李宏巖 王永 葛成用 徐漠北 蒲建業(yè) 梁辰
(1 吉林電力股份有限公司四平第一熱電公司 吉林四平 136001 2 中電投東北能源科技有限公司 遼寧沈陽 110179)
隨著經濟增速放緩及電力市場深化改革的推進,燃煤發(fā)電企業(yè)成本競爭日趨激烈。為了控制燃料成本,電力系統(tǒng)內各燃煤電廠持續(xù)推出配煤摻燒工作,配煤摻燒的能力和水平已經成為企業(yè)的核心競爭力[1]。為了強化燃料成本控制、最大限度挖掘摻燒潛力、提升企業(yè)的經濟運行水平,需要加快深度配煤摻燒的步伐。市場上高硫煤(特指白音華礦高硫褐煤,霍林河高硫褐煤)相對寬松[2-3]。為了緩解燃料來源供應緊張的問題,希望可以通過此項研究,提升高硫煤摻燒比例,增強設備對高硫煤的適應能力,防止大比例燃用高硫褐煤出現鍋爐屏過嚴重結焦,排煙SO2含量大幅升高等問題[4-6],在安全燃燒條件下提高高硫煤的混配比例,實現降本增效的目的。
某350 MW 機組鍋爐為哈爾濱鍋爐制造公司制造的HG-1165/17.5-HM3 型鍋爐,亞臨界參數、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構架的∏型汽包爐。
該機組鍋爐煤源主要為內蒙古霍林河露天煤礦褐煤,摻燒部分遼源礦務局金保屯煤礦和東遼縣興達煤炭有限公司的燃煤。配5 臺MPS212HP-Ⅱ中速磨煤機,正壓直吹式制粉系統(tǒng),擺動式直流燃燒器、四角布置、切向燃燒方式。設計煤質,在最大連續(xù)蒸發(fā)量工況時,4 臺磨煤機運行,1 臺備用。煤粉細度(R90)為35%。給水調整采用汽動泵,機組配置2 臺50%B-額定負荷容量的汽動給水泵。
設計煤質和校核煤質數據見表1。
表1 鍋爐設計和校核煤質
(1)磨煤機出口一次風速調平試驗;
(2)磨煤機出力及煤粉細度試驗;
(3)爐膛溫度場測試試驗;
(4)常規(guī)煤種,75%以上穩(wěn)定負荷優(yōu)化運行方式,燃燒調整試驗;
(5)不同磨組合的摻燒高硫褐煤試驗(入爐煤不同含硫量試驗);
(6)最優(yōu)高硫煤(入爐煤含硫量)摻燒工況的驗證試驗;
(7)通過脫硫增效劑進一步提高脫硫系統(tǒng)適應性試驗。
(1)一次風速測試及調平[7]。用經過校驗的測速管測量各一次風管內一次風動壓及靜壓,從而求得整個截面的平均動壓值Pd(Pa),并用經過校驗的標準T 型熱電偶測量風溫。通過式(1)計算一次風粉管管道風速。
式中:k 為靠背管速度系數;ρ 為氣流密度,kg/m3;按式(2)計算。
式中:Pa 為當地大氣壓,Pa;Ps 為所測截面靜壓,Pa;t 為所測氣流溫度,℃;ρ0為標準狀態(tài)下的空氣密度,取1.293 kg/m3。
(2)一次風質量流量Qm見式(3)。
式中:A 為一次風管通流面積,m2。
(3)風速的最大相對偏差見式(4)。
式中:Qmax(min)是4 根管道內最大(最小)的風量,kg/s;Qave是4 根管道內的平均風量,kg/s。
機組檢修后開始進行高硫煤摻燒試驗。由于試驗時間較長,期間電廠來煤煤質有較大變化,白音華高硫褐煤的含硫量也不是很固定,部分車次的霍林河褐煤含硫量相對更高些。試驗期間入爐煤的平均熱值13 155 kJ/kg,平均干基全硫1.03%,收到基灰分19.26%,煤的平均全水分31.65%,平均干燥基灰分28.12%,平均干燥無灰基揮發(fā)分49.124%。部分霍林河褐煤的干基硫分含量也比較高,與白音華褐煤接近。如果高硫霍林河褐煤與白音華煤同時燃用,高負荷工況脫硫系統(tǒng)壓力較大,因此上煤時需要預測機組負荷率,同時做好配煤摻燒工作,防止2 種高硫煤同時燃用。
試驗期間保持試驗磨煤機穩(wěn)定運行,給煤量與風量保持不變,維持磨煤機出口風粉混合物溫度在60 ℃~65 ℃。煤粉取樣化驗分2 次進行。對比2 次取樣的煤粉細度情況。ABC 磨為白音華高硫褐煤,DE 磨為霍林河褐煤。
2 次煤粉取樣都在滿負荷工況下進行,磨出口溫度、給煤量等參數基本一致。結果如圖1 和圖2 所示:磨煤機最大出力在43 t/h~45 t/h 出力時,2 個工況相同磨的煤粉細度相差不大。煤粉均勻性指數較檢修前均有很大好轉。D、E 磨煤機煤粉細度偏細,有利于飛灰的燃盡和降低飛灰含碳量,對于緩解折焰角積灰結焦是有利的??傮w看煤粉細度較好,滿足當前煤質的燃燒情況。鑒于低負荷工況鍋爐折焰角部位有積灰的情況,本次試驗煤粉系統(tǒng)不做調整。
圖1 各臺磨煤機平均煤粉細度(R90)
圖2 各臺磨煤機粉管煤粉均勻性指數
ABC 磨為白音華高硫褐煤,DE 磨為霍林河褐煤。各臺磨出口粉管風速測試結果如圖3 和圖4 所示。
圖3 各臺磨煤機平均風速
圖4 各臺磨煤機粉管風速偏差
從測試結果看,磨煤機在40 t/h~45 t/h 左右出力的情況下,E 磨平均風速27.71 m/s,最大偏差是4 號粉管-3.68%,磨煤機入口風量標定系數0.947 7;D 磨平均風速26.28 m/s,最大偏差是2 號粉管6.55%,磨煤機入口風量標定系數0.987 4;C磨平均風速27.09 m/s,最大偏差是2 號粉管7.31%,磨煤機入口風量標定系數0.808 0;B 磨平均風速27.06 m/s,最大偏差是4 號粉管5.20%,磨煤機入口風量標定系數0.629 6;A 磨平均風速28.06 m/s,最大偏差是4 號粉管-5.43%,磨煤機入口風量標定系數0.891 1。各別粉管風速偏差超過±5%,需要通過可調縮孔調節(jié)到風速偏差在±5%范圍。
試驗測試AB 2 臺磨摻燒白音華褐煤和ABC 3 臺磨摻燒白音華褐煤時不同負荷的爐膛溫度。機組沒有供熱時,電負荷300 MW 對應的鍋爐蒸發(fā)量在880 t/h 左右;機組帶供熱時,電負荷最高到320 MW,鍋爐蒸發(fā)量最高970 t/h。
摻燒試驗主要測試爐膛出口位置、火焰中心位置、燃燒器下部區(qū)域和冷灰斗區(qū)域。從測試結果看,同層標高爐膛溫度分布比較平均,偏差較小,E 層燃燒器上部附近,測試#3 角和#4角爐膛溫度比同層#1 和#2 角稍高,高負荷工況主燃燒器上部觀火孔均有少量結焦。
爐膛溫度測試結果如圖5 和圖6 所示,AB 磨摻燒白音華高硫褐煤最高負荷下爐膛出口1 230 ℃,鍋爐火焰中心位置測試最高溫度1 460 ℃,冷灰斗溫度920 ℃,爐膛溫度最高的區(qū)域在主燃燒器區(qū)域上部到燃盡風噴口附近,普遍在1 400 ℃左右。不同的配風方式和煤種對鍋爐爐膛溫度最高的區(qū)域影響較大。從煤質分析看,白音華褐煤的灰熔點T2 在1 300 ℃左右,霍林河褐煤灰熔點T2 在1 260 ℃~1 420 ℃,扎哈褐煤的灰熔點T2 在1 120 ℃左右,因此,除非大量燃用扎哈褐煤,否則在爐膛出口屏區(qū)基本不會結焦。在鍋爐主燃燒區(qū)域上部到燃盡風噴口位置容易出現結焦情況,測試期間鍋爐觀火孔的結焦情況也說明這一點。其中,鍋爐E4、E3 燃燒器上部觀火孔結焦的情況相對多些,但是不影響鍋爐運行。
圖5 AB 磨白音華高硫煤不同負荷爐膛溫度測試
圖6 ABC 磨白音華高硫煤不同負荷爐膛溫度測試
ABC 3 臺磨摻燒白音華褐煤爐膛溫度分布和AB 2 臺磨摻燒白音華褐煤比較變化不大。從長時間低負荷深調看,在折焰角部位有積灰現象發(fā)生。隨著運行時間延長,積灰有緩慢增加的趨勢。因此,不建議4 臺制粉系統(tǒng)摻燒低熱值、高灰分的白音華褐煤。
由于鍋爐送風機選型偏大,在鍋爐800 t/h 蒸發(fā)量出力時,風機動葉開度為0。此時運行氧量2.5%~3.5%,排煙中一氧化碳小于200 μg/g,飛灰含碳量小于0.6%,主燃燒器區(qū)域二次風門開度小于10%,燃盡風用于調整煙溫偏差和汽溫偏差,開度較小,多數處于關閉狀態(tài),SCR 脫硝系統(tǒng)入口NOx 在400 mg/Nm3左右。
在鍋爐800 t/h 蒸發(fā)量以下出力時,送風機動葉開度為0,只能通過關小燃燒器區(qū)二次風擋板開度和關小燃盡風區(qū)風門擋板開度來降低運行氧量,盡量減少NOx 的生產,降低排煙熱損失,此時,缺少送風的調節(jié)手段。一次風調節(jié),根據煤量和入爐煤質情況,選擇最少的制粉系統(tǒng)運行,在不堵磨的情況下,降低一次風壓力。
本次配風調整試驗主要在滿負荷工況進行,重點考察鍋爐爐膛煙氣溫度分布,試驗在300 MW 負荷、鍋爐蒸發(fā)量940 t/h下進行。試驗測試不同配風方式下的具體煙氣溫度如圖7 所示。預熱器入口氧量如圖8 所示,預熱器出口煙氣溫度如圖9 所示。
圖7 不同配風方式下爐膛溫度測試
圖8 配風方式調整前后預熱器入口氧量變化
圖9 配風方式調整前后預熱器出口溫度變化
配風調整前后爐膛溫度變化情況:下爐膛出口位置,煙氣溫度降低明顯。主燃燒器區(qū)域上部,煙氣溫度變化不明顯。A 層噴口下煙氣溫度有所升高。再熱蒸汽溫度呈下降趨勢。這種配風方式下,對于灰熔點偏低的褐煤有防止結焦的作用。對于灰熔點較高的煤建議按原始配風方式運行。
通過不同負荷工況和不同煤種變化的鍋爐燃燒調整試驗測試,鍋爐AB 鍋爐磨摻燒白音華高硫褐煤和ABC 磨摻燒白音華高硫褐煤均不會對鍋爐燃燒產生太大的影響,配煤摻燒的原則是分磨摻燒,不建議在煤場混煤摻燒。另外,摻燒白音華褐煤時把入廠煤的灰熔點作為混煤摻燒的依據,防止摻燒導致爐膛結焦。低負荷工況,灰分含量較大的褐煤不宜多摻燒,防止鍋爐折焰角斜坡積灰。推薦不同負荷工況鍋爐運行氧量及風門開度調整如圖10 所示。其中II、HH、GG 開度始終為0,EE 風門開度在10%~20%,根據具體負荷而定,負荷高取上限值,SOFA 擺角始終保持50%。
圖10 不同負荷工況鍋爐運行氧量及風門開度調整
AB 磨摻燒白音華褐煤,試驗期間沒有供熱,機組最高帶300 MW 負荷,鍋爐880 t/h 出力,測試不同負荷下NOx 排放情況。試驗結果如圖11 所示,鍋爐860 t/h 蒸發(fā)量以下負荷,SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx 排放值相差不大,排放值較高,低氮燃燒的效果不明顯,運行氧量偏高,燃盡風開度較小,只有調整氣溫偏差時#2 角和#3 角燃盡風開度在20%左右。
圖11 AB 磨摻燒白音華褐煤NOx 排放情況
脫硝催化劑不變的情況下,高硫煤摻燒SO2/SO3轉化率基本沒有增加,轉化量會有所增大。脫硝劑用量沒有明顯變化,氨逃逸沒有明顯變化。
ABC 磨摻燒白音華褐煤,試驗期間機組帶有供熱,機組最高帶320 MW 負荷、鍋爐980 t/h 出力,測試不同負荷下SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx 排放情況。試驗結果如圖12 所示,與AB磨摻燒白音華褐煤相比,鍋爐出力相差不大的工況,SCR 脫硝系統(tǒng)入口NOx 排放相差不大,最大負荷工況,運行氧量相對低些,NOx 排放相對減少。同樣,燃盡風開度較小,低氮燃燒的效果不明顯,運行氧量偏高。
圖12 ABC 磨摻燒白音華褐煤NOx 排放情況
本次試驗分兩個階段進行。機組檢修前主要是少量摻燒,煤場混煤,摻燒比例在30%左右,運行歷史曲線表明,此時脫硫入口SO2濃度最高2 500 mg/Nm3。機組檢修后,通過分磨摻燒的方式進行大比例高硫煤摻燒試驗,首先進行AB 磨摻燒白音華高硫褐煤試驗,然后進行ABC 磨摻燒白音華高硫褐煤試驗,結果表明300 MW 負荷工況白音華高硫褐煤摻燒比例最高達到60%。如果ABCD 4 臺磨運行,摻燒比例可以達到75%,不推薦ABC 3 臺磨運行的100%摻燒模式。試驗期間機組300 MW 負荷工況,脫硫入口SO2濃度最高達到3 400 mg/Nm3,在不投入脫硫增效劑的情況下,已經超出脫硫塔的最大設計上限,此時,脫硫塔出口SO2濃度接近環(huán)保排放的上限值。試驗期間的運行歷史曲線表明:隨著入爐煤含硫量的不同,脫硫塔入口SO2濃度相差較大。
(1)AB 2 臺磨和ABC 3 臺磨摻燒高硫煤的效果較好,在氧量控制合適、配風合理的情況下,沒有結焦。最佳的摻燒方式是ABC 3 臺磨摻燒白音華高硫煤,這種磨組合方式運行比較靈活,滿負荷或者大負荷工況4 臺~5 臺制粉系統(tǒng)運行,ABC 3 臺磨可以全燒白音華高硫煤;中間負荷工況4 臺制粉系統(tǒng)運行,可以采用ABCD、ABDE、BCDE、ABCE 等磨組合方式;低負荷工況,3 臺制粉系統(tǒng)運行,兼顧再熱蒸汽溫度偏低的問題,可以停A、B、C 任何一個制粉系統(tǒng),磨組合方式靈活,有調整的余地。
(2)不建議4 臺制粉系統(tǒng)摻燒高硫煤運行,另外不推薦DE 磨摻燒高硫煤,尤其是灰熔點較低、灰分含量較大的白音華高硫褐煤。從試驗結果看,在3 臺磨摻燒高硫煤的時候,到脫硫塔入口SO2濃度達到3 400 mg/Nm3,雖然這個時候還有1臺漿液泵備用(故障),但是引風機全壓已經接近失速區(qū),系統(tǒng)阻力的任何擾動都可能導致引風機失速。
(3)白音華高硫褐煤摻燒試驗結果表明滿負荷工況白音華高硫褐煤摻燒比例達到60%。如果ABCD 4 臺磨運行,摻燒比例達到75%,不推薦ABC 3 臺磨運行的100%摻燒模式。3臺磨摻燒試驗期間脫硫入口SO2濃度最高達到3 400 mg/Nm3,在不投入脫硫增效劑的情況下,已經超出脫硫塔的最大設計上限,脫硫塔出口SO2濃度在環(huán)保排放標準的上限運行。
(4)爐膛溫度測試表明2 臺磨摻燒高硫褐煤和3 臺磨摻燒高硫褐煤差別不大。滿負荷工況下爐膛出口1 240 ℃左右,爐膛火焰中心測試最高溫度1 440 ℃左右,冷灰斗溫度970 ℃左右。鍋爐爐膛溫度最高的區(qū)域在主燃燒器區(qū)域上部到燃盡風噴口附近,普遍在1 400 ℃左右。從長時間低負荷深調看,在折焰角部位有積灰現象發(fā)生,隨著運行時間延長,積灰有緩慢增加的趨勢。因此,不建議4 臺制粉系統(tǒng)摻燒低熱值、高灰分的白音華褐煤。
(5)試驗表明不同比例摻燒白音華高硫褐煤對SCR 脫硝系統(tǒng)出口NOx 排放影響不大,脫硝催化劑不變的情況下,高硫煤摻燒SO2/SO3轉化率基本沒有增加,轉化量會有所增加。