660 MW 超臨界壓力鍋爐混煤摻燒燃燒經濟性分析

孫培波

（中國能源建設集團華北電力試驗研究院有限公司，天津 300162）

0 引言

煤質特性與鍋爐設備的適應性，對機組安全、經濟、環(huán)保運行至關重要?，F(xiàn)階段，為了適應煤炭市場的變化，拓寬煤炭供應渠道，降低發(fā)電企業(yè)成本，提升發(fā)電企業(yè)經濟效益，大多數(shù)火電廠都在研究使用配煤摻燒技術。但這一技術較為復雜，摻配的煤種以及比例都會對混煤燃燒特性產生較大的影響，從而影響機組的安全性和經濟性。因此，無論從機組安全的角度還是機組經濟性方面考慮，對鍋爐混煤摻燒技術進行研究都是十分必要的［1］。

選擇某電廠作為研究對象，對其機組設備以及燃煤特性進行分析，通過相應的試驗方法分析印度本地劣質煙煤、澳洲煤、南非煤和印尼煤的混煤摻燒情況，研究在不同摻燒比例對機組經濟性所產生的影響。

1 設備概況

某電廠2×660 MW 鍋爐型號為HG-2000／25.9-YM 超臨界鍋爐。該鍋爐為變壓運行、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結構、露天布置的п 型超臨界鍋爐，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴容式啟動系統(tǒng)，采用四角切圓燃燒方式，低NOx燃燒器，32 支燃燒器分8 層布置。采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，配8 臺ZGM133N-II 型中速磨煤機。在BMCR 工況下，6 臺運行2 臺備用。鍋爐主要設計參數(shù)見表1，鍋爐設計煤質分析見表2。

表1 鍋爐的主要設計參數(shù)

表2 鍋爐的設計煤質分析

2 入爐煤質特性

2.1 入爐煤質初步分類

表3 為該電廠所用設計煤（印度本地劣質煙煤）、南非煤、印尼煤、澳洲煤的工業(yè)分析、元素分析、可磨性及灰熔融溫度和灰成分分析數(shù)據(jù)。混煤摻燒時，通常選擇2 種或3 種單煤進行摻混。如果摻混煤種過多，可能導致成本上升、燃燒情況更復雜［2］。

對該電廠所用的煤質進行常規(guī)分析，可得到各煤種煤質特性初步評價如表4 所示。

通過表4 可知，與鍋爐設計煤種（印度本地煤）相比，印尼煤主要有以下幾個特點：全水分較高，影響磨煤機干燥出力；揮發(fā)分較高，燃煤具有較強的自燃和爆炸傾向，對制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的安全有較大影響；灰熔點較設計煤略高。南非煤主要有以下幾個特點：全水分低、灰分低；哈氏可磨系數(shù)較低，對磨煤機制粉出力有較大的影響；灰熔點較設計煤高，灰成分中的CaO 和Fe2O3含量低。澳洲煤主要有以下幾個特點：全水分較低、灰分低；灰熔點高，灰成分中的CaO 和Fe2O3含量低。

2.2 入爐煤燃燒特性評價

煤粉燃燒特性評價指標有很多，如：動力學三因子［3］、穩(wěn)燃指數(shù)R［4］、燃盡特性指數(shù)［5］、傅張指數(shù)、綜合燃燒特征指標［6］等，但大多指標在對現(xiàn)場混煤摻燒指導的直接性、有效性方面略顯不足。將影響煤粉燃燒特性的因素分解為2 個指標討論：著火溫度和燃盡溫度。前者評價煤粉著火燃燒的安全性和穩(wěn)定性，后者評價煤粉燃燒的經濟性［7］。

4 種煤樣的著火溫度和燃盡溫度如表5 所示。

從表5 可見：從著火特性看，印尼煤的著火特性最好（著火溫度353.6 ℃），設計煤（印度本地煤）、澳洲煤的著火特性較好（著火溫度介于410～430 ℃），南非煤的著火特性相對較差（著火溫度440.1 ℃）；從燃盡特性看，設計煤、印尼煤、澳洲煤的燃盡特性較好（燃盡溫度介于618～651 ℃），南非煤的燃盡特性相對較差（燃盡溫度685.5 ℃）。

3 混煤摻燒研究

不同煤種的混燒會影響煤粉氣流燃燒穩(wěn)定性以及燃盡情況，同時也會對鍋爐受熱面溫度分布、結渣積灰以及煙氣污染物的排放等指標造成直接影響，因此研究混煤摻燒著火過程具有非常重要的意義。其中入爐煤中的揮發(fā)分、水分和灰分對燃料的燃燒會產生較大的影響。揮發(fā)分越低，煤粉越不易點燃，當進入爐膛后需要更多的熱量使煤粉加熱到著火溫度，著火時間相對延遲，著火點距離燃燒器噴口較遠。揮發(fā)分越高，煤粉著火則較容易，但是要注意不要過早著火，否則會造成燃燒器結渣或者燒損。水分大的煤，著火需要的熱量較多，同時水分的蒸發(fā)吸熱還會使爐內的煙溫降低，對著火和燃盡會產生不利的影響?；曳趾慷嗟拿?，著火的速度相對較慢，同時在燃燒的時候灰殼對焦炭核的燃盡也起到一定的阻礙作用。

表3 印度納佳電廠燃煤煤質常規(guī)分析數(shù)據(jù)

表4 煤質特性初步評價

表5 4 種煤樣著火溫度和燃盡溫度 ℃

一般情況下，在燃燒混煤時，混燒后的燃盡指數(shù)更傾向于單個煤種中燃盡指數(shù)較低的那種煤，其著火特性更趨向于易著火的單煤。但是，當摻燒的煤種存在較大的性能差異時，容易出現(xiàn)明顯的搶風現(xiàn)象，使得不易著火的煤種因缺氧而燃燒不充分，導致這種工況下的混煤燃盡特性要比各煤種單燒時的燃盡性能相差較大。因此，混煤摻燒過程中，需要對混煤摻燒進行試驗研究，全面分析各摻配煤種的燃盡特性，根據(jù)入爐煤的特性，做出相應的調整，從而提高燃煤的燃燒經濟性。

4 混煤摻燒現(xiàn)場試驗及摻燒經濟性分析

從印度本地煤、印尼煤、南非煤、澳洲煤的著火、燃盡指標來看，這4 種煤的著火、燃盡性能相差不大，因此，燃燒經濟性成為摻燒的制約因素。

4.1 混煤摻燒現(xiàn)場試驗

負荷為660 MW 工況下，退出AGC 和一次調頻；保持運行磨煤機相同、運行氧量相同、配風方式相同；試驗采用“分磨摻燒”方式，以印度本地煤為設計煤種，分別在印尼煤、南非煤、澳洲煤摻燒比例0%、20%、40%、60%下與設計煤種進行分磨摻燒試驗（具體配煤方案見表6—表8），對不同煤種、不同摻燒比例下的鍋爐熱效率進行測量、計算；同時，為了便于全面比較各摻燒方案的經濟性，進行了南非煤、澳洲煤摻燒試驗，南非煤、澳洲煤、印尼煤摻燒試驗（配煤方案見表9）。

鍋爐熱效率計算標準采用ASME PTC4.0—2013《鍋爐機組性能試驗規(guī)程》，以燃料高位熱值為計算基準。

表6 660 MW 摻燒印尼煤鍋爐效率比較（基于燃料高位發(fā)熱量計算）

4.2 混煤摻燒結果分析

在機組負荷660 MW 工況時，基于煤質高位熱值計算基準下，對摻燒不同比例的印尼煤、南非煤、澳洲煤的鍋爐熱效率進行了計算、分析，具體見表6—表8。

由表6 可見，隨著印尼煤摻燒比例加大，鍋爐排煙溫度逐漸升高，飛灰可燃物也逐漸增大。這主要是因為印尼煤水分、揮發(fā)分較高，為了保證磨煤機出力且防止煤粉在磨煤機內爆燃，使得磨煤機冷風通風量增加，經由空預器的總風量減少，與煙氣的換熱量降低。同時，磨煤機出口溫度隨著印尼煤的增多而逐漸降低，溫度低的煤粉進入爐膛后造成燃燒延遲，最終導致鍋爐排煙溫度及飛灰可燃物的升高。同時，由于印尼煤水分及氫元素較高，以燃料高位發(fā)熱量為鍋爐熱效率計算基準下，燃料中的水分損失及氫燃燒熱損失隨著印尼煤摻混的比例的增大而逐漸增大。以上因素導致鍋爐整體熱效率隨著印尼煤的摻混而逐漸降低，印尼煤摻混比例每增加20%，鍋爐熱效率約降低0.7%。

由表7 可見，南非煤水分及燃料中氫元素含量不高，燃料中的水分損失及氫燃燒熱損失相對不大；南非煤熱值較高，揮發(fā)分相對較低，燃盡性能相對較差，飛灰可燃物、排煙溫度隨著南非煤混入比例的增加而逐漸升高；但是，南非煤熱值遠大于設計煤種，干煙氣熱損失、未燃盡碳熱損失反而隨著南非煤摻混比例的增加而逐漸降低；南非煤摻混比例每增加20%，鍋爐熱效率增加0.5%～0.7%。

由表8 可見，澳洲煤水分含量不高，燃料中的水分熱損失不大；澳洲煤熱值、揮發(fā)分較高，灰分較小，著火及燃盡性能較好，隨著澳洲煤摻混比例的增加，鍋爐排煙溫度及飛灰可燃物逐漸降低；澳洲煤摻混比例每增加20%，鍋爐熱效率增加0.8%～1.2%，鍋爐效率提升較明顯。

由表9 可見，南非煤、澳洲煤兩種煤摻燒時，鍋爐效率較高，達到89.58%；當印尼煤摻入時，排煙溫度升高1～1.5 ℃，飛灰可燃物降低0.72%，鍋爐效率降低0.72%，鍋爐效率降低幅度同設計煤種與印尼煤摻燒時鍋爐效率降低幅度基本一致。在排煙溫度略有上升，飛灰可燃物一定程度下降的情況下，鍋爐效率降低幅度較大的原因主要是基于燃料高位發(fā)熱量計算鍋爐熱效率時，燃料中水分熱損失及氫燃燒熱損失占比較大，而印尼煤水分及氫元素含量較大，導致基于燃料高位發(fā)熱量計算鍋爐熱效率時，鍋爐熱效率隨著印尼煤的摻配而大幅度較低。不同摻燒工況下鍋爐效率比較如圖1 所示。

表7 660 MW 摻燒南非煤鍋爐效率比較（基于燃料高位發(fā)熱量計算）

表8 660 MW 摻燒澳洲煤鍋爐效率比較（基于燃料高位發(fā)熱量計算）

表9 660 MW 其他摻燒工況鍋爐效率比較（基于燃料高位發(fā)熱量計算）

圖1 不同摻燒工況下鍋爐效率比較（基于燃料高位發(fā)熱量計算）

由圖1 可見，鍋爐整體熱效率隨著印尼煤的摻混比例的增加而逐漸降低，隨著南非煤、澳洲煤的摻混比例的增加而逐漸升高，同時，摻燒澳洲煤時，鍋爐燃燒經濟性要高于摻燒南非煤時鍋爐燃燒經濟性。

5 結語

基于燃料高位發(fā)熱量下考量鍋爐燃燒經濟性時，由于燃料中水分熱損失及氫燃燒生成水蒸氣熱損失占比較大，需要重點考量燃料中的氫及水分含量。

相比于印度本地劣質煙煤，印尼煤著火性與燃盡性更好，但是由于印尼煤水分較大，燃料中氫元素含量較大，隨著印尼煤的摻燒，鍋爐排煙溫度升高、飛灰可燃物增大，燃料中的水分損失及氫燃燒熱損失增大，鍋爐整體效率下降。

南非煤熱值較高，揮發(fā)分相對較低，燃盡性能相對較差，飛灰可燃物、排煙溫度隨著南非煤混入比例的增加而逐漸升高；但是，南非煤熱值遠大于設計煤種，干煙氣熱損失、未燃盡碳熱損失反而隨著南非煤摻混比例的增加而逐漸降低，鍋爐效率隨著南非煤的摻燒而上升。

澳洲煤熱值、揮發(fā)分較高，水分、灰分較小，著火及燃盡性能較好，隨著澳洲煤摻混比例的增加，鍋爐排煙溫度及飛灰可燃物逐漸降低，鍋爐效率提升較明顯。

基于燃料高位發(fā)熱量下，從燃燒經濟性方面考慮，經濟性從優(yōu)到劣依次為：南非煤、澳洲煤混煤，澳洲煤、印度本地煤混煤，南非煤、澳洲煤、印尼煤混煤，南非煤、印度本地煤混煤，印尼煤、印度本地煤混煤。