660 MW超臨界電站煤粉鍋爐大比例摻燒蘭炭試驗(yàn)研究

趙曉鵬，蘇永健，徐義巍，李彥軍，劉君，郭洪遠(yuǎn)，譚愷

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川750000）

0 引言

蘭炭是無黏結(jié)性或弱黏結(jié)性的高揮發(fā)分煙煤在中低溫條件下干餾熱解，釋放出揮發(fā)分、硫、氮等雜原子和水分后得到的產(chǎn)品，與半焦類似［1-2］。蘭炭是一種不可多得的新型清潔能源，具有高固定炭、高比電阻、高化學(xué)活性、低灰分、低鋁、低硫、低磷“三高四低”的特性，尤其在國(guó)家不斷提倡綠色環(huán)保的前提下，提高蘭炭的利用比例顯得至關(guān)重要。經(jīng)過近30年的工業(yè)發(fā)展，蘭炭產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成遍布中國(guó)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，總產(chǎn)能已經(jīng)超過1 億t［3］。開展不同比例蘭炭燃用試驗(yàn)研究，通過制粉系統(tǒng)調(diào)整、煤粉細(xì)度控制、燃燒優(yōu)化運(yùn)行、摻混方式調(diào)整等技術(shù)手段，形成完善的電站煤粉鍋爐燃用蘭炭技術(shù)體系，目的在于實(shí)現(xiàn)電站煤粉鍋爐安全穩(wěn)定大比例摻燒蘭炭及氣化殘?zhí)浚ǔ蛽]發(fā)分碳基燃料）。

本文通過對(duì)蘭炭煤質(zhì)進(jìn)行分析，開展蘭炭與煙煤的摻燒特性試驗(yàn)研究，在660 MW 超臨界煙煤電站鍋爐機(jī)組上開展了大比例摻燒蘭炭試驗(yàn)，對(duì)蘭炭與電站鍋爐的適應(yīng)性進(jìn)行分析，初步判斷大容量機(jī)組適宜的蘭炭摻燒比例，可為電站鍋爐大規(guī)模燃用蘭炭提供理論支撐和技術(shù)參考。

1 電站鍋爐系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介

京能寧東電廠2 臺(tái)HG-2210∕25.4-YM16 型鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司自主開發(fā)制造的煙煤超臨界660 MW鍋爐，鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)見表1。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)Tab.1 Design coal quality of the boiler

鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π 型布置、緊身封閉。爐膛斷面尺寸為19.082 3 m×19.082 3 m，水冷壁下集箱標(biāo)高7.0 m，頂棚管標(biāo)高75.5 m。制粉系統(tǒng)采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6 臺(tái)ZGM113G-Π 型磨煤機(jī)，5 臺(tái)運(yùn)行，1 臺(tái)備用；煤粉細(xì)度R90=18%。主燃燒器采用固定式，共設(shè)6 層水平濃淡煤粉一次風(fēng)噴口，4 層分離型燃盡風(fēng)室和8層輔助風(fēng)室。其中分離型燃盡風(fēng)（SOFA）室采用水平擺動(dòng)形式，可以調(diào)節(jié)燃燒火球在爐膛中的位置，并用于調(diào)節(jié)由于切圓燃燒產(chǎn)生的爐膛出口處的煙溫偏差。主燃燒器布置在水冷壁的4面墻上，每層4 只燃燒器對(duì)應(yīng)1 臺(tái)磨煤機(jī)。SOFA 燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁的四角，以實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒，降低NOx排放。燃燒器共3 組，其中主燃燒器2 組布置于4 面墻上，形成一個(gè)大的切圓。SOFA 燃燒器布置于4 個(gè)角上，SOFA 燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為42°和48°，形成一個(gè)小的反切風(fēng)切圓。燃燒器共6 層煤粉噴口，二次風(fēng)噴嘴交替布置于其間，在主燃燒器的上方的二次風(fēng)噴口可作為SOFA 噴嘴，在距上層煤粉噴嘴上方約6.2 m 處有4 層附加燃盡風(fēng)SOFA 噴嘴。燃燒器噴口布置及標(biāo)高，如圖1所示。

圖1 燃燒器噴口布置Fig.1 Layout of burner nozzles

2 蘭炭燃料特性及摻燒面臨的挑戰(zhàn)

本文采用寧夏本地蘭炭作為摻燒試驗(yàn)煤種，煙煤及蘭炭煤質(zhì)特性見表2，蘭炭灰分分析見表3。按照GB∕T 7562—2018《高品煤質(zhì)量 發(fā)電煤粉鍋爐用煤》［4］劃分，蘭炭煤質(zhì)屬于低-特低揮發(fā)分、中高-高熱值、低灰分、特低硫分、低灰熔點(diǎn)、難可磨性煤種；根據(jù)DL∕T 831—2015《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》［5］，蘭炭煤灰軟化溫度（ST）為1 190 ℃，灰分堿酸質(zhì)量比為1.3，綜合結(jié)渣指數(shù)為4.14，屬于嚴(yán)重結(jié)焦煤質(zhì)。

根據(jù)蘭炭工業(yè)分析和灰分分析，綜合判斷蘭炭煤粉氣流著火性能屬于難著火，燃盡性能屬于難燃盡，結(jié)渣性能屬于嚴(yán)重結(jié)焦［6］。

對(duì)本機(jī)組鍋爐而言，由于摻燒蘭炭煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤質(zhì)較多，隨摻燒比例增加，入爐煤質(zhì)的揮發(fā)分大幅下降，爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性和燃盡性下降；蘭炭哈氏可磨性指數(shù)低，磨煤機(jī)出力降低，煤粉細(xì)度升高，沖刷磨損指數(shù)升高；在蘭炭摻燒過程中可能存在鍋爐結(jié)焦、減溫水流量過大、鍋爐受熱面壁溫超溫、低負(fù)荷燃燒不穩(wěn)、爐膛出口NOx質(zhì)量濃度升高、煤粉燃盡率降低和鍋爐效率下降等問題［7］。因此，需要通過摻配及燃燒調(diào)整確定合理的蘭炭摻燒比例及摻燒方式。

表2 蘭炭煤質(zhì)特性Tab.2 Semi coke characteristic

表3 蘭炭灰分分析Tab.3 Semi coke ash content analysis %

3 蘭炭摻燒試驗(yàn)研究

3.1 磨煤機(jī)適應(yīng)性調(diào)整

由于蘭炭HGI 較低，為控制蘭炭煤粉細(xì)度、保證蘭炭煤粉氣流著火及時(shí)和燃盡，需將磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速提高，但分離器轉(zhuǎn)速的提高會(huì)增加磨煤機(jī)阻力和電流，單臺(tái)磨煤機(jī)出力平均降低15%～20%，綜合考慮磨煤機(jī)出力及煤粉細(xì)度R90的變化，將蘭炭磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速由原來85 r∕min 提高至105 r∕min，控制蘭炭磨煤粉細(xì)度在10%～15%。#21，#23，#24磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速與煤粉細(xì)度變化如圖2所示。

3.2 摻燒方式及位置的確定

由于蘭炭HGI 較低，如采用混煤爐內(nèi)摻燒方式［8］，則混煤的煤粉細(xì)度將難以保證，混煤的煤粉細(xì)度偏向于蘭炭特性，混煤的煤粉細(xì)度偏大，不利于混煤的著火和燃盡。根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況，蘭炭摻燒采用分磨制粉爐內(nèi)摻燒方式。

圖2 #21，#23，#24磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速與煤粉細(xì)度對(duì)比Fig.2 Comparison of dynamic separator rotating speed and pulverized coal fineness between #21，#23 and #24 pulverizers

為了達(dá)到蘭炭摻燒試驗(yàn)要求，對(duì)于蘭炭摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%以上時(shí)的不同蘭炭燃燒器配置情況進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。本鍋爐共6 層燃燒器，自下而上分別稱為A，B，C，D，E，F(xiàn) 層。基于鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的考慮，B 層燃燒器需噴入煙煤穩(wěn)定鍋爐燃燒，則蘭炭可從A，C 層，A，D 層，A，E 層，C，D 層，C，E層，D，E層均勻噴入爐膛，其余層燃燒器均勻噴入煙煤。通過對(duì)不同蘭炭摻燒位置進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，數(shù)值模擬結(jié)果見表4。

表4 不同蘭炭摻燒位置下爐膛出口參數(shù)Tab.4 Parameters at furnace outlet with semi coke added from different positions

由表4可見，當(dāng)蘭炭摻燒位置改變時(shí)，爐膛出口溫度變化幅度不大，當(dāng)最上層燃燒器用于燃燒蘭炭時(shí)，爐膛出口溫度略有提高。對(duì)比A，E 層，C，E 層，D，E 層3 種工況與其他工況，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蘭炭從E層噴口噴入時(shí)，NOx排放質(zhì)量濃度明顯增加，最高為471.66 mg∕m3。蘭炭摻燒位置的上移會(huì)使得爐膛出口飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，但燃盡率呈現(xiàn)出相對(duì)增加的趨勢(shì)，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度也隨之增加。蘭炭從C，D 層噴入，由于此區(qū)域內(nèi)溫度較高，且蘭炭在爐膛中停留的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，使得蘭炭燃料的燃盡率最高。

綜合考慮蘭炭燃燒性能和NOx排放性能，確定蘭炭從A，C，D 層燃燒器噴入時(shí)的燃盡情況與生成的NOx的質(zhì)量濃度均相對(duì)較理想。因此，確定A，C，D層燃燒器分別對(duì)應(yīng)的#21，#23，#24磨煤機(jī)單獨(dú)摻燒蘭炭煤種，其他磨煤機(jī)摻配煙煤。

3.3 不同負(fù)荷下大比例摻燒蘭炭對(duì)鍋爐性能的影響

3.3.1 摻燒蘭炭對(duì)鍋爐汽水系統(tǒng)的影響

選取機(jī)組負(fù)荷450，550，660 MW 3 個(gè)工況，A，C，D 磨煤機(jī)摻燒蘭炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，對(duì)比摻燒前后鍋爐汽水系統(tǒng)的影響，在3個(gè)不同工況下，鍋爐過熱器減溫水流量略有升高，再熱器減溫水流量基本未變，相同負(fù)荷下鍋爐總煤量下降約25 t∕h 左右，鍋爐排煙溫度升高，主要原因是蘭炭熱值高，揮發(fā)分低，火焰中心升高，中間點(diǎn)過熱度升高，其他汽水系統(tǒng)各參數(shù)正常，未出現(xiàn)明顯異常變化，鍋爐未出現(xiàn)明顯結(jié)渣情況。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

3.3.2 摻燒蘭炭對(duì)鍋爐NOx排放的影響

由表5 可見，在660，450 MW 負(fù)荷時(shí)，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的蘭炭前后鍋爐NOx的質(zhì)量濃度分別為258.20，262.65 mg∕m3，略有升高；在550 MW 負(fù)荷時(shí)，NOx質(zhì)量濃度為208.3 mg∕m3，略有下降但變化幅度不大。鍋爐NOx質(zhì)量濃度變化的主要原因?yàn)楦哓?fù)荷時(shí)爐膛溫度高，鍋爐熱力型NOx質(zhì)量濃度增加；低負(fù)荷時(shí)鍋爐運(yùn)行氧氣的體積分?jǐn)?shù)增高，鍋爐燃料型NOx質(zhì)量濃度增加。對(duì)鍋爐整體NOx質(zhì)量濃度來說，增加幅度最大為18.42%，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

3.3.3 摻燒蘭炭對(duì)鍋爐SO2排放的影響

選取機(jī)組負(fù)荷450，550，660 MW 3 個(gè)工況，A，C，D 磨煤機(jī)摻燒蘭炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，對(duì)比摻燒前后鍋爐SO2質(zhì)量濃度，在3 個(gè)不同負(fù)荷時(shí)SO2質(zhì)量濃度分別為3 812.5，2 700.4，3 842.5 mg∕m3，鍋爐SO2質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)，尤其在中高負(fù)荷段鍋爐SO2質(zhì)量濃度最大下降幅度達(dá)40.65%，鍋爐SO2質(zhì)量濃度下降的主要原因?yàn)樘m炭收到基硫分只有0.28%，鍋爐入爐煤整體硫分降低，煙氣脫硫（FGD）系統(tǒng)的SO2排放質(zhì)量濃度下降，有利于降低環(huán)保排放總量。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

3.3.4 摻燒蘭炭對(duì)鍋爐效率及燃燒效率的影響

同樣選取機(jī)組負(fù)荷450，550，660 MW 3個(gè)工況，A，C，D 磨煤機(jī)摻燒蘭炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，對(duì)比蘭炭摻燒前后鍋爐飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、排煙溫度、鍋爐效率及鍋爐燃燒效率的變化情況。在3個(gè)不同負(fù)荷時(shí)，鍋爐飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、排煙溫度呈升高趨勢(shì)，鍋爐效率呈下降趨勢(shì)，主要原因?yàn)樘m炭揮發(fā)分低，燃盡時(shí)間增加，蘭炭煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間短，造成爐膛火焰中心升高，爐膛出口溫度升高，鍋爐排煙溫度和飛灰及爐渣中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，鍋爐效率有所下降，影響機(jī)組的煤耗升高［9-15］。在550 MW 和450 MW 時(shí)，盡管鍋爐效率分別下降0.82%和0.23%，但燃燒效率升高0.72%和0.56%，主要原因?yàn)橹械拓?fù)荷段鍋爐一次風(fēng)壓降低，蘭炭煤粉細(xì)度下降控制在10%左右，煤粉均勻性達(dá)到1.35，整體鍋爐煤粉燃燒效率均值升高到99.09%。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。

表5 不同負(fù)荷下?lián)綗m炭后鍋爐汽水系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比Tab.5 Parameters of the boiler's steam and water system taking semi coke co-combustion under different loads

表6 不同負(fù)荷下蘭炭摻燒前后鍋爐NOx生成量對(duì)比Tab.6 Comparison of NOx emission from the boiler before and after semi coke co-combustion under different loads

表7 不同負(fù)荷下蘭炭摻燒前后鍋爐SO2質(zhì)量濃度對(duì)比Tab.7 Comparison of SO2 emission from the boiler before and after semi coke co-combustion under different loads

表8 不同負(fù)荷下蘭炭摻燒前后鍋爐效率及燃燒效率對(duì)比Tab.8 Comparison of boiler efficiency and combustion efficiency before and after semi coke co-combustion under different loads

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在充分掌握蘭炭燃料特性的基礎(chǔ)上，在660 MW 超臨界鍋爐上開展了大比例摻燒蘭炭試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的蘭炭摻燒，NOx原始排放質(zhì)量濃度達(dá)258 mg∕m3，鍋爐燃燒效率達(dá)98.91%。同時(shí)，通過試驗(yàn)得出蘭炭燃料與所配中速直吹式制粉系統(tǒng)煙煤鍋爐的適應(yīng)性，掌握了煙煤鍋爐摻燒蘭炭燃料的關(guān)鍵技術(shù)，提出蘭炭摻燒適宜的燃燒方式、鍋爐調(diào)整方式及原則，主要結(jié)論如下。

（1）電站煤粉鍋爐大比例摻燒燃用蘭炭在實(shí)踐中是可行的，以本機(jī)組鍋爐為例，可以實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的蘭炭。

（2）電站鍋爐燃用蘭炭具有爐內(nèi)結(jié)渣輕，大幅度降低煙氣SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特點(diǎn)，對(duì)高硫高熱值煤具有較好的替代優(yōu)勢(shì)。

（3）對(duì)于蘭炭造成磨煤機(jī)出力降低的問題，可以采取加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)水平或技術(shù)改造，提高磨煤機(jī)出力。

（4）在綜合考慮鍋爐燃燒穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性方面，蘭炭摻燒采用分磨制粉爐內(nèi)摻燒方式，分層燃燒保持燃燒穩(wěn)定性；同時(shí)，可通過優(yōu)化鍋爐燃燒配風(fēng)方式、調(diào)整風(fēng)煤比，提高蘭炭摻燒的經(jīng)濟(jì)性。