350 MW超臨界煤粉鍋爐全燃準東煤的運行優(yōu)化研究

劉義斌，劉旋坤，宋剛，楊欣華，張縵，楊海瑞*

（1.新疆國泰新華礦業(yè)股份有限公司，新疆五彩灣 831799；2.清華大學(xué)山西清潔能源研究院，太原 030032；3.清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084；4.中國能源建設(shè)集團西北電力試驗研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

準東煤田是我國最大的整裝煤田，勘探資料表明準東煤礦資源貯藏豐富，屬于特低灰分、特低硫、高熱值、低變質(zhì)程度的優(yōu)質(zhì)天然潔凈煤［1］。但是，準東煤中含有較高的鈉、鈣等堿金屬，導(dǎo)致其在燃燒過程中生成的氣相化合物極易在對流受熱面上冷凝沾污。因此鍋爐燃用準東煤需要將煤灰中的堿金屬含量降低至安全范圍，從而降低鍋爐沾污結(jié)焦的傾向。試驗發(fā)現(xiàn)，含有鋁和硅的礦物質(zhì)對堿金屬吸附能力強，可以有效固定堿金屬［2］。

研究表明，燃用準東煤鍋爐在設(shè)計階段通常選用較低的容積熱負荷參數(shù)來減少爐膛沾污和結(jié)渣現(xiàn)象［3-4］，實際應(yīng)用中也嘗試通過摻燒低鈉煤來改善準東煤的沾污特性［5-7］。目前新疆地區(qū)大部分鍋爐基本實現(xiàn)了80.0%準東煤摻燒低鈉煤的混煤燃燒［8-10］，但是關(guān)于全燃準東煤的運行案例依舊較少。

本文以新疆國泰新華化工有限公司350 MW 超臨界煤粉鍋爐為例，以準東煤為主燃料設(shè)計，通過試驗摻燒高嶺土和熱態(tài)調(diào)試，顯著減輕了準東煤燃燒的結(jié)渣和沾污的傾向，實現(xiàn)了鍋爐全燃準東煤。

1 鍋爐設(shè)備及運行情況

新疆國泰新華化工有限公司#1 鍋爐是由東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的超臨界、單爐膛、一次中間再熱、對沖燃燒、平衡通風、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π型布置燃煤直流爐。鍋爐最低穩(wěn)定燃燒負荷為30.0%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR），并能在此負荷下長期運行；鍋爐爐膛尺寸14 694 mm×16 320 mm，四周為全焊式膜式水冷壁，上部布置有屏式過熱器；水平煙道中布置有高溫過熱器、高溫再熱器；尾部煙道由隔墻分為2部分，前室為低溫再熱器（低再），后室為低溫過熱器（低過）和省煤器，尾部配置布袋除塵器以及煙氣脫硫、脫硝裝置，具體參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the boiler

鍋爐燃煤以天池南礦煤（高鈉煤）為主，根據(jù)3.5∶1.0的質(zhì)量比摻燒低鈉煤，煤種參數(shù)見表2。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，燃燒器為外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器，按前墻3層、后墻3層、每層4只燃燒器布置。煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為一次風、內(nèi)二次風、外二次風和中心風4部分。在煤粉燃燒器上方分前后墻各設(shè)置了2 層燃盡風，風口中央部位為非旋轉(zhuǎn)氣流，直接穿透進入爐膛中心；外圈氣流為旋轉(zhuǎn)氣流，用于和靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進行混合。

表2 煤種參數(shù)Tab.2 Coal parameters

鍋爐在運行初期水冷壁結(jié)渣嚴重，燃燒器和水冷壁部分管壁發(fā)生嚴重高溫腐蝕。并且由于屏式過熱器掛焦嚴重，須定期進行大負荷擾動，導(dǎo)致大量尺寸較大的渣塊脫落，水封裝置內(nèi)存水被脫落的渣塊沖擊、汽化，產(chǎn)生大量蒸汽造成爐膛燃燒波動甚至滅火。對流受熱面沾污積灰嚴重，高負荷運行期間折焰角后煙氣溫度達到1 000 ℃，低再、省煤器等煙氣溫度偏高，鍋爐排煙溫度達到150 ℃。

2 高嶺土摻燒試驗

2.1 試驗條件

天池南礦煤屬于高Na2O 煤種，摻燒硅鋁含量高、鈉含量低的物料可以緩解爐膛積灰結(jié)焦現(xiàn)象。本試驗摻燒五彩灣礦高嶺土，要求鍋爐在不結(jié)渣的前提下安全運行。高嶺土成分分析結(jié)果見表3。

表3 高嶺土成分分析Tab.3 Component analysis of kaolin

試驗期間入爐煤質(zhì)相對穩(wěn)定，制粉系統(tǒng)以及輔機處于完好狀態(tài)，主要儀表投運正常，各主要風門、擋板操作靈活且開度指示正確，鍋爐日平均負荷率大于60.0%BMCR。摻燒高嶺土前后磨煤機分離器轉(zhuǎn)速、風煤比、運行方式、內(nèi)外二次風旋流開度、中心風開度、燃盡風開度、各層二次風門開度、運行氧量、吹灰壓力等影響鍋爐運行的參數(shù)均保持一致。

2.2 確定摻燒高嶺土比例

煤灰熔融特性是影響鍋爐結(jié)渣、受熱面沾污積灰的重要因素［11］，因此必須對摻混高嶺土后煤灰熔融特性重新進行研究分析，指導(dǎo)添加劑摻混比例及鍋爐燃燒。

為了明確摻配高嶺土比例依據(jù)，首先將5.0%～7.0%高嶺土［12-14］與準東煤進行均勻混合制標準樣，然后進行灰熔點測定。根據(jù)GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測定方法》標準，使用SDAF3000 型灰熔融性測試儀進行檢測，結(jié)果見表4。

表4 摻燒不同比例高嶺土煤樣灰熔點測試結(jié)果Tab.4 Ash fusion temperatures of coal samples mixed with different proportions of kaolin

2.3 試驗內(nèi)容與結(jié)果

摻燒前維持機組常用煤種，按摻配6.5%高嶺土的比例逐漸累加，最終實現(xiàn)5 臺磨煤機全部摻配6.5%高嶺土的目標。

首先，將D 倉準東煤替換為準東煤添加6.5%高嶺土的混煤（以下簡稱混煤）。觀察摻配高嶺土后磨煤機電流、振動、石子煤量等變化情況，在其安全、可靠運行的前提下再繼續(xù)增加高嶺土的摻配比例。其次，將E倉準東煤替換為混煤，若爐內(nèi)結(jié)渣與沾污未加重，且參數(shù)未顯示惡化跡象，再將C倉替換為混煤，若爐內(nèi)結(jié)渣與沾污未加重，且參數(shù)未顯示惡化跡象，將B 倉換為混煤，連續(xù)觀察試驗20 d（含300 MW負荷連續(xù)運行7 d）；若各負荷段爐內(nèi)結(jié)渣或沾污均未加重（包括D磨煤機停機情況）將A倉低鈉煤替換為混煤，若試驗過程爐內(nèi)結(jié)渣或沾污未加重，則進行30 d摻燒試驗。

整個摻燒過程用時70 d，鍋爐全燒準東煤累計運行31 d，各項運行參數(shù)指標與摻燒前指標相比均滿足鍋爐穩(wěn)定運行要求，且有效緩解鍋爐積灰結(jié)渣情況。對摻燒前后吹灰掉焦進行比較，摻燒前焦塊較大且堅硬，如圖1 所示；摻燒后焦塊疏松容易脫落，如圖2 所示。鍋爐運行10 個月狀況良好，充分證明摻燒高嶺土能很好地解決準東煤沾污問題。

圖1 摻燒前吹灰掉落的焦塊Fig.1 Focal block blown off by the soot blower before the co-combustion

圖2 摻燒后吹灰掉落的焦塊Fig.2 Focal block blown off by the soot blower after the co-combustion

摻燒后再熱器壁溫與出口蒸汽溫度如圖3 所示，蒸汽出口溫度維持在550 ℃左右，基本與設(shè)計要求溫度持平。

圖3 再熱器壁溫與出口蒸汽溫度Fig.3 Temperatures of the reheater wall and outlet steam

需要說明的是，摻燒高嶺土會對撈渣機、輸灰管、空氣預(yù)熱器以及布袋除塵器的運行造成一定影響。在鍋爐出力不變時，摻燒高嶺土后的撈渣機出渣量和倉泵的輸灰量有所提升，對鍋爐受熱面管束沖刷磨損加重，每kW·h 發(fā)電量標煤耗增加，磨煤機、吹灰器的負荷增大，尾部煙道積灰增大，排煙溫度上升。因此，進行了更為系統(tǒng)的摻燒優(yōu)化試驗。

3 鍋爐摻燒優(yōu)化試驗

為解決摻燒高嶺土后鍋爐出現(xiàn)的上述問題，同時為滿足環(huán)保要求［15］，降低鍋爐NOx的排放質(zhì)量濃度，對機組進行了120 h 熱態(tài)調(diào)試，將鍋爐運行狀態(tài)調(diào)至最佳。

3.1 鍋爐出口氧量及NOx標定試驗

試驗開始前在空氣預(yù)熱器進、出口煙道布置測點，分別采用煙氣分析儀在工況1（285 MW）和工況2（310 MW）測量鍋爐的出口氧量和NOx質(zhì)量濃度，根據(jù)測量結(jié)果對鍋爐進行調(diào)試。鍋爐從B側(cè)到A 側(cè)燃盡風、燃燒器二次風開度記錄見表5。在2種工況下實際測試鍋爐出口煙氣成分與分散控制系統(tǒng)（DCS）數(shù)據(jù)比較見表6。

表5 二次風系統(tǒng)擋板開度Tab.5 Opening of the baffle for secondary air system

表6 鍋爐出口煙氣成分及修正系數(shù)Tab.6 Composition and correction coefficient of the flue gas at boiler's outlet

從測試結(jié)果來看，鍋爐A 側(cè)比B 側(cè)氧量偏低；B側(cè)氧量DCS 數(shù)據(jù)與實測值較為接近，A 側(cè)DCS 數(shù)據(jù)則較實測值偏低；脫硝入口兩側(cè)NOx的DCS 數(shù)據(jù)均較實測值偏低。通過多次測量，對比實測值與DCS顯示值，確定了氧量和NOx的修正系數(shù)值，有利于更加準確地指導(dǎo)實際運行。

3.2 鍋爐出口氧量調(diào)平試驗

根據(jù)表6數(shù)據(jù)調(diào)整鍋爐燃盡風及燃燒器手動擋板。將燃盡風A 側(cè)最右側(cè)旋流從200 000 m3/h 開至350 000 m3/h；A1 燃燒器外二次風開至60°；燃盡風層風箱擋板B 側(cè)開度15%，A 側(cè)開度30%。調(diào)整后負荷為285 MW，命名為工況3，相應(yīng)測得鍋爐出口氧量與CO 質(zhì)量濃度如圖4 所示。對比工況1 可知，通過調(diào)整燃盡風手動門及燃盡風層風箱擋板可提高鍋爐A側(cè)低氧量區(qū)域的氧量，減小兩側(cè)氧量差異，同時降低CO排放，有利于提高鍋爐效率。

圖4 氧量調(diào)平前后對比Fig.4 Oxygen contents before and after the levelling

3.3 燃盡風及二次風調(diào)整試驗

為緩解鍋爐水平煙道的沾污、結(jié)渣以及尾部受熱面超溫，進行配風調(diào)整試驗降低水平煙道煙氣溫度，試驗選取鍋爐低再和低過的進口煙溫作為參照。試驗在285 MW 負荷下布置工況4—6，對比3種工況燃盡風層風門開度及二次風層風門開度變化對煙氣溫度的影響。燃盡風及二次風風門開度變化與排放情況見表7。

表7 燃盡風及二次風風門開度變化與污染物排放Tab.7 Opening change of OFA and secondary air throttles and pollutant discharge

對比可知，各工況飛灰和大渣中碳的質(zhì)量分數(shù)變化不大，但隨著燃盡風關(guān)小，NOx排放質(zhì)量濃度明顯上升，從166.8 mg/m3上升至266.2 mg/m3。不同工況低再和低過進口煙氣溫度如圖5所示。

圖5 工況4—6低再和低過進口煙氣溫度對比Fig.5 Comparison of flue gas temperatures at inlets of low-temperature reheater and low-temperature superheater under working condition 4—6

對比工況4 與工況6，后者煙氣溫度較低，說明相同條件下，減小燃盡風開度有利于降低煙氣溫度；對比工況4 與工況5，前者二次風采用正寶塔形（上小下大）配風方式，后者二次風采用均等配風方式，即使工況5 燃盡風開度較低，其煙氣溫度仍最高，說明正寶塔形配風方式更有利于降低煙溫。因此，在綜合考慮NOx排放質(zhì)量濃度情況下應(yīng)盡量降低燃盡風層風箱開度，維持二次風上小下大的正寶塔形配風方式。

3.4 變過量空氣系數(shù)試驗

在310 MW 負荷下選取工況7—9，該組工況下燃盡風風門開度及二次風層風門開度均保持一致，運行氧量為2.4%（工況7），2.8%（工況8），3.2%（工況9），各工況低再和低過進口煙溫度如圖6所示。

圖6 工況7—9低再和低過進口煙氣溫度對比Fig.6 Comparison of flue gas temperatures at inlets of low-temperature reheater and low-temperature superheater under working condition 7—9

根據(jù)DCS 的NOx排放量可知，隨著鍋爐運行過量空氣系數(shù)增大，NOx排放質(zhì)量濃度明顯上升；由圖6 可知，低再和低過的入口煙氣溫度明顯下降。綜合考慮NOx排放情況下，鍋爐在310 MW負荷下運行氧量應(yīng)維持在2.8%～3.2%。

3.5 改變磨煤機數(shù)量試驗

工況1—9 均投運6 臺磨煤機，現(xiàn)將負荷為310 MW 下的磨煤機投運數(shù)量調(diào)整為5 臺，運行氧量為3.0%，其他參數(shù)與工況9 保持一致。DCS 運行數(shù)據(jù)表明，在投運5 臺磨煤機時NOx排放質(zhì)量濃度明顯降低，從300 mg/m3降到200 mg/m3以下；低再和低過進口煙溫也明顯降低；飛灰和大渣中碳的質(zhì)量分數(shù)保持在0.6%以下；排煙溫度維持在140 ℃左右；鍋爐效率可達到94.5%。對比其他工況，該工況下鍋爐運行狀態(tài)良好，為最優(yōu)運行工況，同時建議在高負荷運行時應(yīng)盡量優(yōu)先使用5 臺磨煤機同時運行，且各磨煤機給煤量應(yīng)該按照上層磨煤機小、下層磨煤機大的正寶塔形分布。

4 結(jié)論

（1）通過摻燒6.5%高嶺土，實現(xiàn)了350 MW 超臨界煤粉鍋爐全燃準東煤，并且累計運行31 d，各項運行參數(shù)指標均滿足鍋爐穩(wěn)定運行要求，且有效緩解了鍋爐積灰結(jié)渣的情況。

（2）通過120 h 熱態(tài)調(diào)試試驗，改善了鍋爐燃燒混煤后的運行狀態(tài)，確定鍋爐最優(yōu)工況為310 MW以及該工況下運行氧量應(yīng)維持在2.8%～3.2%；明確了在高負荷運行時優(yōu)先使用5 臺磨煤機同時運行，且各磨煤機給煤量應(yīng)該按照上層磨煤機小、下層磨煤機大的正寶塔形分布；提出了在綜合考慮NOx排放質(zhì)量濃度時，應(yīng)盡量降低燃盡風層風箱開度，維持二次風上小下大的正寶塔形配風方式。