電站鍋爐多煤種混煤摻燒適應性研究與實踐

唐斌，朱光明

(1. 大唐耒陽發(fā)電廠，湖南 耒陽421800;2. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007)

湖南省是一個少煤的內陸省份，近年來年原煤生產(chǎn)總量保持在5 000 萬t 左右，70%為難著火、難穩(wěn)燃、難燃燼、難磨的無煙煤。為滿足電站鍋爐燃煤供給，年采購省外燃料約2 000 萬t，覆蓋了褐煤、煙煤、貧煤、無煙煤等多煤種。基于電站鍋爐燃煤復雜多變，為安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟地進行多煤種摻燒，大唐湖南公司聯(lián)合湖南省電力科學研究院等單位開展了一系列關于混煤摻燒方式和摻混比優(yōu)化的試驗研究，取得良好的經(jīng)濟、社會效益。

1 設備概況及設計煤質

1.1 鍋爐設備概況

研究主要選擇了中儲式制粉系統(tǒng)四角切圓爐、直吹式W 型火焰鍋爐、直吹式對沖燃燒鍋爐等有代表的爐型，主要設備情況見下表1，2。

表1 鍋爐設備情況

表2 機組BMCR 工況下主要參數(shù)

1.2 設計煤種的特征參數(shù)

表3 為各電廠設計煤種的特征參數(shù)。

表3 設計燃料特性參數(shù)

2 混煤可磨性、燃燒特性實驗室研究

1)對于新進煤種，首先進行工業(yè)分析，進行混煤實驗室可磨性、燃燒特性測試，摸清新進煤種、混煤的特點。湖南省近年主要燃用煤種煤質情況見下表4。

表4 主要煤質工業(yè)分析結果

2)湖南省典型燃煤多數(shù)著火溫度偏高，在420 ～500 ℃之間。在難著火煤種中混入易著火貧煤(煙煤)后，混煤著火溫度明顯下降，著火溫度降低約50 ～60 ℃。

3)通過實驗室研究，發(fā)現(xiàn)混煤的可磨性與單煤不呈線性關系，并非2 組分煤種加權平均，而是趨向于難磨的煤;可磨性差異越大的2 種煤摻混時，混煤的可磨性越趨向于難磨煤種〔1〕。

4)實驗發(fā)現(xiàn)，混煤成粉粒徑分布呈現(xiàn)粗徑無煙煤多、細徑貧煤(煙煤)多的特征，混煤的燃盡特性接近于難燃煤種，混煤的煤粉細度不能由混煤的Vdaf決定，而是由難燃盡煤種的揮發(fā)分決定〔1〕。

3 摻燒試驗思路、方案及要求

1)對于帶庫叉管設計的中間儲倉式制粉系統(tǒng)，原煤可磨性或燃燒特性差異較大時可采用分磨磨制、倉內摻混、爐內混燒方式，如石門電廠#1爐。

2)對于直吹式制粉系統(tǒng)，設計使用無煙煤而未考慮防爆措施，在摻燒高揮發(fā)分原煤時宜采用爐前摻混、爐內混燒方式，如耒陽電廠#2 爐。高揮發(fā)分原煤的摻混由20%逐步提升到50%。

3)對于直吹式制粉系統(tǒng)，原設計為貧煤的可視原煤的可磨性或燃燒特性差異采用爐前摻混、爐內混燒或分磨制粉、爐內混燒方式，如湘潭電廠#2爐。

4)不同無煙煤間或無煙煤與貧煤摻燒時采用分磨摻燒，與爐前摻混方式進行對比研究。

5)試驗時主要記錄制粉系統(tǒng)安全性(如磨煤機出口風溫等)，燃燒安全性(如爐膛溫度、燃燒器壁溫)，燃燒經(jīng)濟性(如主/再熱汽溫、飛灰含碳量等)，低負荷調峰能力(最低穩(wěn)燃負荷率等)等數(shù)據(jù)，以確定不同煤種間的最佳摻燒方式和摻混比例。

6)由于摻燒的煙煤、褐煤灰熔點很低，同時部分煙煤、晉城煤硫分較高，造成爐膛結焦的趨勢明顯，爐膛掉大焦的概率明顯增加，甚至威脅到鍋爐的長期穩(wěn)定運行。通過衛(wèi)燃帶優(yōu)化布置、適時地噴入除焦劑、嚴格控制爐內空氣動力場等手段，有效地控制結焦現(xiàn)狀。

7)受脫硫裝置設計容量的限制，為防止排放超標，盡可能控制入爐煤全硫St.ad以防止排放超標。

4 多煤種混煤摻燒適應性試驗研究

4.1 石門電廠#1 鍋爐劣質無煙煤、高硫煤摻燒

1)石門電廠#1 鍋爐原設計煤種設計燃用山西晉東南無煙煤和黃陵煙煤的混煤，由于攸縣無煙煤價格低、產(chǎn)量較大，電廠易于獲得。石門電廠#1鍋爐采用分磨磨制、倉內摻混、爐內混燒方式摻燒攸縣煤和潞安煤，攸縣煤磨制時煤粉細度R90控制在4%以內。攸縣煤摻燒比例低于50%時，爐膛溫度水平在1 200 ℃以上，燃燒穩(wěn)定;飛灰含碳量可以控制在3%以內，鍋爐效率90.2%以上。

2)石門電廠#1 鍋爐以潞安煤摻燒含硫高達4.3%的高硫煤時，25%的摻燒比例可控制SO2不超標，但當高硫煤摻燒比達到33%時，SO2濃度難以控制。三次風作用對SO2濃度影響迅速、顯著，一般延遲5 ～6 min，SO2濃度會出現(xiàn)1 個突升的現(xiàn)象，升高幅度可達33% ～60%;運行中當發(fā)現(xiàn)SOx排放超標時，減少高硫煤制粉系統(tǒng)的出力可以迅速的控制排放超標。

4.2 耒陽電廠#2 鍋爐多煤種摻燒

耒陽電廠#2 鍋爐設計燃用本地無煙煤，受礦難、煤礦整合等多種因素影響，本地煤礦大范圍停產(chǎn)整頓，原煤產(chǎn)量大幅度減產(chǎn)。為了生產(chǎn)經(jīng)營的需要，電廠被迫采購印尼褐煤、陜西煙煤、晉城無煙煤、越南無煙煤等外省煤種。電廠與國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院進行如下多煤種摻燒優(yōu)化試驗。

4.2.1 陜西煙煤與本地煤摻燒優(yōu)化試驗

煙煤與本地煤摻燒，煙煤比例從20%逐步增加到50%時，爐膛溫度維持在1 500 ℃以上，爐膛結焦稍有增加但基本可以受控;在入爐煤揮發(fā)分Vad控制在14% 以下時，磨煤機出口溫度控制在120 ℃以下，制粉系統(tǒng)未出現(xiàn)自燃和自爆現(xiàn)象，燃燒器壁溫基本控制在500 ℃以下，機組安全存在一定的余度。在入爐煤揮發(fā)分Vad在14%以上時，通過調整冷風門開度，磨煤機出口風溫可控制在100℃以內，制粉系統(tǒng)安全性得到保證，燃燒器壁溫也在500 ℃左右。

隨煙煤摻燒比例從20%逐步增加到50%時，飛灰含碳量從5.5%左右下降到3.5%左右，當煙煤摻燒比例超過35%以上時，機組不投油最低穩(wěn)燃負荷從55%BMCR 下降到35%BMCR 工況。

4.2.2 印尼褐煤與本地煤摻燒優(yōu)化試驗

褐煤與本地煤摻燒，褐煤比例從20%逐步增加到40%時，爐膛溫度維持在1 500 ℃以上，爐膛結焦增加但通過適時的負荷變化、每天適當噴入除焦劑基本可以受控;在入爐煤揮發(fā)分Vad控制在15%以下時，制粉系統(tǒng)出口溫度控制在100 ℃以下，制粉系統(tǒng)未出現(xiàn)自燃和自爆現(xiàn)象，燃燒器壁溫基本控制在500 ℃以下，機組安全存在一定的余度;但在雨季，由于褐煤本身的全水分很高，當褐煤的摻燒比例超過35%以上時磨煤機出口溫度很難超過80 ℃，磨煤機的干燥出力明顯不夠。

隨褐煤摻燒比例從20%逐步增加到40%時，飛灰含碳量從5.5%左右下降到4.5%左右。飛灰含碳量下降不明顯，這是由于褐煤的水分較大，煤粉氣流著火點較摻燒煙煤時有明顯的推遲。

摻燒褐煤達到40%時，機組不投油最低穩(wěn)燃負荷從55%BMCR 下降到35%BMCR 工況。

對于此爐型摻燒煙煤、褐煤時，必須保證摻混的均勻性，杜絕短時煙煤單獨入倉。保證制粉系統(tǒng)惰化系統(tǒng)可靠，必要時需增設防爆裝置。運行中嚴格控制磨煤機出口溫度在120 ℃以下且無異常的快速升溫現(xiàn)象，當溫度上升較快時，應立即停止磨煤機運行，全關熱風門，開啟冷風門以防止制粉系統(tǒng)自爆。

4.2.3 晉城煤與本地煤摻燒優(yōu)化試驗

由于晉城煤的工業(yè)特性除含硫較高外與本地煤十分接近，無論采用分磨摻燒還是爐前摻混，在180 MW 負荷下爐膛溫度均維持在1 500 ℃以上，燃燒穩(wěn)定性沒有問題，但低于170 MW 負荷時，爐膛負壓波動明顯增加，爐膛溫度下降明顯，燃燒穩(wěn)定性變差。晉城無煙煤燃盡特性較本地無煙煤較差，其可磨性也低于本地汽車煤，當晉城煤與本地煤1∶ 1 摻燒時，進行分磨摻燒與爐前摻混對比試驗，分磨摻燒方式下，一般鍋爐效率可提高1%以上，降低晉城無煙煤摻混比，鍋爐效率略有升高。

4.2.4 越南煤與其他煤的摻燒優(yōu)化試驗

當越南煤與煙煤1∶ 1 摻燒時，由于越南煤揮發(fā)分更低，可磨性更差，飛灰含碳量嚴重偏離設計值，極限達到了20%以上;通過嚴格控制煤粉細度、優(yōu)化配風等方式，飛灰含碳量還是超過13%，鍋爐燃燒效率嚴重下降。后在保持煙煤摻燒份額在30%以上，不斷降低越南煤的摻燒比例，增加本地煤摻燒量時，飛灰含碳量不斷下降;當越南煤、本地煤和煙煤按2∶ 4∶ 4 摻燒時，飛灰含碳量可以控制在8%以下。

從測量燃燒器噴口出口處溫度梯度來看，即使越南煤與其它煤種煤粉細度相近時，此煤的內在水分相對較高，其著火點明顯滯后，造成飛灰含碳量偏高。

4.3 湘潭電廠#2 鍋爐無煙煤摻燒研究

1)湘潭電廠#2 鍋爐設計燃用山西省晉城貧煤與河南省平頂山煙煤的混煤。當采用煙煤(貧煤)中分磨摻燒30%的以下無煙煤時，嚴格控制無煙煤煤粉細度，爐膛負壓平穩(wěn)、汽溫汽壓平穩(wěn)，各投運燃燒器火檢強較高度，燃燒穩(wěn)定。

2)無煙煤摻燒比例在15%以內時，飛灰含碳量可以控制在5%左右，鍋爐效率下降不明顯;無煙煤摻燒比例超過20%以上時，飛灰含碳量上升明顯，達到8%左右，鍋爐效率下降明顯。

5 結論

1)對于原設計煤種為貧煤、煙煤等高揮發(fā)分的鍋爐，摻燒無煙煤時宜采用分磨制粉的摻燒方式，如能嚴格控制煤粉細度，同時保證摻燒比例不宜過高，鍋爐燃燒穩(wěn)定，爐效不會有明顯的下降。摻燒無煙煤的比例應根據(jù)試驗和長期運行的結論及時調整。

2)對于設計燃用無煙煤的直吹式制粉系統(tǒng)、W 型火焰鍋爐，在摻燒煙煤、褐煤時，宜采用爐前摻混方式。通過爐前摻混方式，控制混煤綜合揮發(fā)分、磨煤機出口風溫等措施，在安全上是可靠的。但煙煤、褐煤的摻混比例不宜超過50%，入爐煤揮發(fā)分Vad不宜超過15%;摻燒高揮發(fā)分正常水分的原煤后，鍋爐的燃燒效率能夠得到明顯的提高。通過少量的技術改造，并通過不斷試驗和實踐摸索，W 型火焰鍋爐較其它型式的鍋爐具備更寬泛的煤種適應性。

6 說明

本文部分結論引用了大唐華銀電力股份有限公司、國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院等單位合作的科研項目《電站鍋爐多煤種混煤摻燒技術與管理研究》課題的成果，特此說明。

〔1〕段學農(nóng)，朱光明，等。混煤可磨性與摻燒方式實驗研究〔J〕.熱能動力工程，2010 (4):410-413.