，高硫洗混煤的水分和揮發(fā)分較低，但灰分和硫分較高，硫分達到了約2.86%。一般認為含硫量接近或高于3%的煤種即為高硫煤[8]，該煤種已接近于高硫煤的標準。

2 計算模型網(wǎng)格劃分及計算工況

2.1 網(wǎng)格劃分

圖1為爐膛和燃燒器截面的網(wǎng)格劃分情況。整個爐膛采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進行劃分，對燃燒、流動較為劇烈的燃燒器區(qū)域和燃盡風區(qū)域進行了局部網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)大約為300萬個。

由于本文重點研究爐膛主燃燒區(qū)和還原區(qū)貼壁區(qū)域內(nèi)的腐蝕性氣體分布，因此對該區(qū)域四周水冷壁貼壁200 mm內(nèi)進行了網(wǎng)格梯級加密，具體劃分方法為：設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為5，靠近壁面的網(wǎng)格為35 mm，這樣的網(wǎng)格劃分一方面可以很好地反映壁面附近的溫度場、組分場變化情況，另一方面可以控制爐膛總網(wǎng)格數(shù)，保證數(shù)值計算速度。計算所采用模型的詳細介紹參見文獻[9]，對揮發(fā)分氮和焦炭氮的分配可參考文獻[10]。

2.2 計算工況

本文主要對摻燒高硫煤前后的4個工況進行了數(shù)值模擬計算，其中工況1為摻燒高硫煤前的運行工況（常規(guī)運行工況），工況2、工況3和工況4分別為C層燃燒器層（前墻下層燃燒器）、D層燃燒器層（前墻中層燃燒器）和E層燃燒器層（前墻上層燃燒器）摻燒高硫煤的運行工況。

模擬計算中投運5層燃燒器，維持爐膛出口氧體積分數(shù)為3%，并保持各計算工況投運燃燒器層的總風量和總發(fā)熱量相同。模擬計算用煤為鍋爐設(shè)計煤種和某高硫洗混煤，工況2、工況3、工況4摻燒的高硫洗混煤量發(fā)熱量占入爐煤總發(fā)熱量的 比例均為20%。煤粉最大粒徑200 μm，最小粒徑20 μm，平均粒徑50 μm，煤粉均勻性指數(shù)為1.1，這樣可滿足煤粉細度90低于18%。各模擬工況煤量分布見表2。

表2 模擬工況煤量分布

Tab.2 The distribution of coal quantity for simulation t/h

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 爐內(nèi)貼壁腐蝕性氣體分布

圖2、圖3為各計算工況下層燃燒器層（23.6~24.8 m）、中層燃燒器層（27.1~28.3 m）、上層燃燒器層（30.6~31.8 m）和還原區(qū)（31.8~34.1 m）側(cè)墻水冷壁貼壁區(qū)域(距水冷壁管中心線100 mm處)的H2S體積分數(shù)和CO體積分數(shù)的模擬結(jié)果。參考文獻[11]，以高H2S體積分數(shù)（超過0.01%）和高CO體積分數(shù)（超過2%）的區(qū)域面積占計算區(qū)域面積的百分比大小來反映爐內(nèi)的易受腐蝕程度。

由圖2可以看出：4個工況高H2S面積占比變化趨勢有所不同；而高CO面積占比相差不大且變化趨勢一致，在主燃燒區(qū)均是隨著爐膛高度的增加，高CO面積占比逐漸增大，這與主燃燒器區(qū)欠氧燃燒有關(guān)；相對摻燒高硫煤的其他2個工況，工況4最高H2S面積占比恰出現(xiàn)在上層燃燒器層，且還原區(qū)高H2S面積占比亦大于其他2個工況。

總體而言，摻燒高硫煤后貼壁高H2S面積占比均較工況1有了較大程度上升，各區(qū)域高H2S面積占比上升幅度在5%~30%之間，爐內(nèi)高溫腐蝕可能性增大。工況2、工況3、工況4最高H2S面積占比的位置亦有所不同，均是出現(xiàn)在噴入高硫煤的燃燒器層。

高溫腐蝕不僅與H2S氣氛有關(guān)，又與金屬壁溫密切相關(guān)，且高金屬壁溫往往出現(xiàn)在上層燃燒器層和還原區(qū)位置[12]。圖3中H2S、CO平均體積分數(shù)變化趨勢與圖2相同，最高H2S面積占比出現(xiàn)位置亦是最高H2S平均體積分數(shù)出現(xiàn)位置。結(jié)合最高H2S面積占比、最高H2S平均體積分數(shù)出現(xiàn)位置和金屬壁溫，若摻燒1層高硫煤，工況4的高溫腐蝕風險最大。工況2相對于工況3和工況4，盡管在上層燃燒器層和還原區(qū)高H2S面積占比較小，約為35%，這兩個區(qū)域高溫腐蝕風險相對較低，但在下層燃燒器層高H2S面積占比達到了約60%，導(dǎo)致這個區(qū)域和冷灰斗區(qū)域高溫腐蝕風險增大。

綜上，從抑制腐蝕性氣體角度，在實際運行中應(yīng)盡量在下層燃燒器層摻燒高硫煤，并可通過適當增大下層燃燒器二次風量，或者降低下層燃燒器二次風旋流強度等手段，減輕下層燃燒器層和冷灰斗區(qū)域高溫腐蝕風險。

3.2 煤粉燃盡率

圖4為4個工況下爐膛出口CO體積分數(shù)和固體可燃物質(zhì)量濃度比較。由圖4可以看出：CO體積分數(shù)和固體可燃物質(zhì)量濃度的變化趨勢基本相同；摻燒高硫煤后爐膛出口可燃物質(zhì)量濃度較摻燒高硫煤前均有所升高，工況4較工況1爐膛出口CO體積分數(shù)上升約0.28%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約0.8 g/m3，這與高硫煤揮發(fā)分較設(shè)計煤種低有關(guān)，摻燒低揮發(fā)分煤種更不利于燃盡；相對于工況3和工況4，工況2的燃盡率較高，爐膛出口CO體積分數(shù)較工況1上升約為0.14%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約為0.4 g/m3，說明在下層燃燒器層摻燒高硫煤有利于煤粉的燃盡，這與在下層燃燒器層摻燒，較工況3和工況4，高硫煤在爐內(nèi)燃燒時間較長有關(guān)；各工況下爐膛出口可燃物質(zhì)量濃度上升幅度都不大，說明摻燒高硫煤對鍋爐效率影響較小[13]。

綜上，從保證煤粉燃盡率角度，應(yīng)盡量在下層燃燒器層摻燒高硫煤。在實際運行中，若大比例摻燒高硫煤，可通過適當增加運行氧量、降低高硫煤煤粉細度、優(yōu)化風煤比等手段穩(wěn)定爐內(nèi)燃燒和提高煤粉燃盡率[14-15]。

3.3 污染物排放

圖5為4個工況爐膛出口NO和SO2體積分數(shù)比較。由圖5可以看出：摻燒高硫煤后，爐膛出口NO體積分數(shù)較工況1上升明顯，上升幅度約在0.08%~0.10%之間，這與高硫煤中氮含量較高有關(guān)；隨著高硫煤噴入位置的升高，爐膛出口NO體積分數(shù)有上升趨勢，主要原因為上層燃燒器區(qū)域煙氣溫度高于下層燃燒器區(qū)域，導(dǎo)致工況3和工況4熱力型NO生成量大于工況2，從控制NO生成量角度分析，在下層燃燒器層摻燒高硫煤更具優(yōu)勢。

由圖5還可以看出，摻燒高硫煤后，爐膛出口SO2體積分數(shù)較工況1上升約0.035%，這與入爐煤含硫量大幅提高有關(guān)。在工況2、工況3、工況4之間，爐膛出口SO2體積分數(shù)略有差異，但差別較小。

3.4 低溫腐蝕風險

尾部煙道低溫腐蝕是燃煤鍋爐摻燒高硫煤的風險之一。低溫腐蝕的機理為：在飛灰中的V2O5等催化劑的作用下，SO2被氧化為SO3，在尾部煙道受熱面處，煙氣中的SO3與H2O結(jié)合生成H2SO4。硫酸蒸氣的存在，使得煙氣的酸露點溫度大為提高。一般來講，需要使得尾部煙道受熱面壁溫高于煙氣酸露點10 ℃，才可保證受熱面不發(fā)生低溫腐蝕[16]。近年來，隨著節(jié)能減排技術(shù)的推廣和國家環(huán)保要求的提高，鍋爐排煙余熱利用日益受到發(fā)電企業(yè)關(guān)注，低低溫靜電除塵器、低溫省煤器等設(shè)備的大幅利用，使得鍋爐排煙溫度被降低到約90 ℃[17-18]，特定煤種的煙氣酸露點溫度可由下式計算得到：

式中：ld為煙氣中的水蒸氣露點，℃；ar(S)為燃料的收到基硫分，%；ar(A)為燃料的收到基灰分，%；ar,net為燃料的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；fh為飛灰占總灰中的份額，%，計算中取90%。

表3為不同高硫煤摻燒比例下的煙氣酸露點溫度比較。由表3可見，隨著高硫煤摻燒比例的增大，煙氣酸露點溫度隨之上升，全燒高硫煤時的酸露點溫度較設(shè)計煤種增大約6.5 ℃，已達到了約77 ℃，特別在尾部煙道后段，低溫腐蝕的風險非常高。該電廠摻燒高硫煤約1年后，發(fā)現(xiàn)備用電動引風機煙道已發(fā)生了較為嚴重的低溫腐蝕現(xiàn)象。尾部煙道的低溫腐蝕是燃煤鍋爐摻燒高硫煤后的一個不可忽視的問題，在實際運行中，可適當提高空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度，以抑制低溫腐蝕。

表3 不同高硫煤摻燒比例下的煙氣酸露點溫度比較

Tab.3 The acid dew point temperature under conditions with different co-firing ratios of high-sulfur coal

4 實際摻燒結(jié)果

表4為3號鍋爐在滿負荷下，下層燃燒器層摻燒高硫煤后的水冷壁典型區(qū)域的H2S體積分數(shù)和CO體積分數(shù)測試結(jié)果。由表4可見，除下層燃燒器區(qū)域外，中、上層燃燒器和還原區(qū)H2S體積分數(shù)已有下降趨勢，在可接受范圍內(nèi)，說明若在下層燃燒器層摻燒高硫煤，其抑制H2S效果較佳，這與本文數(shù)值模擬結(jié)論一致。同時，爐膛出口NO質(zhì)量濃度約為410 mg/m3，相對較高，飛灰可燃物質(zhì)量濃度低于2%。

表4 水冷壁典型區(qū)域的H2S體積分數(shù)和CO體積分數(shù)

Tab.4 The volume fractions of H2S and CO in typical areas near the water wall %

注：A側(cè)1為固定端側(cè)墻靠近前墻測點；A側(cè)2為固定端側(cè)墻中間測點；A側(cè)3為固定端側(cè)墻靠近后墻測點；B側(cè)1為擴建端側(cè)墻靠近前墻測點；B側(cè)2為擴建端側(cè)墻中間測點；B側(cè)3為擴建端側(cè)墻靠近后墻測點。

6 結(jié) 論

1）摻燒高硫煤后，爐內(nèi)貼壁CO體積分數(shù)基本不變，但H2S體積分數(shù)明顯上升，高溫腐蝕風險加大；煤粉燃盡率降低，爐膛出口NO、SO2體積分數(shù)上升明顯；煙氣酸露點溫度提高，低溫腐蝕風險亦有所增加。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，在下層燃燒器層摻燒，在高金屬壁溫區(qū)域高H2S面積占比較小，約為35%；較常規(guī)運行工況，爐膛出口CO體積分數(shù)上升約 0.35%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約0.4 g/m3，爐 膛出口NO體積分數(shù)亦較中、上層燃燒器層摻 燒時略低。

3）在實際運行中，若在下層燃燒器層摻燒高硫煤，可通過適當增大下層燃燒器二次風量或者降低下層燃燒器二次風旋流強度等手段，減輕下層燃燒器層和冷灰斗區(qū)域高溫腐蝕風險，并可適當優(yōu)化運行氧量、煤粉細度等改善煤粉燃盡率，同時應(yīng)提高空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度，以抑制尾部煙道低溫腐蝕。

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Influence of co-firing high suffur coals on operation of a 600 MW unit boiler and the operation optimization

TONG Jialin1, QI Xiaojuan2, LYU Hongkun1

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China; 2. Hangzhou E-energy Technology Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

Co-firing high suffur coals has adverse effects on boilers’ operation. Numerical simulations are conducted to study the combustion characteristics before and after co-firing high suffur coals, such as the corrosive gas near the water wall, the burnout rate and pollutant emission. Moreover, the acid dew point is calculated after co-firing high suffur coals. The results show that, the volume fraction of H2S near the water wall rises and the risk of high-temperature corrosion increases after co-firing high suffur coals. Meanwhile, the burnout rate reduces and the acid dew point increases. When co-firing high suffur coals in lower burners, the area containing high volume fraction of H2S is lower, about 35%. Compared with the conventional operating conditions, the volume fraction of CO rises by about 0.35% and the mass fraction of solid combustibles rises by about 0.4 g/m3. The effects of co-firing high suffur coals in lower burners are better than in intermediate and upper burners.

high suffur coal, co-firing, corrosive gas, high temperature corrosion, burnout rate, acid dew point, burner, boiler

TM621.2；TK16

A

10.19666/j.rlfd.201901017

2019-01-31

童家麟(1986)，男，碩士，工程師，主要研究方向為電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)，tongjialing@126.com。

童家麟, 齊曉娟, 呂洪坤. 摻燒高硫煤對某600 MW機組鍋爐的影響及運行優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(10): 128-133. TONG Jialin, QI Xiaojuan, LYU Hongkun. Influence of co-firing high suffur coals on operation of a 600 MW unit boiler and the operation optimization[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 128-133.

（責任編輯 馬昕紅）