超超臨界大型燃煤機組摻燒褐煤試驗研究

邢振中，劉 忠，冷 杰

(1.華北電力大學，北京 102206;2.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 設備及煤質概況

1.1 設備

某電廠2×1 000 MW超超臨界機組鍋爐由東方鍋爐 (集團)股份有限公司與東方－日立鍋爐有限公司聯合設計、制造，型號為DG3000/26.25－Ⅱ1，為超超臨界參數、對沖燃燒方式、固態排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、全鋼構架、全懸吊П型結構變壓直流爐。鍋爐爐膛四周為全焊式膜式水冷壁。過熱器受熱面由頂棚、后豎井煙道四壁、后豎井分隔墻、布置在尾部豎井后煙道內的低溫過熱器、爐膛上部的屏式過熱器和位于折焰角上方的高溫過熱器組成。制粉系統為6臺中速磨配動態分離器直吹式系統。燃燒器為新型DHDB－NR3旋流煤粉燃燒器，前后墻各布置3層燃燒器，每層每面墻8只。在前后墻各布置一層燃盡風噴口，其中每層每面墻2個側燃盡風噴口，8個燃盡風噴口。

1.2 褐煤和混煤煤質特性

某電廠2×1 000 MW超超臨界機組設計煤種為準葛爾2號煙煤，2種校核煤種為準葛爾2號煤和神華煤，設計燃料特性見表1。在燃煤供應緊張、煤價不斷上漲的形勢下，煙煤供應日益緊張，因此電廠計劃摻燒霍林河褐煤。由于褐煤和煙煤特性差異較大，因此摻燒褐煤必將對鍋爐安全、經濟運行帶來影響。根據電廠所用的神華煤摻燒霍林河褐煤的試驗，分析神華煤摻燒褐煤后對機組的影響。

表1 設計燃料特性

表2 額定負荷下某電廠混煤的煤質分析

褐煤中含碳量低，其Vdaf≥40%，有利于著火和煤的燃盡，同時也極易自燃。褐煤中水分、灰分和含氧量高，因而發熱量較低，Qnet，ar在11 000～15 000 kJ/kg。褐煤的變形溫度和軟化溫度均較低，實際燃燒過程中很容易結焦，因而褐煤燃燒中要解決由于灰熔融溫度低而引起的燃燒結渣問題。煤的磨損指數是指煤在研磨的過程中，對研磨設備部件磨損的強烈程度［1］，褐煤的磨損指數較高，一般可達4～7。由于混煤的燃燒特性并不具備可加性，可磨性差異較大的2種煤混燒，其可磨性更趨向于難磨煤種。研究表明，混煤的組分煤在著火過程中各自保持其著火特性［2］。

分別在30%、40%、50%的摻燒比例下，進行鍋爐熱效率試驗，并通過數據對比得出摻燒褐煤對機組的影響。混煤的煤質分析見表2。摻燒褐煤后，煤粉水分比設計煤種高，將影響到磨煤機的出力，相應磨煤機電耗也會升高。由于褐煤的揮發分較高，因此摻燒褐煤后有利于煤粉的燃盡。

2 試驗結果分析

2.1 鍋爐效率試驗

某電廠在不同比例下摻燒褐煤的試驗中，參照GB10184—1988《電站鍋爐性能試驗規程》進行鍋爐效率試驗。試驗結果如表3所示。

由表3可見，在額定負荷下，排煙熱損失在30%、40%和50%摻燒比例下，分別為5.679%、5.964%和5.791%。隨著摻燒褐煤比例的增大，排煙熱損失、鍋爐輔機電耗和廠用電率隨之增大。在設計煤種下，機組的供電煤耗為294.86 g/kWh。摻燒30%褐煤與設計煤種相比，機組供電煤耗增加0.73 g/kWh;摻燒40%褐煤與設計煤種相比，機組供電煤耗增加0.94 g/kWh;摻燒50%褐煤與設計煤種相比，機組供電煤耗增加1.28 g/kWh。隨著摻燒褐煤比例的增大，總給煤量增大，在總風量一定的情況下，導致煙氣量增大，從而使排煙熱損失q2增大。又由于褐煤本身水分大，導致排煙水蒸氣熱損失增大，同時煙氣量增大會使煙氣流速增大，使煤粉顆粒與碳顆粒在爐內停留時間減少，導致固體未完全燃燒熱損失q4增大［3］。

2.2 神華煤與褐煤不同摻燒比例下機組最大出力試驗

由于霍林河褐煤水分大，隨著褐煤摻燒比例的增大，磨煤機最大出力逐漸減小，機組的最大出力也逐漸減小。依據DL/T 5145—2002《火力發電廠制粉系統設計計算規定》進行磨煤機試驗［4］，選取1臺磨煤機進行最大出力試驗，試驗結果見表4。在5個工況下，經過理論計算，磨煤機出口露點溫度在50～52℃，對于直吹式制粉系統，干燥劑的終端溫度應高于露點溫度2℃以上，且不能低于60℃。當Vdaf≥40%時，干燥劑的終端溫度應小于70℃。因此磨煤機出口溫度應控制在60～70℃。

表3 額定負荷下神華煤摻燒褐煤對經濟性影響試驗結果

表4 神華煤與褐煤不同摻燒比例下單臺磨最大出力試驗結果

該試驗在35號磨煤機上進行，磨煤機的最大出力試驗結果見表4。隨著褐煤摻燒比例的增大，磨煤機的最大出力逐漸減小。神華煤摻燒30%霍林河褐煤時磨煤機最大出力為84.6 t/h，全燒霍林河褐煤時，磨煤機的最大出力為46.3 t/h。將磨煤機最大出力與摻燒褐煤比例的關系進行擬合為

y=－0.524 7x+98.581

式中 y——神華煤摻燒霍林河褐煤時磨煤機最大出力，t/h;

x——霍林河褐煤摻燒比例，%。

通過試驗，當5臺磨煤機運行時，摻燒比例小于30%，機組能帶滿負荷;當摻燒褐煤比例為40%時，5臺磨煤機運行時機組最大出力為840 MW，6臺磨煤機運行時能帶滿負荷;當摻燒褐煤比例為50%時，即使6臺磨煤機全部運行，機組的最大出力只能達到940 MW。可見，當摻燒褐煤的比例大于50%時，機組的最大出力受到明顯影響。

2.3 神華煤摻燒霍林河褐煤的燃燒優化試驗

過量空氣系數是電站鍋爐運行中的重要參數［5］，對其測量通常是通過對空預器進口的煙氣煙量的監測間接實現的。過量空氣系數的改變對鍋爐燃燒、鍋爐效率的影響很大［6］。目前，判斷鍋爐運行經濟性指標多以供電煤耗率為主。供電煤耗率在不同負荷下是不同的，隨著負荷升高，供電煤耗率降低。但在某一負荷下，可以通過對過量空氣系數的調節使供電煤耗率達到最低，此時的過量空氣系數為最佳過量空氣系數［5，7］。

供電煤耗率是鍋爐效率、機組熱耗和廠用電率的函數，而鍋爐效率和廠用電率為氧量的函數，通過變氧量試驗取得不同氧量下的試驗參數，擬合出各種曲線并求導，從而得到不同負荷下的最佳氧量［8］。由于在試驗中保持熱耗不變是不可能的，所以用此方法得出的曲線誤差較大，得出的最佳氧量準確性不高。

文中采用實際運行中達到機組最佳性能對應的運行參數作為最佳值。通過在額定負荷和850 MW負荷下，分別摻燒30%褐煤和40%褐煤，對機組進行變氧量試驗，結果見圖1、圖2。

由圖1可見，在額定負荷下，當煙氣中的含氧量從2.48%升至3.22%時，鍋爐熱效率從93.05%升至93.31%，排煙熱損失、可燃氣體未完全燃燒熱損失和固體未完全燃燒熱損失之和逐漸降低。此時可燃氣體未完全燃燒熱損失從0.495%降至0.07%，所以可以推斷當煙氣中含氧量為3.22%時的鍋爐效率最大。

由圖2可見，在850 MW負荷下，當煙氣中的含氧量從2.62%升至3.47%時，鍋爐熱效率從93.32%升至93.77%，q2、q3、q4之和逐漸降低。煙氣中含氧量從3.01%升至3.47%時，鍋爐效率的增加幅度明顯減緩，根據圖2及q3變化，可以推斷鍋爐熱效率在煙氣中含氧量為3.47%時最大。因此在850 MW負荷下，摻燒40%褐煤時，含氧量在3.47%附近取值最佳。

2.4 神華煤摻燒霍林河褐煤的燃盡風優化試驗

分級燃燒技術 (燃盡風技術)是目前國內使用最普遍的低NOx燃燒技術［9］，在國內外已經成功應用于電站鍋爐上。但在實際運行中，分級燃燒技術對NOx的控制受負荷、燃盡風噴入位置、燃盡風率、煤質等因素影響。

燃盡風風量對煤粉的燃盡程度有較大影響。燃盡風比例增大，NOx排放減少，固體未完全燃燒熱損失增大，反之燃盡風比例減小，NOx排放增加，固體未完全燃燒熱損失減小。針對某電廠3號機組，在神華煤摻燒30%褐煤的額定負荷下，5臺磨煤機運行時，進行了燃盡風調整試驗，該試驗目的是確定最佳燃盡風擋板開度。試驗結果見表5。

表5 神華煤摻燒30%褐煤時燃盡風試驗數據

由表5可見，在鍋爐氧量不變條件下，隨著燃盡風率的降低，鍋爐熱效率逐漸升高，鍋爐排放煙氣中NOx含量逐漸增大。當燃盡風擋板開度偏置從－10%到10%時，鍋爐熱效率由93.45%變化到93.32%，省煤器出口煙氣中NOx的含量由293.2 mg/Nm3變化到258.9 mg/Nm3。綜合考慮鍋爐熱效率和NOx排放濃度，建議神華煤摻燒30%霍林河褐煤的額定負荷下，燃盡風擋板開度偏置為－10%。

3 神華煤摻燒褐煤存在問題及防范措施

3.1 存在問題

a． 褐煤的灰熔點較低、揮發分高、易著火、熱值低、容易引起自燃。進入爐膛后著火容易提前，受熱面噴嘴受熱，容易結焦。

b． 褐煤水分偏大，容易導致磨煤機干燥出力不足、堵煤、壓磨等現象，制粉系統運行時石子煤量較平時明顯偏大，造成磨煤機電耗增加。同時，由于褐煤水分大，要求加大進入磨煤機的風量，可能造成磨煤機振動加大。風機原有出力無法滿足磨煤機干燥、輸送需要，也容易引起一次風機喘振。

c． 大量摻燒褐煤時，褐煤水分大造成煙氣量增大，造成爐內各受熱面吸熱量偏離設計值，影響主汽溫度、再熱汽溫，使排煙熱損失增加。此外，摻燒不均勻還容易引起機組運行工況大范圍波動，使燃燒優化調整的工作量增大。

3.2 防范措施

a． 由于摻燒褐煤后磨煤機出力受到制約，導致煤粉細度不均勻、煤粉燃燒不充分及灰渣含碳量增加，從而使鍋爐燃燒效率下降，鍋爐熱效率降低。通過試驗，發現在摻燒30%褐煤、6臺磨煤機運行時，磨煤機出力為85 t/h，磨煤機分離器轉速均控制在35 r/min時，通過煤粉細度測試，發現煤粉細度合適。因此建議2臺磨煤機運行時，分離器轉速控制在35 r/min。

b． 通過神華煤摻燒不同比例褐煤對經濟性影響的試驗，隨著褐煤摻燒比例的增大，鍋爐熱效率逐漸降低，發電煤耗和供電煤耗相應增加。通過燃燒優化調整試驗，神華煤摻燒30%霍林河褐煤時，額定負荷下氧量偏置為+40%時的鍋爐效率最高。

c． 由于褐煤灰熔點較低、著火距離短及容易燒毀燃燒器，因此摻燒比例應適當。在實際運行過程中應加強檢查，若發現結焦等情況，應立即投入吹灰器。情況較嚴重的應及時清理。同時，要對停運磨煤機及其管道內殘余的煤粉進行排空處理，以防止積粉自燃，制粉系統必須采取防爆措施。

4 結束語

當前電煤煤源供給高度緊張，因此發展褐煤摻燒技術勢在必行。根據霍林河褐煤的煤質特性，通過不同比例褐煤摻燒試驗，研究磨煤機最大出力和鍋爐各方面性能，從而確定能保證機組安全穩定運行的條件。通過試驗結果進行合理混配、摻燒和燃燒調整，極大地緩解了因鍋爐摻燒褐煤引起的經濟性問題。同時應加強褐煤摻燒技術的培訓和摻燒管理，為今后大型發電企業全力推進摻燒低價劣質煤積累經驗。

［1］ 夏學敏，劉學東．600 MW超超臨界鍋爐褐煤摻燒分析［J］．華電技術，2011，33(12):18－19．

［2］ 段學農，朱光明，焦慶豐，等．電廠鍋爐混煤摻燒技術研究與實踐［J］．中國電力，2008，41(6):51－54.

［3］ 寧新宇，梁紹華，張希光，等．1 025 t/h煙煤鍋爐摻燒褐煤的可行性試驗研究［J］．熱力發電，2010，39(12):53－55．

［4］ DL/T 5145—2002，火力發電廠制粉系統設計計算規定［S］．

［5］ 閆順林，張 斌．電站鍋爐最佳過量空氣系數的研究［J］．發電設備，2010，24(4):237－240．

［6］ 樊泉桂，閻維平，閆順林．鍋爐原理［M］．北京:中國電力出版社，2004.

［7］ 張振杰，王彥海．摻燒褐煤對350 MW機組煙煤鍋爐經濟性影響研究［J］．東北電力技術，2011，32(3):17－19．

［8］ 谷俊杰，孔德奇，高大明，等．電站鍋爐燃燒優化中最佳煙氣含氧量設定值計算 ［J］．華北電力大學學報，2007，34(6):61－65．

［9］ Thomas L B，Francisco C，Sebastien C，etal．Coal Combustion Modeling of Large Power Plant for NOxAbatement［J］．Fuel，2007，86(14):2 213－2 220．