高水分褐煤發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀與分析

王 巍，白 杰，彭紅文，鄔士軍，房海青，王 琳

( 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120 )

0 引言

基于我國(guó)豐富的褐煤資源，高效、清潔褐煤發(fā)電技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展迅速，機(jī)組已達(dá)到高效超超臨界參數(shù)、百萬(wàn)容量等級(jí)。截至2023 年底，我國(guó)已投運(yùn)的高效超超臨界褐煤發(fā)電機(jī)組超過(guò)10 臺(tái)，機(jī)組能耗水平達(dá)到世界領(lǐng)先并成為國(guó)內(nèi)空冷機(jī)組標(biāo)桿。超超臨界鍋爐配中速磨制粉系統(tǒng)技術(shù)、高效煙氣余熱深度利用技術(shù)以及褐煤提水技術(shù)的成功應(yīng)用，使褐煤發(fā)電技術(shù)繼續(xù)以高效、環(huán)保為目標(biāo)進(jìn)一步發(fā)展。

1 褐煤資源及特點(diǎn)概述

我國(guó)內(nèi)蒙古、東北、云南等地區(qū)擁有豐富的褐煤資源，約占我國(guó)煤炭總體儲(chǔ)量的六分之一[1]。我國(guó)典型褐煤的煤質(zhì)特點(diǎn)見(jiàn)表1 所列。

表1 我國(guó)典型褐煤煤質(zhì)特點(diǎn)

從表1 可知，我國(guó)絕大多數(shù)褐煤的全水分在30%以上，部分地區(qū)褐煤全水分超過(guò)35%，甚至超過(guò)40%，屬于高/超高水分煤種，且外水含量較高；干燥無(wú)灰基揮發(fā)分均在40%以上，屬高揮發(fā)分煤種；低位發(fā)熱量基本在2 800 ～3 500 kcal/kg，屬中低熱值煤種；灰的熔融溫度普遍較低，結(jié)渣特性較為嚴(yán)重；哈氏可磨指數(shù)基本在40 ～70，屬中等可磨、較難磨的煤種；沖刷磨損指數(shù)基本低于2，煤的磨損性不強(qiáng)。

我國(guó)褐煤煤化程度較低，具有便于大規(guī)模露天開(kāi)采、硫分低、發(fā)電成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但在直接燃燒發(fā)電方面，長(zhǎng)期以來(lái)存在能耗高、廠用電率大、供電煤耗高、污染物排放量大等缺點(diǎn)[2]，且這種高全水分、低熱值、低灰熔點(diǎn)的煤質(zhì)特點(diǎn)對(duì)鍋爐整體設(shè)計(jì)、燃燒設(shè)備、制粉系統(tǒng)及設(shè)備等也提出了更高的要求。

2 褐煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展及分析

雖然我國(guó)褐煤發(fā)電技術(shù)起步較晚，但隨著高效超超臨界褐煤鍋爐技術(shù)、制粉系統(tǒng)及設(shè)備的選型優(yōu)化技術(shù)、煙氣余熱利用技術(shù)、褐煤提水技術(shù)等方面的突破和快速發(fā)展，我國(guó)高效褐煤發(fā)電機(jī)組在機(jī)組參數(shù)、能耗水平、環(huán)保等方面已處于世界領(lǐng)先水平，技術(shù)比較見(jiàn)表2 所列。

表2 國(guó)內(nèi)外先進(jìn)褐煤機(jī)組技術(shù)比較

2.1 高效超超臨界鍋爐配中速磨制粉系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)褐煤鍋爐的制粉系統(tǒng)主要有兩種工藝路線：一是風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)；二是中速磨直吹式制粉系統(tǒng)。風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)特點(diǎn)是干燥出力大，對(duì)燃煤水分適應(yīng)性強(qiáng)，但風(fēng)扇磨研磨件壽命短、故障率高、檢修頻繁、系統(tǒng)漏風(fēng)率大、高溫爐煙管道易損壞、廠用電高。中速磨制粉系統(tǒng)特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、操作檢修方便、廠用電低、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好、噪音低，但干燥出力受到鍋爐一次風(fēng)率和熱風(fēng)干燥劑溫度的限制。

GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第8.2.1 條規(guī)定：“1、磨煤機(jī)形式的選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：1)對(duì)于大容量機(jī)組，在煤種適宜時(shí)，宜優(yōu)先選用中速磨煤機(jī)。2)燃用高水分、磨損性不強(qiáng)的褐煤時(shí)，宜選用風(fēng)扇式磨煤機(jī)；當(dāng)制粉系統(tǒng)的干燥能力滿足要求并經(jīng)論證合理時(shí)，也可采用中速磨煤機(jī)。

褐煤鍋爐制粉系統(tǒng)的選擇主要取決于磨制原煤所需要的干燥劑熱量，原煤水分越高、熱值越低，制粉系統(tǒng)所需干燥劑熱量越多，而選擇中速磨制粉系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何提高其干燥出力。

2.1.1 高一次風(fēng)率燃燒器

DL/T 831—2015《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》[4]對(duì)褐煤鍋爐燃燒器的一次風(fēng)率提出了具體的技術(shù)要求，見(jiàn)表3 所列。

表3 褐煤鍋爐燃燒器一次風(fēng)率技術(shù)要求

然而由于褐煤水分較高，熱風(fēng)干燥劑的風(fēng)量較常規(guī)煙煤要大，鍋爐一次風(fēng)率往往高于35%，甚至40%，這對(duì)褐煤組織燃燒和配風(fēng)是不利的，同時(shí)會(huì)帶來(lái)NOx排放升高。為此，國(guó)內(nèi)各主要鍋爐制造廠均開(kāi)發(fā)了適用于褐煤燃燒的高一次風(fēng)率、低NOx燃燒技術(shù)，其主要技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表4 所列。

表4 各鍋爐制造廠褐煤燃燒技術(shù)對(duì)比

從表4 看出，國(guó)內(nèi)各主要鍋爐廠均具備了低NOx、高一次風(fēng)率的褐煤燃燒技術(shù)，一次風(fēng)率適用范圍最高可達(dá)到50%，同時(shí)NOx均可控制在180 mg/Nm3以內(nèi)，為擴(kuò)大中速磨制粉系統(tǒng)適用范圍提供了“量”的保障。

2.1.2 熱風(fēng)干燥劑再加熱技術(shù)

由于鍋爐一次風(fēng)率受輸送、干燥及燃燒等因素制約，配中速磨制粉系統(tǒng)的褐煤鍋爐要提高制粉系統(tǒng)干燥能力，另一個(gè)手段就是進(jìn)一步提高熱風(fēng)干燥劑溫度。為保證褐煤鍋爐的鍋爐效率，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器出口熱風(fēng)干燥劑溫度通常不超過(guò)370 ℃，還需進(jìn)一步提高。電廠內(nèi)可用于進(jìn)一步加熱熱風(fēng)干燥劑的熱源主要有高溫?zé)煔鈁5]、高品位蒸汽[6]，未來(lái)還可能與太陽(yáng)能、熔鹽蓄熱等耦合。見(jiàn)表5 所列為部分投運(yùn)和在建褐煤機(jī)組熱風(fēng)干燥劑再加熱系統(tǒng)參數(shù)。

表5 部分褐煤機(jī)組熱風(fēng)干燥劑再加熱系統(tǒng)參數(shù)

由表5 可知，無(wú)論熱源為蒸汽還是煙氣，均可將熱風(fēng)干燥劑溫度提升至400 ℃以上，為擴(kuò)大中速磨制粉系統(tǒng)適用范圍提供了“溫”的保障。蒸汽再加熱系統(tǒng)和煙氣再加熱系統(tǒng)各具特點(diǎn)。蒸汽再加熱系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單、易調(diào)節(jié)、設(shè)備加工制造難度低、嚴(yán)密性好、維護(hù)工作量少，但低負(fù)荷調(diào)節(jié)性能差、蒸汽管道較長(zhǎng)、壓損大、對(duì)汽機(jī)熱耗不利。煙氣再加熱系統(tǒng)低負(fù)荷調(diào)節(jié)性能強(qiáng)、設(shè)備簡(jiǎn)單，但一次風(fēng)側(cè)流程較長(zhǎng)，阻力增加較大、設(shè)備體積較大、布置困難、水平段積灰量大、成本較高。具體方案可根據(jù)煤質(zhì)情況、主機(jī)特點(diǎn)等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較后確定。

2.1.3 中速磨磨制高水分褐煤技術(shù)

由于褐煤鍋爐中速磨制粉系統(tǒng)的干燥需求較高，磨煤機(jī)通風(fēng)量較大，通常高于按碾磨計(jì)算選出的磨煤機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)的基本通風(fēng)量。為避免高通風(fēng)量帶來(lái)的磨損問(wèn)題，近年來(lái)，部分磨煤機(jī)廠針對(duì)磨煤機(jī)磨制褐煤熱平衡計(jì)算的實(shí)際通風(fēng)量單獨(dú)設(shè)計(jì)噴嘴環(huán)、磨煤機(jī)筒體和分離器，適當(dāng)增大噴嘴環(huán)流通面積、筒體直徑和分離器直徑，以降低流過(guò)噴嘴環(huán)、磨煤機(jī)筒體和分離器的介質(zhì)流速，而磨輥、磨盤等碾磨件仍根據(jù)碾磨出力計(jì)算進(jìn)行選型。故MPS-HP-II 型、ZGM 型以及MPS 型磨煤機(jī)在針對(duì)褐煤選型時(shí)，往往會(huì)選出“殼大芯小”的機(jī)型。而HP 型磨煤機(jī)則是根據(jù)熱平衡計(jì)算的通風(fēng)量來(lái)對(duì)磨煤機(jī)分離器、碾磨件等進(jìn)行選型，其碾磨件的型號(hào)往往比MPS-HP-II 磨、ZGM 磨等要大一到兩個(gè)型號(hào)，即“殼大芯大”。

磨煤機(jī)的耐溫性能主要取決于熱風(fēng)通路上(包括風(fēng)箱、噴嘴環(huán)、磨輥、筒體、分離器等)的耐溫特性。其中，暴露于熱風(fēng)干燥劑環(huán)境的部件的耐溫性能較高，比如鑄鋼噴嘴耐溫可達(dá)500 ℃以上，Q355 風(fēng)箱和筒體耐溫可達(dá)450 ℃，堆焊或鑄鐵的磨輥輥套耐溫也達(dá)500 ℃以上，分離器處的干燥劑溫度已經(jīng)低于100 ℃，各磨煤機(jī)制造廠均認(rèn)為影響磨煤機(jī)耐溫性能主要因素是耐溫性能較低的磨輥內(nèi)部軸承、密封件等，其磨輥內(nèi)部軸承、密封件正常工作時(shí)允許的熱風(fēng)干燥劑溫度可在420 ℃以上。

2.2 煙氣余熱利用技術(shù)

褐煤鍋爐的排煙溫度較高，通常在140 ℃左右，造成了大量的排煙熱損失，鍋爐效率要比煙煤鍋爐低1%～2%，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性較差，這也是阻礙褐煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的制約因素之一。近些年，煙氣余熱利用技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，主要包括煙氣余熱加熱凝結(jié)水方案、煙氣余熱加熱冷風(fēng)方案以及空預(yù)器旁路煙氣余熱利用方案。各方案的節(jié)煤效果、投資成本等比較見(jiàn)表6 所列。目前我國(guó)最先進(jìn)的褐煤機(jī)組—烏拉蓋某2×1 000 MW 電廠采用了空預(yù)器旁路煙氣余熱利用方案，其設(shè)計(jì)供電煤耗已低于285 g/kWh，達(dá)到了國(guó)內(nèi)煙煤空冷機(jī)組標(biāo)桿水平。

表6 660 MW褐煤機(jī)組應(yīng)用煙氣余熱利用的方案比較

2.3 褐煤提水技術(shù)

由于褐煤全水分高，從原煤或燃燒后的煙氣中提取水分具有先天的優(yōu)勢(shì)，也是燃煤電廠運(yùn)行的重要節(jié)水措施之一。通過(guò)褐煤提水回收的水可用于電廠脫硫系統(tǒng)的補(bǔ)水、機(jī)組補(bǔ)水、灰渣沖洗水等，從而大大降低燃煤電廠對(duì)外的耗水量，減少電廠運(yùn)行對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的影響及破壞。褐煤提水主要有爐前原煤提水和爐后煙氣提水兩種工藝路線。其中爐后煙氣提水主要是將濕法脫硫吸收塔出口攜帶飽和水蒸汽的凈煙氣，使用低溫水進(jìn)行間接或接觸冷卻降溫，煙氣中的飽和水蒸汽冷凝析出的技術(shù)路線，已成功應(yīng)用于大型褐煤機(jī)組上[7-8]。接觸式和間接式提水技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表7 所列。

表7 接觸式和間接式提水技術(shù)比較

典型660 MW 褐煤機(jī)組單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)可提水70 ～90 t 以上，通過(guò)設(shè)置調(diào)蓄水池還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“全廠全年生產(chǎn)零補(bǔ)水”的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然我國(guó)褐煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展較晚，但近些年發(fā)展迅速，高效褐煤發(fā)電機(jī)組規(guī)模已名列世界前茅。通過(guò)高效鍋爐配中速磨制粉系統(tǒng)、高效煙氣余熱深度利用等一些列集成技術(shù)，我國(guó)褐煤機(jī)組供電標(biāo)煤耗已突破285 g/kWh，達(dá)到世界領(lǐng)先和國(guó)內(nèi)煙煤空冷機(jī)組標(biāo)桿水平。褐煤機(jī)組在塵、硫、氮等大氣污染物均實(shí)現(xiàn)超低排放水平的基礎(chǔ)上，還可采用煙氣提水技術(shù)，帶來(lái)可觀的節(jié)水收益以及生態(tài)效益，向著更加高效、綠色的方向發(fā)展。