寧東地區(qū)660 MW機組鍋爐燃煤摻燒試驗研究

王準，林閩城，楊威，牛利權，張海丹，趙志慧

(1.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311121；3.寧夏棗泉發(fā)電有限責任公司，寧夏 銀川 751400)

寧東能源化工基地位于寧夏回族自治區(qū)銀川市靈武境內，是國務院批準的國家重點開發(fā)區(qū)、國家重要的大型煤炭生產基地、“西電東送”火電基地、煤化工產業(yè)基地和循環(huán)經濟示范區(qū)[1-2]。某電廠位于寧東火電基地內，設計煤種為寧東煤田的鴛鴦湖礦區(qū)和馬家灘礦區(qū)煤種，由于設計煤種煤源供應緊張，燃用設計煤種面臨經營狀況困難，急需通過摻燒經濟性較好的非設計煤種，擴大電廠煤種的適應性，進而緩解經營困境。然而鍋爐燃燒非設計煤種可能會帶來鍋爐出力降低，鍋爐運行時的安全性無法保障，經濟性降低及污染物排放量變化等一系列的問題，因此有必要進行燃煤摻燒試驗研究[3-5]。

基于電廠周邊煤礦的調研及電廠實際燃煤結構，選取合適且經濟的煤種，采用分磨摻燒的方式進行煤種摻燒試驗，并分別從安全可靠性、經濟性指標、污染物排放特性等方面進行研究分析，在確保機組穩(wěn)定、安全運行前提下提高經濟效益。

1 設備概況

電廠鍋爐為超超臨界參數、螺旋爐膛、一次再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構架、緊身封閉的Π 型鍋爐。鍋爐配有無啟動循環(huán)泵的內置式啟動系統(tǒng)，整個爐膛由下部螺旋水冷壁和上部垂直水冷壁構成。爐膛出口布置屏式過熱器，爐膛折焰角上方布置后屏過熱器和末級過熱器，高溫再熱器布置在水平煙道處。尾部豎井由隔墻分隔成前后2個煙道，前煙道布置低溫再熱器和一組省煤器，后煙道布置低溫過熱器和2組省煤器。煙氣經2個尾部煙道后引入脫硝SCR裝置，經脫硝后進入三分倉空氣預熱器，爐底排渣系統(tǒng)采用濕式除渣方式。鍋爐制粉系統(tǒng)配置6臺HP1003-Dyn碗式中速磨煤機，采用前后墻對沖燃燒方式，分3層布置，其中24只AireJet燃燒器布置在上、中層，配置點火油槍；12只DRB-XCL型燃燒器布置在下層，配置微油點火裝置。

2 試驗煤種選擇

電廠可采購的煤種按運輸方式分為火車燃煤和汽車燃煤。其中火車燃煤主要由寧東煤田供應。汽車燃煤主要通過汽車運輸的電廠10～20 km周圍的礦區(qū)的摻配有30%煤泥的寧煤。

本次研究試驗選擇火車燃煤(以下簡稱火車煤)及摻配有30%煤泥的汽車燃煤(以下簡稱汽車煤)作為試驗煤種，煤質特性如表1、2所示。

表1 試驗煤種工業(yè)分析

表2 試驗煤種元素分析

3 試驗工況

本次摻燒試驗采用分磨制粉，爐內摻燒的方式進行，即將不同的煤種投入不同的磨煤機進行粉碎，然后將磨制好的煤粉通過一次風送入爐膛內進行摻燒。分磨摻燒能夠避免不同煤種性能差異對磨煤機的影響，保證燃燒的穩(wěn)定性[6]。

試驗期間鍋爐全天滿負荷660 MW運行，鍋爐負荷、氣溫、汽壓和風量保持穩(wěn)定，禁止鍋爐吹灰等影響運行工況的操作。試驗按設計煤種比例設置5個工況，包括全燒火車煤的基礎試驗工況，摻配20%、40%、60%、80%比例汽車煤的摻燒試驗工況。

3.1 鍋爐結渣情況

鍋爐結渣是目前困擾電廠安全、穩(wěn)定運行的一個重要因素。結渣形成大焦后需要花費大量人力進行捅焦，大渣突然掉落對爐膛燃燒造成擾動，引起爐內正壓達到鍋爐MFT動作條件，會導致鍋爐MFT跳機事故。大渣堵死渣倉，導致機組降負荷運行。而爐膛溫度是影響鍋爐結渣的重要因素，爐膛溫度大于灰的變形溫度時，鍋爐受熱面易產生結渣，因此摻燒試驗過程中需重點關注鍋爐爐膛區(qū)域溫度變化及是否存在嚴重結渣的情況。

試驗期間采用紅外高溫點溫槍對爐膛區(qū)域煙溫進行了測量，其溫度分布情況如表3所示，表中數值為該區(qū)域的平均溫度。數據顯示，隨著汽車煤摻燒比例的增加，爐膛區(qū)域溫度有上升趨勢，但整體處于正常水平。

表3 爐膛溫度

觀察爐膛的結渣狀況，主要通過以下幾種方式：(1)通過前墻及左右側墻大屏觀火孔監(jiān)視屏過區(qū)域；(2)通過燃燒器觀火孔監(jiān)視燃燒器噴口附近結渣狀況；(3)通過燃燒器觀火監(jiān)視水冷壁結渣情況。

基礎試驗工況期間，機組正常吹灰，從前墻及左右側墻觀火孔觀察屏過區(qū)域，未發(fā)現明顯結渣情況，燃燒器噴口未見結渣情況，水冷壁清晰可見。后續(xù)摻燒工況未出現明顯鍋爐結渣現象，前墻及左右側墻屏過結渣情況未發(fā)生明顯變化，燃燒器噴口正常，水冷壁無明顯變化，因此可以判斷汽車煤無明顯的結渣特性。

3.2 制粉系統(tǒng)及撈渣機安全性

摻燒試驗期間，制粉系統(tǒng)穩(wěn)定運行，石子煤排量正常。對比同一臺磨煤機在相同煤量下磨制火車燃煤時與磨制汽車燃煤相比，磨煤機電流上升了2 A左右，汽車燃煤更易磨。隨著汽車燃煤摻燒比例的增加，撈渣機電流有逐漸上升趨勢，但幅度不大。撈渣機整體運行正常，未發(fā)生拉不上爐渣的情況。

3.3 飛灰含碳量變化

摻燒前后飛灰含碳量變化趨勢如圖1所示。隨汽車煤摻燒比例增加，飛灰的含碳量有降低趨勢。這說明混煤的燃燒更充分。

圖1 不同工況下飛灰含碳量與鍋爐效率情況

3.4 鍋爐效率分析

本次試驗按 ASME PTC 4.1規(guī)定的方法計算鍋爐反平衡效率，即先求出鍋爐各項熱損失，用100減去各項熱損失的百分數計算的所得的效率[7]。其中各項熱損失包括未完全燃燒損失、干煙氣熱損失、入爐煤水份蒸發(fā)熱損失、氫燃燒生成水份熱損失、爐膛散熱損失及不可計量熱損失[8-11]。

由圖1機組各摻燒工況下鍋爐效率對比試驗結果可以看出：隨著汽車煤摻燒比例的增加，機組鍋爐效率不斷提高，因此，提高汽車煤的摻燒比例更有助于鍋爐效率的提高。

3.5 污染物排放特性分析

摻燒試驗期間折算后的NOx和SO2生成量如圖2所示。由煤質指標可以看出，此次摻混的汽車煤中N元素含量與火車煤的N元素含量相近，但摻燒汽車煤NOx的生成量有明顯的降低，由于汽車煤中的Vdaf較高，燃燒時混煤的揮發(fā)分迅速著火燃燒，使局部的氧量降低而不利于燃料N向NOx轉化。

圖2 不同工況下污染物排放情況

煤種指標顯示汽車煤硫分較高，摻燒汽車煤導致原煙氣中SO2生成量的升高，但目前的環(huán)保設備能夠正常運行且滿足GB 13223-2011標準要求。鍋爐運行期間脫硫系統(tǒng)需開啟2臺循環(huán)泵，相應耗電成本提高，石灰石和水的消耗量成本增加。燃煤硫分的增加不僅提高脫硫系統(tǒng)運行的成本，還會造成鍋爐兩側水冷壁墻易發(fā)生高溫腐蝕，因此后期摻燒需關注入爐煤硫分[12]。

4 結 論

(1)摻燒試驗期間，機組能夠安全、穩(wěn)定運行，輔機設備正常運行。汽車煤無明顯結渣傾向，鍋爐無明顯的結焦情況。

(2)鍋爐出力正常，主、再熱蒸汽參數達到設計值要求。隨著鍋爐摻燒汽車煤的比例增大，飛灰含碳量降低，鍋爐效率上升。

(3)污染物排放方面，摻燒汽車煤后原煙氣中的NOX生成量降低，原煙氣中SO2生成量上升明顯，但目前本廠環(huán)保設備能夠正常運行且滿足超低排放標準。

(4)本次摻燒試驗研究為電廠煤種適應性擴大和節(jié)約燃料成本擴寬的新思路，是降低火電廠經營成本的一個直接、有效的手段。該電廠可根據摻燒試驗結果并結合自身機組情況及煤種采購實際情況選擇合適的摻燒比例，在保證鍋爐安全、穩(wěn)定運行的前提下提高電廠的經濟效益。