1 030 MW機(jī)組鍋爐超溫與低水澳煤相關(guān)性研究

朱青國，郭文廣，徐書德，謝增孝，俞建楠，鄭水明，楊建國

（1.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316131；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3.浙江省能源集團(tuán)有限公司煤炭及運(yùn)輸分公司，杭州 311121）

0 引言

近年來雖然受到環(huán)保政策的影響，我國煤炭消費(fèi)有所降低，但燃煤電廠煤炭使用量依然在短時間內(nèi)難以減少［1］。澳大利亞煤炭（以下簡稱“澳煤”）儲量占世界第4位，大多數(shù)出口澳煤屬優(yōu)質(zhì)煙煤，2019 年中國進(jìn)口澳煤占煤炭總進(jìn)口量的四分之一，2020 年前8 個月澳煤進(jìn)口量已相當(dāng)于2019年全年進(jìn)口量的91.5%［2］。我國一般以內(nèi)水6%為指標(biāo)將澳煤分為高水澳煤和低水澳煤［3］。高水澳煤燃燒特性與我國神混煤或蒙煤相似，優(yōu)于優(yōu)混煤，低水澳煤燃燒特性與優(yōu)混煤相似，但澳煤煤化程度較高，可磨性較差［4］。張海丹［5］等利用TGA-FTIR（熱重-紅外聯(lián)用）技術(shù)，對比了蒙混煤和富動24 煤，認(rèn)為低水分和較高灰分的特點(diǎn)是低水澳煤難燃盡以及燃盡溫度較高的原因。陳立明［6］指出澳煤因其內(nèi)在水分較高可以增大空氣與煤粉的接觸面積，更易燃盡，同時提高磨煤機(jī)出口溫度，有利于煤粉著火與燃盡，但進(jìn)口澳煤不同批次煤質(zhì)指標(biāo)差異較大，不同礦點(diǎn)不同批次的澳煤需要相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整方法。

與高水澳煤相比，低水澳煤產(chǎn)量大，在長時間通關(guān)情況下自燃風(fēng)險低、損耗小，因而更適合發(fā)電企業(yè)大規(guī)模使用。華曉宇［7］等人基于ASME和GB兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出摻燒澳煤后的效率略高于全燒優(yōu)混煤的效率。李沙［8］等進(jìn)行了600 MW機(jī)組鍋爐摻燒澳煤飛灰含碳量測試，認(rèn)為低水澳煤的煤質(zhì)和灰熔點(diǎn)與我國優(yōu)混類煤相當(dāng)，實(shí)際燃燒過程中的著火特性較接近，但存在燃燒過程長、燃盡性差、飛灰含碳量增加、減溫水量增加、鍋爐排煙溫度偏高等問題，給發(fā)電廠摻燒的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來較大影響。煤粉粒徑對煤燃燒性能有很大影響，煤粉粒度減小，燃燒性能明顯改善，煤粉燃燒更快、更徹底［9-10］。而在澳煤摻燒時，由于澳煤硬度較高，煤粉偏粗，不易燃盡，且隨著澳煤摻燒比例增加，石子煤排量增加，飛灰含碳量偏高，NOX生成量有所增加，過熱器、再熱器減溫水量上升明顯［11］。富氧燃燒雖有利于降低NOX生成，提高燃盡率［12］，但常規(guī)應(yīng)用存在一定難度。

某1 030 MW超超臨界機(jī)組鍋爐長期摻燒低水澳煤，鍋爐存在受熱面超溫問題，基于已有文獻(xiàn)對低水澳煤的認(rèn)識，懷疑鍋爐受熱面超溫是燃用低水澳煤所導(dǎo)致。本文通過鍋爐摻燒試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)分析，研究相應(yīng)的解決方案。

1 存在的問題及試驗(yàn)分析

1.1 設(shè)備概況

某臺1 030 MW 超超臨界機(jī)組配備B&WB-3048/26.15-M燃煤鍋爐，燃燒系統(tǒng)為前后墻對沖燃燒系統(tǒng)，制粉系統(tǒng)為中速磨煤機(jī)正壓直吹式系統(tǒng)，配置6臺HP1163/Dyn型中速磨煤機(jī)，每臺磨煤機(jī)出口分為4根煤粉管道，每根煤粉管道再一分為二，共8根煤粉管道，對應(yīng)鍋爐的一層8只燃燒器。燃燒器標(biāo)識為：前墻由下到上分別為B、D、C層，后墻由下到上分別為A、F、E層。

1.2 運(yùn)行問題

運(yùn)行人員反映鍋爐存在受熱面超溫的問題，主要表現(xiàn)為高溫再熱器（以下簡稱“高再”）超溫較為頻繁，屏式過熱器（以下簡稱“屏過”）和后屏過熱器（以下簡稱“后屏”）也存在一定的超溫機(jī)率，雖然通過減溫水量和風(fēng)量調(diào)整可以控制，但也給運(yùn)行安全帶來一定的隱患，而且時常導(dǎo)致過熱器和再熱器減溫水量偏高。由于低水澳煤為機(jī)組常用摻燒煤種，結(jié)合已有研究普遍認(rèn)為低水澳煤存在相對難以燃盡的特性，因此認(rèn)為鍋爐存在的問題是由低水澳煤引起，有必要開展針對燃用低水澳煤的優(yōu)化研究。

1.3 鍋爐試驗(yàn)分析

首先進(jìn)行了澳煤摻燒的摸底試驗(yàn)，對比分析不同煤種及其摻燒方式與摻燒量對鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響，試驗(yàn)煤種、煤質(zhì)見表1。由于低水澳煤煤質(zhì)與優(yōu)混煤接近，一般將低水澳煤作為優(yōu)混煤的替代煤種，因此采用優(yōu)混煤作為對比煤種。試驗(yàn)工況見表2，僅改變?nèi)霠t煤種及其摻燒比例，各工況的試驗(yàn)負(fù)荷為1 030 MW，SCR（選擇性催化還原法）脫硫系統(tǒng)入口氧量控制在3%左右，保持燃燒器旋流角、風(fēng)門開度、燃盡風(fēng)率等配風(fēng)方式不變，保持磨煤機(jī)投運(yùn)方式一致且各磨煤機(jī)給煤量均等，穩(wěn)定2 h后開始測試?？疹A(yù)器出口溫度、氧量、CO濃度采用網(wǎng)格法測量，飛灰含碳量利用撞擊式飛灰采樣裝置采樣。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 摻燒試驗(yàn)煤種煤質(zhì)

表2 澳煤摻燒試驗(yàn)煤種及配比情況

由表3可知，用低水澳煤替代優(yōu)混煤并逐漸增加摻燒量，鍋爐煙氣參數(shù)和減溫水量并沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化，甚至低水澳煤有更好的表現(xiàn)趨勢。屏過、后屏、高再的壁溫上限報(bào)警值分別為563 ℃、606 ℃、629 ℃，工況1、工況2、工況4中高再出現(xiàn)了偶發(fā)性、短時間的管壁超溫情況，但是根據(jù)摻燒工況排列來看，超溫與低水澳煤的摻燒沒有明顯的相關(guān)性和規(guī)律性。

在鍋爐四周觀火孔用紅外高溫儀測量爐膛溫度，每個爐膛標(biāo)高的煙溫取平均值，得到爐膛溫度分布曲線如圖1所示。圖1中爐膛溫度測量起始點(diǎn)（43.2 m）位于燃盡風(fēng)（40.8 m）上部，前屏底部標(biāo)高58.7 m。從圖1的總體趨勢可以看出，摻燒優(yōu)混煤時的爐膛溫度相對最高，摻燒兩倉低水澳煤時的爐膛溫度相對最低，摻燒一倉、三倉時的爐膛溫度反而基本相近。雖然不同工況的爐膛溫度有一定差異，但總體上各工況的爐膛溫度差異并不太大，均值偏差僅在±40 ℃范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為，爐膛溫度的差異與低水澳煤的摻燒沒有明顯的相關(guān)性和規(guī)律性。

圖1 爐膛溫度分布

在同一臺磨煤機(jī)上，對低水澳煤、優(yōu)混煤分別進(jìn)行煤粉細(xì)度測試。保持給煤量、風(fēng)煤比、磨煤機(jī)出口溫度、動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速基本一致，在8根煤粉管道內(nèi)采用等速取樣法和網(wǎng)格法采集煤粉，8個煤粉樣混合后分析煤粉細(xì)度，得到低水澳煤和優(yōu)混煤的R90分別為13.28%和15.93%、R200分別為0.75%和0.77%。結(jié)果表明，兩種煤的煤粉細(xì)度基本相近，低水澳煤的煤粉細(xì)度反而略小。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，鍋爐運(yùn)行存在的問題與所試驗(yàn)的煤種沒有明顯相關(guān)性，問題可能來自于鍋爐自身特性，但也不能排除試驗(yàn)煤批次的偶然性。因此調(diào)整原計(jì)劃的試驗(yàn)內(nèi)容，選擇多個不同批次的煤，進(jìn)一步進(jìn)行不同煤的差異性實(shí)驗(yàn)，從而論證鍋爐試驗(yàn)得出的受熱面超溫與燃用低水澳煤的相關(guān)性。

2 煤種燃燒特性與制粉特性實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)煤種和煤質(zhì)分析

為了對比分析不同批次澳煤的差異性，陸續(xù)采集了3 個批次低水澳煤、3 個批次優(yōu)混煤和1 個蒙煤的原煤樣。實(shí)驗(yàn)煤樣及其煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 燃燒特性及制粉特性實(shí)驗(yàn)煤種煤質(zhì)

2.2 熱重分析

熱分析采用德國NETZSCH的STA449C熱天平，質(zhì)量分辨率為0.1 μg。采用Al2O3坩堝，煤樣細(xì)度為90 μm，裝樣質(zhì)量為10±0.1 mg。實(shí)驗(yàn)氣氛為空氣，空氣流量190 mL/min，升溫速度15 ℃/min，實(shí)驗(yàn)溫度范圍為50 ℃～700 ℃。

熱重分析得到TG-DTG（熱重-微商熱重）曲線，如圖2所示。根據(jù)熱重曲線得到著火溫度、燃盡溫度和最大失重速率見表5，其中著火溫度采用TG曲線切線法［13-14］分析，燃盡溫度為煤中可燃物燒掉98%時所對應(yīng)的溫度［15］，最大失重速率為DTG 曲線的峰值，即最大燃燒速度。根據(jù)表5 結(jié)果可知，低水澳煤與優(yōu)混煤相比，總體燃燒過程基本一致，著火溫度相當(dāng)、燃盡溫度較高、最大燃燒速度較略低，兩者均明顯比蒙煤難燃。

表5 實(shí)驗(yàn)煤樣的燃燒特性參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)煤樣的熱重曲線

2.3 磨煤特性實(shí)驗(yàn)分析

通過現(xiàn)場試驗(yàn)可知，低水澳煤與優(yōu)混煤可磨性相近，且略優(yōu)于優(yōu)混煤，這與常規(guī)所認(rèn)知的低水澳煤較難磨有較大出入。因此，進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室自設(shè)計(jì)的磨煤特性實(shí)驗(yàn)，研究煤在磨制過程中的煤粉細(xì)度變化過程。

磨煤特性采用實(shí)驗(yàn)室用碗式磨煤機(jī)，最大磨煤量200 g。將5 kg 原煤樣攪拌均勻后縮分出1 kg原煤樣，用破碎機(jī)破碎至1 mm，在45 ℃下進(jìn)行烘干，烘干時間大于2 d。在烘干后的煤樣中分散多點(diǎn)采集共100±0.1 g 進(jìn)行磨煤，每次磨制時間為10 s，每次磨制后進(jìn)行R90、R200篩分，然后將粒徑大于R90的煤樣再次磨制10 s，每個煤樣重復(fù)磨制4次，最終獲得不同磨制時間的煤粉量變化趨勢。

磨煤特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，將低水澳煤和優(yōu)混煤的數(shù)據(jù)分別取均值，如表6所示。由圖3和表6 可以看出，磨制時間較短（小于或等于20 s）時，低水澳煤的R90和R200與優(yōu)混煤相近，或略高于優(yōu)混煤；當(dāng)磨制時間較長時，低水澳煤的煤粉細(xì)度明顯小于優(yōu)混煤，3個批次的低水澳煤具有相近的磨煤特性規(guī)律。由此驗(yàn)證了實(shí)際磨煤機(jī)煤粉細(xì)度的可信度，從而確定了鍋爐超溫與低水澳煤的煤粉細(xì)度基本無關(guān)。

表6 各煤樣磨煤特性均值

圖3 各批次煤樣磨煤特性

為了排除原煤中粉煤占比對磨煤過程的影響，進(jìn)行了原煤樣篩分對比實(shí)驗(yàn)。將原煤樣混合均勻，多點(diǎn)取出共100 g，用孔徑1 mm的篩子進(jìn)行篩分，得到原煤樣的粉煤占比如圖4所示。根據(jù)圖4結(jié)果可知，低水澳煤原煤中的粉煤含量相對較低，說明原煤中粉煤占比不是影響煤樣磨煤特性的關(guān)鍵因素。

圖4 磨煤特性原煤樣初始粒徑比較

綜上所述，對比3個批次低水澳煤和3個批次優(yōu)混煤后發(fā)現(xiàn)，其著火溫度和磨煤特性基本相近，低水澳煤的燃盡性較差。但是由于總體燃燒過程基本一致，可以認(rèn)為兩種煤燃燒的主體放熱過程不會有太大差異，低水澳煤燃燒后期小比例難燃碳的燃燒在理論上可能會使?fàn)t膛上部煙溫升高，但是煙溫升高幅度不足以發(fā)生顯著差異，驗(yàn)證了鍋爐試驗(yàn)結(jié)果的可信度。因此，根據(jù)鍋爐試驗(yàn)的結(jié)果，基本可以確定鍋爐運(yùn)行的超溫問題與燃用低水澳煤沒有明顯的相關(guān)性。

3 結(jié)論

低水澳煤燃盡性較差，鍋爐摻燒低水澳煤時存在受熱面超溫問題。因此，通過鍋爐摻燒試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室分析，診斷超溫問題與低水澳煤的相關(guān)性，得出結(jié)論如下：

1）將低水澳煤替代優(yōu)混煤進(jìn)行對比摻燒試驗(yàn)，并逐漸增加低水澳煤摻燒比例，試驗(yàn)結(jié)果表明鍋爐受熱面超溫與摻燒低水澳煤及其比例沒有明顯的相關(guān)性。

2）為排除煤種批次的偶然性，進(jìn)行了7個不同煤樣的對比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。熱重分析表明：低水澳煤的著火溫度與優(yōu)混煤相近，燃盡溫度高于優(yōu)混煤，但是由于兩者總體燃燒過程基本一致，認(rèn)為少量難燃成分不足以使?fàn)t膛上部煙溫升高幅度發(fā)生顯著差異。

3）通過鍋爐實(shí)際煤粉細(xì)度測試和實(shí)驗(yàn)室磨煤特性實(shí)驗(yàn)均得出：低水澳煤的磨煤特性與優(yōu)混煤沒有顯著性差異，反而總體上略優(yōu)于優(yōu)混煤。

4）綜合分析得出，鍋爐運(yùn)行所存在的超溫問題與燃用低水澳煤沒有明顯相關(guān)性，燃用低水澳煤可能會使受熱面超溫略趨于嚴(yán)重，但不是發(fā)生超溫問題的關(guān)鍵因素。