基于過熱蒸汽干燥開式制粉的燃準東煤發(fā)電技術*

馬有福 王 濤 呂俊復 王子睿 馬友方

(1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，200093 上海；2.清華大學能源與動力工程系，教育部熱科學與動力工程重點實驗室，100084 北京)

0 引 言

煤炭占我國一次能源消費比例70%左右,統(tǒng)計顯示2020年我國燃煤發(fā)電量為4.63萬億千瓦時,占全國總發(fā)電量的60.6%[1]。隨著煤炭資源的消耗,優(yōu)質(zhì)煤日益減少,劣質(zhì)煤利用比重不斷升高[2]。準東煤預測儲量為3 900億t,已探明儲量為2 136億t,占全國煤炭儲量約7%,是具有代表性的劣質(zhì)煤。準東煤揮發(fā)分高、灰分低,因而易著火且易燃盡,燃燒性能較優(yōu),但同時全水分高(質(zhì)量分數(shù)為25%左右),因此發(fā)熱量較低,直吹式制粉系統(tǒng)干燥困難,鍋爐熱效率偏低[3-5]。為落實“節(jié)約、清潔、安全”的國家能源戰(zhàn)略,使煤電機組兼具基礎性與靈活性,有必要深入研究準東煤高效發(fā)電的新途徑、新技術。

以往研究已表明,對高水分煤種進行預干燥可提高燃煤機組發(fā)電效率,獲得顯著節(jié)能及減排效益[6]。然而,無論是煙氣預干燥技術[7-9]還是過熱蒸汽預干燥技術[10-12],均在鍋爐島之外設置獨立的煤炭預干燥系統(tǒng),這使燃煤電廠工藝系統(tǒng)過于復雜,預干燥裝置運行的安全可靠性較低,因而難以推廣應用。因此,筆者曾提出爐煙干燥開式制粉燃燒技術[13-16],通過充分利用電廠原有磨煤機的干燥功能,有效地解決了高水分煤種的穩(wěn)燃性能差、發(fā)電效率低等問題,而且乏氣中水分的回收使電廠水耗明顯減少。

爐煙干燥開式制粉燃燒技術避免了在鍋爐島之外設置獨立的煤炭預干燥系統(tǒng)。與煙氣或過熱蒸汽預干燥技術相比，電廠工藝系統(tǒng)大幅簡化，干燥裝置運行可靠性明顯改善，同時機組熱經(jīng)濟性提高。與常規(guī)直吹式制粉系統(tǒng)相比，開式制粉系統(tǒng)內(nèi)需增設煤粉收集器和煤粉倉等設備。因高水分煤種的煤粉往往揮發(fā)分較高、自燃和爆炸風險較高，故制粉系統(tǒng)運行安全性成為該技術付諸應用的主要顧慮。而制粉安全是過熱蒸汽干燥的突出優(yōu)點，故筆者提出基于過熱蒸汽干燥開式制粉的燃煤發(fā)電技術(多項發(fā)明專利已獲授權[17-19])。本研究以某660 MW燃準東煤超臨界發(fā)電機組為對比機組，設計了過熱蒸汽干燥開式制粉發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程，計算并分析了采用該技術的節(jié)能、節(jié)水及環(huán)保效益。

1 過熱蒸汽干燥制粉燃煤發(fā)電技術

1.1 發(fā)電系統(tǒng)及其工作原理

圖1所示為針對高水分準東煤提出的基于過熱蒸汽干燥開式制粉系統(tǒng)鍋爐(superheated-steam-dried open-pulverizing-system boiler，SSD-OPSB)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 基于過熱蒸汽干燥開式制粉的燃準東煤發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Zhundong-coal-fired power generation process based on SSD-OPSB1—Raw coal bunker；2—Coal feeder；3—Coal miller；4—Coarse grain separator；5—Pulverizing pipeline；6—Pulverized-coal collector；7—Pulverized-coal bunker；8—Pulverized-coal feeder；9—Mill-exhaust-steam；10—Recycling exhaust-steam；11—Exhaust-steam air preheater；12—Exhaust-steam heater；13—Air preheater and exhaust-steam preheater；14—Main steam；15—Reheat steam；16—Steam turbine；17—Generator；18—Condenser；19—Condensate pump；20—Condensate pipe；21—Water feed pump；22—Forced draft fan；23—Dust collector；24—Induced draft fan；25—Warm air pipe；26—Warm air booster fan；27—Air mixing chamber；28—Exhaust-steam booster fan；1#-8#—Heaters

與爐煙干燥開式制粉燃煤發(fā)電技術相比，SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術的主要創(chuàng)新在于以過熱蒸汽作為制粉系統(tǒng)干燥和輸送介質(zhì)。蒸汽與煤粉在進入磨煤機后進行汽粉分離。分離后的一部分蒸汽通過乏汽再熱器(exhaust-steam preheater)加熱至一定溫度后再進入磨煤機，作為煤粉干燥與輸送介質(zhì)進行閉式再循環(huán)；另一部分因煤中水分蒸發(fā)而增加的蒸汽排出制粉系統(tǒng)，通過暖風器(exhaust-steam air preheater)和乏汽加熱器(exhaust-steam heater)對這部分乏汽的潛熱和水分進行回收。再循環(huán)乏汽(recycling exhaust-steam)通過鍋爐尾部煙氣余熱加熱至一定溫度，使蒸汽熱能滿足原煤在制粉系統(tǒng)內(nèi)干燥的要求。同時，控制磨煤機出口溫度高于蒸汽露點，確保煤粉流動順暢。與過熱蒸汽預干燥燃煤發(fā)電技術相比，SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術利用電廠原有的磨煤機作為干燥機，取消了煤炭預干燥系統(tǒng)，電廠工藝系統(tǒng)大幅簡化，工程可行性更佳。

SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術的特點為：

1) 以過熱蒸汽為干燥介質(zhì)，制粉系統(tǒng)處于充分惰化氣氛，安全性高，打消了對開式制粉系統(tǒng)運行安全性的顧慮。以閉式循環(huán)蒸汽為干燥劑，避免了從鍋爐抽取高溫爐煙，從而大幅簡化鍋爐設計、降低鍋爐制造成本、提高鍋爐運行靈活性；

2) 通過帶有高效分離煤粉收集器的開式制粉，使蒸發(fā)的水分不進入爐膛，解決了燃燒高水分煤種鍋爐爐溫低、穩(wěn)燃差、煙量大和熱效率低等問題；

3) 磨煤機出口乏汽為純蒸汽，通過乏汽熱能及水分回收，乏汽潛熱被回收至鍋爐和汽輪機的回熱系統(tǒng)，從而明顯提高了鍋爐熱效率和全廠供電效率，同時回收水分可用于燃煤電廠脫硫以及除塵過程中的水耗，從而減小電廠水耗，具有環(huán)保效益。

1.2 高效燃煤發(fā)電系統(tǒng)可行性分析

本發(fā)電系統(tǒng)的創(chuàng)新點主要為將過熱蒸汽干燥和開式制粉系統(tǒng)相結合。關于燃煤電廠應用開式制粉系統(tǒng)的可行性，已在文獻[13]予以分析。燃煤過熱蒸汽干燥系統(tǒng)的工作原理見圖2(即為熟知的WTA(steam fluidized bed drying with internal heat utilization)燃煤發(fā)電技術，已在德國Frechen電廠和Niederaubem電廠建成并投產(chǎn)運行多年[20])。SSD-OPSD燃煤發(fā)電技術與WTA燃煤發(fā)電技術區(qū)別為：WTA燃煤發(fā)電技術采用流化床干燥機，SSD-OPSB系統(tǒng)以電廠原有磨煤機作為干燥機；從傳熱干燥及煤粉輸送能力，可用過熱蒸汽替代熱風作為磨煤機干燥介質(zhì)；蒸汽與煤粉分離的煤粉收集器，可借鑒WTA燃煤發(fā)電技術的運行經(jīng)驗選取。

圖2 燃煤過熱蒸汽干燥制粉原理Fig.2 Schematic of superheated-steam-dried coal pulverizing

利用鍋爐尾部煙氣的熱能再熱制粉，不僅不會對原有電廠蒸汽熱力循環(huán)造成影響，而且還會使鍋爐排煙溫度降低，實現(xiàn)鍋爐排煙余熱高質(zhì)量回收。借鑒目前廣泛應用的低溫省煤器技術，本研究中鍋爐排煙溫度設計為90 ℃，初步將乏汽再熱器與空氣預熱器(air preheater)耦合在一起(即采用三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器)，同步實現(xiàn)煙氣加熱空氣和蒸汽。

1.3 熱經(jīng)濟性分析模型

1.3.1 鍋爐熱經(jīng)濟分析模型

Qin=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6(1)

式中:Qin為鍋爐輸入熱量,通常為原煤的收到基低位發(fā)熱量Qar,net,k J/kg;Q1～Q6分別為鍋爐有效利用熱量、排煙熱損失、可燃氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失、鍋爐散熱損失、灰渣和冷卻水熱損失,kJ/kg。由此對SSD-OPSB 機組進行熱平衡分析(如圖3所示)。

與常規(guī)燃煤電站鍋爐相比,SSD-OPSB 機組的熱經(jīng)濟性變化主要在兩方面:一是因排煙溫度降低至90℃,鍋爐排煙熱損失Q2減小;二是因鍋爐送風回收了一部分乏汽凝結潛熱(可視為外來熱量),使鍋爐輸入熱量Qin增大。為簡化分析,假定其他鍋爐熱損失均不變。

由圖3 可 知SSD-OPSB 機 組 的Q2由 兩 部 分組成:

Q2=Q′2+Q″2(2)

式中:Q′2和Q″2分別為排煙和乏汽對應的排氣熱損失,kJ/kg。根據(jù)文獻[13]中所述煙氣特性計算方法,可確定出SSD-OPSB 機組的排煙熱損失q2(即Q2/Qin×100%)較之于對比機組的排煙熱損失q2降低Δq2。因此由q2降低帶來的SSD-OPSB 機組節(jié)煤量Δbs1按式(3)確定:

式中:Δq2為與對比機組相比SSD-OPSB機組的q2減小量,%;ηb 為對比機組的鍋爐熱效率,%;bs為對比機組的發(fā)電標準煤耗量,287.6 g/(k W·h)。

圖3 SSD-OPSB機組熱平衡Fig.3 Schematic diagram of heat balance of SSD-OPSB unit

由暖風器回收一部分乏汽的凝結潛熱而帶來的外來熱量ΔQin可按式(4)確定:

ΔQin=r·ΔMa(4)

式中:ΔQin為外來熱量,kJ/kg;r 為蒸汽的凝結潛熱,kJ/kg;ΔMa為對應于每千克原煤在乏汽暖風器中凝結的蒸汽量,kg/kg。因此由Qin增大帶來的SSD-OPSB機組節(jié)煤量Δbs2(g/(k W·h))按式(5)確定:

1.3.2 汽輪機熱經(jīng)濟分析模型

原煤水分較高時，暖風器不能完全回收乏汽潛熱，故在暖風器之后設置乏汽加熱器(見圖1)，以實現(xiàn)乏汽余熱及水分的100%回收。乏汽加熱器類似于低壓省煤器，因此由乏汽加熱器所得節(jié)煤效益Δbs3可通過等效焓降法[21]獲得(見式(6))：

(6)

式中：H0為每千克新蒸汽的等效焓降，kJ/kg，本研究中H0=1 185.58 kJ/kg；ΔH為在熱力循環(huán)中設置乏汽加熱器獲得的新蒸汽做功增加量，kJ/kg。

1.3.3 SSD-OPSB燃煤發(fā)電系統(tǒng)的總節(jié)煤效益

總節(jié)煤效益Δbs為：

Δbs=Δbs1+Δbs2+Δbs3

(7)

2 對比機組簡介與高效機組參數(shù)設計

2.1 對比機組簡介

本研究以某660 MW超臨界燃準東煤發(fā)電機組為對比機組，在機組THA(turbine heat accep-tance)工況下進行發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性分析。對比機組設計煤種收到基的碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、灰分(A)、水分(M)、固定碳(FC)和干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)質(zhì)量分數(shù)分別為53.94%，2.63%，9.01%，0.58%，0.75%，9.49%，23.60%，44.91%和32.88%，收到基低位發(fā)熱量為19 550 kJ/kg。在THA工況下，鍋爐燃煤量為284.2 t/h、鍋爐效率為94%、排煙溫度為123.1 ℃、機組發(fā)電煤耗為287.6 g/(kW·h)；汽輪機主蒸汽流量為2 034.5 t/h、發(fā)電功率為660 MW、汽耗率為3.082 kg/(kW·h)、熱耗率為7 920 kJ/(kW·h)。汽輪機回熱系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 汽輪機回熱系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of steam turbine regenerative system

2.2 制粉系統(tǒng)及參數(shù)設計

圖4 所示為對比機組和SSD-OPSB 機組的制粉系統(tǒng)。由圖4a可知,在對比機組中采用中速磨煤機直吹式制粉系統(tǒng),干燥劑初溫為353.7℃,磨煤機出口溫度為65℃,送粉管道的風煤比為1.51 kg/kg。圖4b所示為高效機組采用的過熱蒸汽干燥開式制粉系統(tǒng),其中干燥劑為過熱蒸汽。由圖4b可知,在高效機組中采用過熱蒸汽干燥開式制粉系統(tǒng)。干燥劑為過熱蒸汽,從保證煤粉儲存和輸送安全以及防止揮發(fā)分提前析出造成熱損失的角度,磨煤機出口溫度不宜過高。同時為防止送粉管路中結露堵塞,磨煤機出口溫度也不能過低。綜合考慮上述因素并參考高爐噴吹煤粉工程中對此類制粉系統(tǒng)的設計準則[22],取磨煤機出口溫度為110℃,對應的煤粉水分按文獻[23]中的方法確定。此時干燥劑初溫仍取353.7℃,因過熱蒸汽的比熱容比熱風的比熱容大,根據(jù)制粉系統(tǒng)熱平衡[24],磨煤機出口送粉管道的風煤比為1.24 kg/kg。此外,為防止熱風送粉時發(fā)生自燃自爆,采用60℃溫風將煤粉倉內(nèi)煤粉送入爐膛。

圖4 對比機組和SSD-OPSB機組的制粉系統(tǒng)Fig.4 Pulverizing systems of reference and SSD-OPSB units a—Reference unit;b—SSD-OPSB unit

2.3 空氣預熱器參數(shù)設計

與傳統(tǒng)的直吹式制粉系統(tǒng)類似，在過熱蒸汽干燥開式制粉系統(tǒng)中，制粉干燥劑——再循環(huán)過熱蒸汽仍由鍋爐尾部煙氣熱能加熱。為充分利用鍋爐尾部煙氣與過熱蒸汽干燥劑間的換熱溫差，采用了過熱蒸汽干燥劑與鍋爐送風并聯(lián)與煙氣換熱的布置方案(如圖5所示)。由圖5可知，將熱風中間點溫度取為與磨煤機出口乏汽溫度相同(110 ℃)，空氣預熱器分為高溫與低溫兩級，高溫級為三分倉，低溫級為兩分倉，兩級分開布置。根據(jù)乏汽和送風的流量及溫度，可得煙氣的中間點溫度和排煙溫度分別為136.7 ℃和93.6 ℃。

2.4 乏汽余熱及水回收裝置參數(shù)設計

乏汽余熱首先用于在暖風器預熱鍋爐送風，之后用于乏汽加熱器預熱機組凝結水(如圖6所示)。

圖5 SSD-OPSB機組的空氣預熱器熱平衡Fig.5 Schematic diagram of heat balance of air-preheater of SSD-OPSB unit

乏汽為純水蒸氣，僅在進入暖風器時處于微過熱狀態(tài)，故在暖風器和乏汽加熱器中所回收的乏汽余熱主要是水蒸氣凝結潛熱，在回收余熱的同時也回收水分。暖風器出口溫風溫度不宜過低(余熱回收效益差)也不宜過高(低溫級空氣預熱器的換熱溫差降低過多，使得空氣預熱器設備投資過大)，同時，空氣預熱器防止嚴重低溫腐蝕要求其冷端受熱面的平均壁溫不低于70 ℃。綜合考慮，取暖風器出口溫風溫度為46.5 ℃，即空氣預熱器冷端平均壁溫約70 ℃。由圖6可知，乏汽的余熱和水分被100%回收。

圖6 乏汽余熱及水回收系統(tǒng)Fig.6 Heat and water recovery system of exhaust-steam

3 過熱蒸汽干燥系統(tǒng)計算結果分析

3.1 熱經(jīng)濟性結果及分析

將過熱蒸汽干燥開式制粉系統(tǒng)和乏汽余熱回收應用于660 MW超臨界燃準東煤對比機組，可得相應的SSD-OPSB機組。以THA工況下鍋爐主蒸汽流量相同為前提，對該SSD-OPSB機組進行熱經(jīng)濟性計算，主要計算結果如表2所示。

表2 對比機組與SSD-OPSB機組主要參數(shù)比較Table 2 Comparisons of the main parameters between reference and SSD-OPSB units

由表2可知，在相同的鍋爐出力下，鍋爐燃煤量由對比機組284.2 t/h，降低至SSD-OPSB機組276.3 t/h，節(jié)煤量達2.86%。由發(fā)電煤耗來看，SSD-OPSB機組在鍋爐排煙熱損失降低、外來熱量和乏汽加熱器三方面的標煤節(jié)煤效益(Δbs1，Δbs2和Δbs3)分別為4.96 g/(kW·h)，3.27 g/(kW·h)和0.53 g/(kW·h)，在總節(jié)煤效益8.76 g/(kW·h)中的占比分別為56.6%，37.3%和6.1%(見圖7)。

由表2還可以看出，SSD-OPSB機組在鍋爐排煙熱損失的減小不僅源于排煙溫度由123.1 ℃降至93.6 ℃，還與因原煤蒸發(fā)水分不再進入爐膛使得鍋爐排煙量減小有關。由于爐膛內(nèi)煙氣量減少，SSD-OPSB機組的爐膛絕熱燃燒溫度較對比機組提高了77.5 ℃，因而爐膛內(nèi)的煤粉停留時間和輻射換熱強度有所增大。因此SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術不僅具有顯著的熱經(jīng)濟性，還有利于改善鍋爐的燃燒性能。

有必要指出，通過回收乏汽潛熱，在SSD-OPSB機組中暖風器為鍋爐帶來225.3 kJ/kg外來熱量，節(jié)煤Δbs2=3.27 g/(kW·h)，這是SSD-OPSB燃燒發(fā)電技術的主要創(chuàng)新之處，也是其較之于以往開式制粉系統(tǒng)鍋爐技術[14-16]的主要進步之處。乏汽加熱器在節(jié)能原理上類似于低壓省煤器，由于對比機組燃用的準東煤水分的質(zhì)量分數(shù)(23.60%)不算很高，因此留給乏汽加熱器的余熱較少(Δbs3=0.53 g/(kW·h)).但若機組燃用水分較高的褐煤，Δbs3預計會明顯增大。

圖7 SSD-OPSB機組的節(jié)煤效益分布Fig.7 Coal-saving distribution of SSD-OPSB unit

3.2 水回收效益分析

若應用SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術，對比機組可實現(xiàn)水回收42.98 t/h(制粉系統(tǒng)蒸發(fā)水分為0.155 6 kg/kg)，顯示出非常顯著的節(jié)水效益(見表3)。由表3可知，應用SSD-OPSB技術后，由于鍋爐排煙的水分減少，煙氣酸露點降低了2.1 ℃，這對減輕空氣預熱器冷端低溫腐蝕有利。

表3 SSD-OPSB機組的水回收效益Table 3 Benefits of water recovery of SSD-OPSB unit

3.3 環(huán)境效益分析

SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術應用于燃準東煤對比機組時，節(jié)煤效益達8.76 g/(kW·h)，這意味著在同樣的供電量下，機組污染物排放(如NOx，SO2和PM2.5等)可大幅減少約3%。溫室氣體CO2排放也相應減少，對比機組采用SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術可減少CO2排放17.95 t/h，按年運行5 500 h計可減少CO2排放9.87萬t/a。

4 結 論

1)SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術通過開式制粉,使蒸發(fā)水分不進入爐膛,解決了燃高水分煤種鍋爐爐溫低、穩(wěn)燃差、排煙量大及熱效率低等問題;磨煤機出口乏汽為純蒸汽,便于乏汽熱能及水回收,不僅可明顯提高鍋爐熱效率和機組發(fā)電效率,還可同時回收水資源,減小電廠水耗。

2) 以某660 MW超臨界燃準東煤(收到基水分質(zhì)量分數(shù)為23.60%)機組為例，分析了SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術的應用效益。結果表明：應用該技術可使對比機組的標煤發(fā)電煤耗降低8.23 g/(kW·h)，也即可節(jié)煤2.86%；在相同的供電量條件下，機組污染物排放可等比例減少；單臺機組實現(xiàn)水回收42.98 t/h，減少CO2排放量17.95 t/h，展示出顯著的節(jié)能與環(huán)保效益，而且爐膛溫度有所提高，對改善煤粉燃燒性能有利。

3)SSD-OPSB燃煤發(fā)電技術利用電廠原有的磨煤機作為干燥機,取消了煤炭預干燥系統(tǒng),電廠工藝系統(tǒng)大幅簡化,工程可行性佳。SSD-OPSB 燃煤發(fā)電技術以過熱蒸汽為干燥介質(zhì),制粉系統(tǒng)運行安全性高;以閉式循環(huán)蒸汽為干燥劑,避免了從鍋爐抽取高溫爐煙,大幅簡化鍋爐設計,降低鍋爐制造成本,提高鍋爐運行靈活性。該技術既可用于新建機組,也適用于現(xiàn)役機組的升級改造。