1000MW鍋爐摻燒低揮發(fā)分煤研究

銅山華潤電力有限公司 葛強強

燃料成本在電廠生產(chǎn)成本的占比最高，而我廠裝機容量較大，年度煤炭消耗量巨大。隨著煤炭市場價格的不斷攀升，低揮發(fā)分煤與煙煤價差明顯，價格優(yōu)勢越來越大。低揮發(fā)分煤不易著火，摻燒后飛灰及爐渣含碳量大幅上升、鍋爐效率下降。如何在保障鍋爐安全、經(jīng)濟運行的前提下，提高劣質(zhì)煤的摻燒率這一課題亟待開展。如何合理摻燒低揮發(fā)分煤種，保證鍋爐燃燒安全和經(jīng)濟性，我們開展了大量研究試驗。研究低揮發(fā)煤特性，針對其特性制定對應(yīng)措施，取得了顯著成果。

1 低揮發(fā)分煤摻燒影響

我廠2×1000MW超超臨界機組鍋爐采用上海鍋爐廠有限公司設(shè)計制造的3044t/h超超臨界壓力直流鍋爐，型號為SG-3044/27.46-M535，超超臨界參數(shù)、直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、切圓燃燒方式塔式鍋爐。鍋爐采用冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配備6臺型號為ZGM133G的中速磨煤機，是一種中速輥盤式磨煤機，其碾磨部分是由轉(zhuǎn)動的磨環(huán)和三個沿磨環(huán)滾動的固定且可自轉(zhuǎn)的磨輥組成，采用動靜組合式旋轉(zhuǎn)分離器，用以調(diào)整煤粉細(xì)度。額定負(fù)荷下設(shè)計五用一備，正常運行時為上層磨煤機運行。

煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒，采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNTFS）。鍋爐布置12層一次風(fēng)噴嘴，每臺磨煤機引出4根一次風(fēng)管，在爐前分為兩根，分上下噴嘴噴入爐膛；燃燒器分兩組布置，每組布置6層一次風(fēng)噴嘴。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層燃油輔助風(fēng)噴嘴。每相鄰兩層煤粉噴嘴的上方布置了1個組合噴嘴，其中預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴（CFS）和直吹風(fēng)噴嘴各占50%出口流通面積。

鍋爐設(shè)計煤種為揮發(fā)分較高的中等熱值煙煤。近一段時間我廠鍋爐摻燒貧煤、無煙煤的比例擴大，導(dǎo)致鍋爐飛灰含碳量大幅升高，達(dá)到7～8%，對機組鍋爐效率和發(fā)電成本存在較顯著的影響。低揮發(fā)煤種其煤質(zhì)參數(shù)與鍋爐設(shè)計用煤偏差較大，大量摻燒低揮發(fā)煤質(zhì)勢必影響鍋爐安全性、經(jīng)濟性。我廠低揮發(fā)分煤種熱值與揮發(fā)分見表1。

表1 低揮發(fā)煤質(zhì)與鍋爐設(shè)計用煤對比

煤粉顆粒由揮發(fā)分、固定碳、水分和灰分4部分組成，由于揮發(fā)分能在較低溫度下析出和燃燒，因此揮發(fā)分含量越高煤粉越容易著火，也越容易燃盡；反之，揮發(fā)分含量約低煤粉越不容易著火，也不容易燃盡[1]。我廠部分低揮發(fā)分煤質(zhì)含硫量較高，長期摻燒后導(dǎo)致鍋爐各受熱面高溫腐蝕情況較為嚴(yán)重；部分低揮發(fā)煤質(zhì)含氮量較高，長期摻燒后導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)氮氧化物濃度高，噴氨量大、造成氨逃逸偏高，導(dǎo)致煙氣中NH3濃度、SO3的濃度比較高，容易導(dǎo)致空預(yù)器硫酸氫銨堵塞。

大量摻燒低揮發(fā)煤質(zhì)導(dǎo)致鍋爐飛灰含碳量升高較多，影響鍋爐效率和供電煤耗較大。我廠磨組為中速輥式磨，磨煤機設(shè)計可磨系數(shù)（HGI）65，部分低揮發(fā)煤可磨系數(shù)低，導(dǎo)致磨組磨組研磨困難，磨煤機出力下降、石子煤量增大，易發(fā)生堵磨等情況，對制粉系統(tǒng)設(shè)備影響較大。

2 低揮發(fā)煤質(zhì)分析

2.1 開展低揮發(fā)煤種成分分析

我廠委托相關(guān)單位進(jìn)行煤種成分分析，結(jié)果見表2。由表2可知我廠低揮發(fā)分煤揮發(fā)分低、固定碳即發(fā)熱量高、可磨性差，大大偏離設(shè)計煤種。

表2 我廠煤種成分分析結(jié)果

2.2 開展低揮發(fā)煤質(zhì)燃燒特性分析

對我廠煤種進(jìn)行了熱重試驗，由空氣氣氛的等速升溫燃燒的熱重試驗可以得到煤的著火溫度參數(shù)。試驗進(jìn)行50℃/min升溫速率測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分別做出了三種升溫速度的熱重曲線，并做出微商DTG曲線，進(jìn)而得到煤種的著火溫度ti、燃盡溫度th、最大反應(yīng)速率點tmax。對煙煤、貧瘦煤、無煙煤進(jìn)行空氣氣氛下升溫速率50℃/min條件下的燃煤靜態(tài)著火特性及燃盡規(guī)律研究，得到煤的著火溫度、燃盡溫度和最大反應(yīng)點的溫度。煙煤、貧瘦煤、無煙煤的著火溫度、燃盡溫度和最大反應(yīng)點的溫度分別見圖1、圖2和圖3。

圖1 煙煤著火溫度、燃盡溫度和最大反應(yīng)點的溫度

圖2 貧瘦煤著火溫度、燃盡溫度和最大反應(yīng)點的溫度

圖3 無煙煤著火溫度、燃盡溫度和最大反應(yīng)點的溫度

試驗結(jié)果如下：煙煤著火溫度ti為480℃，燃盡溫度th為783℃，燃燒反應(yīng)最大反應(yīng)速率點tmax為629℃；貧瘦煤煤著火溫度ti為568℃，燃盡溫度th未測出，燃燒反應(yīng)最大反應(yīng)速率點tmax為655℃；無煙煤著火溫度ti為606℃，燃盡溫度th未測出，燃燒反應(yīng)最大反應(yīng)速率點tmax為699℃。由試驗結(jié)果可知，我廠低揮發(fā)分煤較煙煤著火、燃盡困難，燃燒反應(yīng)所需溫度高，無法有效燃盡。

2.3 低揮發(fā)煤燃燒動力學(xué)特性

委托華北電力大學(xué)對我廠各煤種進(jìn)行燃燒動力學(xué)試驗，確定各類煤質(zhì)燃盡時間。試驗結(jié)果見圖4。1300℃下恒溫?zé)嶂厝紵齽恿W(xué)特性，各煤種燃盡時間分別為煙煤147s、貧瘦煤252s、無煙煤293s。由熱重燃燒動力學(xué)特性試驗結(jié)果可知，我廠低揮發(fā)分煤：貧瘦煤、無煙煤燃盡時間長，已超出煤粉在爐膛內(nèi)停留時間。

圖4 1300℃下恒溫?zé)嶂厝紵齽恿W(xué)特性

3 低揮發(fā)煤摻燒措施

貧煤、無煙煤揮發(fā)分較低，其燃燒速率較煙煤小，需要的燃盡時間較煙煤長，因此最有效的調(diào)整方法是降低磨煤機出口煤粉細(xì)度，一般燃燒貧煤時煤粉細(xì)度R90宜不大于10%。

煤粉在爐膛內(nèi)燃燒時，煤粉燃盡時間受煙氣O2濃度擴散與燃燒溫度控制。貧煤、無煙煤屬于揮發(fā)分偏低的煤種，根據(jù)熱重分析數(shù)據(jù)，其著火溫度、最大燃燒速率溫度與燃盡溫度都明顯高于煙煤?；鹧鏈囟葘γ悍廴紵俾实挠绊懘笥跓煔釵2濃度，因此提高火焰溫度是配風(fēng)調(diào)整的重點。由于煤粉射流在爐膛中存在強烈的旋轉(zhuǎn)擴散，配風(fēng)的影響在空間上有限，初期著火穩(wěn)定與火焰溫度影響較大，所以燃燒貧煤的燃燒器應(yīng)減少一次風(fēng)速、提高一次風(fēng)溫、減小周界風(fēng)一次風(fēng)量。為維持一次風(fēng)火焰著火初期的燃燒溫度，應(yīng)推遲一次風(fēng)射流與二次風(fēng)射流的混合，適當(dāng)減少摻燒貧煤、無煙煤的噴嘴的上下二次風(fēng)射流風(fēng)速。

在摻燒貧煤、無煙煤時制粉系統(tǒng)調(diào)整與配風(fēng)調(diào)整的目的都是提高燃燒火焰溫度，減少冷卻風(fēng)量，調(diào)整的效果是降低主燃燒器區(qū)域燃燒過量空氣系數(shù)，提高主燃燒器區(qū)域爐膛火焰溫度。因此下爐膛吸熱增加，主燃燒器區(qū)域生成的煙氣NOx濃度有所降低，一級再熱器進(jìn)口煙溫下降，對再熱蒸汽溫度存在下降的影響[2]。

摻燒方式：低揮發(fā)分煤摻燒比例為1：1，如果摻燒量大于50%，鍋爐安全和經(jīng)濟性很差。為保證鍋爐燃燒安全，延長煤粉在爐內(nèi)的燃燒時間，低揮發(fā)煤質(zhì)加入鍋爐下層制粉系統(tǒng)，延長燃燒距離，提高燃燒時間。以CDEF磨運行方式為例，CD摻燒低揮發(fā)煤種。

氧量：適當(dāng)提高氧量設(shè)定值，較高的氧量有利于低揮發(fā)煤的充分燃燒。但是較高氧量同時帶來NOx生成量多以及風(fēng)機耗電率高。

二次風(fēng)配風(fēng)：對于摻燒低揮發(fā)煤的制粉系統(tǒng)，對應(yīng)二次風(fēng)擋板應(yīng)適當(dāng)關(guān)小，摻燒低揮發(fā)煤磨周界風(fēng)開度為10%～20%，上下二次風(fēng)輔助關(guān)小15～20%。

制粉系統(tǒng)調(diào)整：提高磨煤機出口溫度至95～100℃；開展各臺磨分離器轉(zhuǎn)速——煤粉細(xì)度標(biāo)定試驗，將每臺磨煤機分離器轉(zhuǎn)速與煤粉細(xì)度進(jìn)行標(biāo)定。提高分離器轉(zhuǎn)速，控制煤粉細(xì)度R90不大于10%；適當(dāng)降低一次風(fēng)壓和低揮發(fā)煤摻燒磨一次風(fēng)量，降低風(fēng)煤比；采用上海外高橋第三發(fā)電有限公司首創(chuàng)的廣義回?zé)峒夹g(shù)來提高熱風(fēng)溫度[3]，以解決低負(fù)荷下粒徑較大，燃燒速率較慢的問題[4]。

其它：對于可磨性系數(shù)HGI低于50的低揮發(fā)煤種，不應(yīng)采購進(jìn)廠；堅持不跨越煤種的原則，即設(shè)計燃燒煙煤的鍋爐不能摻燒無煙煤；摻燒時不宜采取貧煤與煙煤摻混加倉方式，特別不能采用貧煤和高揮發(fā)分煙煤或褐煤摻混加倉方式；對研磨貧煤的磨煤機應(yīng)適當(dāng)縮短定期檢修周期，可以考慮磨輥、襯瓦堆焊比較耐磨的材料，提高磨煤機的研磨出力和延長磨煤機定檢周期[5]。我廠將一臺ZGM133G中速磨煤機改造為陶瓷磨輥，該套陶瓷磨輥安全可靠、研磨效率高，耐磨性能遠(yuǎn)高于原材料，有利于降低低揮發(fā)煤種的煤粉細(xì)度；長期摻燒貧煤時，宜在合適的時間進(jìn)行制粉系統(tǒng)調(diào)整試驗，摸清制粉系統(tǒng)煤粉狀況，減小一次風(fēng)煤粉濃度與細(xì)度分布的偏差；在鍋爐檢修后進(jìn)行一次風(fēng)調(diào)平試驗，減少一次風(fēng)速分布偏差。

效果對比：鍋爐未摻燒低揮發(fā)煤時，飛灰及爐渣含碳量量＜2%，摻燒50%量低揮發(fā)煤調(diào)整前7.3%，調(diào)整后3.9%；磨煤機單耗升高了約10%，送風(fēng)機單耗升高了約5%，引風(fēng)機單耗升高了約6%；摻燒低揮發(fā)煤調(diào)整前后液氨單耗降低了約7%。

4 結(jié)語

低揮發(fā)分煤摻燒初期，飛灰含碳量、液氨單耗大幅升高，鍋爐效率降低，機組煤耗上升。通過多次對低揮發(fā)分煤種進(jìn)行聯(lián)合檢測研究，掌握其特性，并針對其特性制定多項舉措，取得了很大成果。低揮發(fā)分煤摻燒比例在50%以下，通過燃燒調(diào)整，鍋爐的燃燒安全穩(wěn)定，經(jīng)濟性得到很大提升。