哈鍋大容量高參數褐煤鍋爐技術的發展與應用

魏國華

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱150046）

0 引言

我國褐煤儲量豐富，已探明儲量達1300億t。褐煤具有水分和灰分高、發熱值低、易結渣等特點，褐煤燃燒技術一直是世界性難題。我國早期的大容量褐煤鍋爐完全依賴進口，由于國外公司未掌握我國老年褐煤的燃燒特性，鍋爐投運后暴露了許多設計缺陷和不足，出現了嚴重的爐膛結渣、受熱面超溫和爆管、鍋爐無法達到額定出力和預熱器出口煙氣溫度高等問題。

近年來我國火力發電裝機容量增長迅速，優質煙煤供應不足。開發適于燃用褐煤的大容量、高效、低污染物排放的電站鍋爐，有利于緩解我國火力發電行業煤炭資源日益緊張的困難局面，是滿足我國能源發展戰略的必然要求和產業升級的必由之路。

1 我國大型電站褐煤鍋爐的發展現狀

哈鍋是我國唯一擁有大型褐煤鍋爐設計和運行業績的鍋爐供貨商，代表了我國褐煤鍋爐研制的最高水平。自20世紀80年代起，哈鍋立足自主創新，開始針對國內褐煤煤質特性、褐煤燃用、爐膛選型等關鍵技術開展科技攻關，取得了重大突破，并研制出300～1000 MW褐煤鍋爐爐型系列，涵蓋亞臨界、超臨界和超超臨界參數，采用型或塔式布置方式，中速磨或風扇磨制粉系統。所研制產品完全替代了進口。多項技術填補國際和國內空白，達到國際領先水平。并與其他單位聯合開發了褐煤干燥技術及與之相匹配的大容量褐煤鍋爐。

2 自主開發600MW級超臨界褐煤鍋爐的主要技術特點

基于我國褐煤煤質水分波動大的特點，哈鍋開發了采用不同制粉系統的600 MW等級超臨界褐煤鍋爐，主要包括中速磨制粉系統π型爐，風扇磨制粉系統塔式鍋爐和風扇磨制粉系統π型爐。

與其他煤質相比，褐煤具有較高的水分，因此要求制粉系統采用更高溫度或更大流量的干燥介質對煤粉進行干燥。中速磨制粉系統一般在燃用水分低于36%的褐煤鍋爐中采用，干燥介質為空氣預熱器出口熱空氣。當燃用褐煤煤質的水分達到或高于36%時，一般推薦采用風扇磨制粉系統。

哈鍋設計開發的600 MW等級褐煤鍋爐均采用切圓燃燒方式，通過燃燒器分組布置和采用較大的一次風間距來降低燃燒器區域熱負荷，有效減少爐膛結焦。同時在燃燒器上方合理布置SOFA風以有效控制NOx生成。其中采用中速磨制粉系統的爐型為四角切圓燃燒方式，煤粉干燥介質為熱風；而采用風扇磨制粉系統的爐型為八角切圓燃燒方式，采用熱風、高溫爐煙和冷爐煙進行煤粉干燥。鍋爐水冷壁采用螺旋管圈+垂直管屏布置方式，爐膛中、下部為螺旋水冷壁，能有效減小工質在爐膛周界方向上的溫度偏差，保持水動力的安全穩定。過熱器采用三級布置，設置兩級四點噴水減溫器，并能實現單獨調節，從而有效控制系統左右側汽溫偏差和防止過熱器超溫。再熱器采用二級布置，在兩級再熱器之間設置有噴水減溫器，具體功能因爐型差異而有所差別。對于采用風扇磨制粉系統的褐煤鍋爐，噴水減溫器作為再熱器汽溫調節的主要手段。對于采用中速磨制粉系統的褐煤鍋爐，由于采用了尾部雙煙道方案，通過煙道出口擋板開度的調節來控制低溫再熱器和低溫過熱器側煙氣流量，從而達到再熱蒸汽汽溫調節的作用。

3 自主開發高效褐煤發電技術

進入21世紀，我國火力發電行業出現了井噴式的發展，與此同時世界能源價格日益高漲，SO2、NOx、CO2排放對人類及環境的損害與破壞日益加重，發展更高效率的火電機組成為節能減排的最有效途徑?；谝延写笕萘亢置哄仩t的設計和運行經驗，哈鍋自主開發了適于燃用我國老年褐煤的1000 MW等級超超臨界褐煤鍋爐和褐煤干燥技術。

3.1 自主開發1000 MW超超臨界π型褐煤鍋爐的主要技術特點

2006年末，哈鍋依托國家“863計劃”，聯合國內著名科研院所，針對1000 MW超超臨界褐煤鍋爐的關鍵技術開展科技攻關。課題完成了鍋爐爐膛結構、水動力特性、煤質特性、燃燒器及制粉系統等技術研究，形成了鍋爐整體設計和制造方案，并順利通過科技部驗收。鍋爐采用長方形爐膛設計、π型布置方案，中速磨直吹式制粉系統鍋爐。一次風進入爐膛后，在爐膛中心形成反向雙切圓，有利于形成均勻的斷面熱負荷和降低爐膛、受熱面區域煙氣偏差。過熱器系統采用三級受熱面，每兩級過熱器之間均設置有噴水減溫器，左右兩側各一只。并能實現單獨調節，從而有效控制系統左右側汽溫偏差和防止過熱器超溫。再熱器系統包括低溫再熱器和高溫再熱器兩級受熱面。鍋爐尾部采用雙煙道設計方案，再熱汽溫主要靠前后煙道出口煙氣擋板開度的變化進行煙氣量調整來實現。同時再熱器系統設置有事故噴水減溫器，作為再熱汽溫的輔助調節手段。此外，擺動燃燒器也對再熱汽溫起到一定的調節作用。

3.2 自主研發1000 MW超超臨界塔式褐煤鍋爐的主要技術特點

受到制粉出力的影響，采用中速磨制粉系統的褐煤鍋爐在燃用更高水分的褐煤時，往往會出現排煙溫度高、鍋爐效率低、一次風率高導致燃燒調節困難和爐膛結渣嚴重等問題。因此采用扇磨制粉系統的超超臨界塔式鍋爐成為燃用高水分褐煤的理想爐型。

本方案采用正方形爐膛、塔式布置。制粉系統采用8臺風扇磨，并沿爐膛四周成軸向輻射式布置。燃燒器入口煤粉管道采用寶塔型布置，通過煤粉管道直徑的變化和流通截面的調整對一次風流量進行控制。燃燒器噴口沿爐膛水冷壁均勻布置，一次風在爐膛中心形成小直徑單切圓。通過燃燒器分組布置和采用較大的一次風間距來降低燃燒器區域熱負荷，有效減少爐膛結焦。同時在燃燒器上方合理布置SOFA風以有效控制NOx生成。

制粉系統采用三介質干燥方案，即高溫爐煙、冷爐煙和熱空氣。高溫爐煙引自布置在爐膛上方區域的抽煙口，冷爐煙一般取自預熱器出口與除塵器之前的管道，熱風則來自預熱器出口的熱風。由于干燥介質中大部分為高溫爐煙，解決了中速磨制粉系統熱風溫度較高與鍋爐熱效率的矛盾。鍋爐各級受熱面均水平布置于爐膛上部。熱煙氣依次流經低溫過熱器、末級過熱器、末級再熱器、中溫過熱器、低溫再熱器和省煤器，工質與煙氣存在較大的溫度差，保證了煙氣與各級受熱面中工質的換熱。

3.3 褐煤干燥技術主要技術特點

褐煤屬軟質煤，其特征是水份大，能量密度低，與煙煤等硬煤有很大差異。由于褐煤水分高達25%～40%甚至更高，如直接參與燃燒，大量的水分在燃燒汽化的過程中吸收大量熱量，使得鍋爐效率大大降低。此外，由于大量水分的存在，褐煤鍋爐體積也較煙煤鍋爐體積更加龐大，鍋爐造價增加約25%，限制了大容量褐煤鍋爐在我國的發展。

在此背景下，哈鍋積極研發新型褐煤應用技術，以國內某電廠煤質為主要研究對象，提出了600 MW等級開式制粉系統超臨界鍋爐方案。

經過干燥后的煤質水分大大降低，發熱值更加接近于煙煤，但由于干燥后的煤種所含灰分的成分沒有發生改變，其結焦和磨損特性與干燥前煤質相比沒有明顯變化，甚至更加惡化。因此鍋爐方案除了要與褐煤提水系統作為一個整體進行考慮并提供煤質干燥所需的熱量外，還應保證鍋爐的長期安全穩定運行。本方案鍋爐為超臨界參數，采用塔式布置，六角切圓燃燒方式，采用開式制粉系統，每臺爐配備6臺給粉機，5臺運行，1臺備用。下爐膛采用螺旋管圈水冷壁，上爐膛采用垂直管圈水冷壁，中間采用混合集箱，可有效對工質進行充分混合并消除工質溫度偏差。爐內過熱器、再熱器和省煤器均采用水平布置方式，為全輸水型。煙氣向上流動依次流經低溫過熱器、末級過熱器、末級再熱器、中溫過熱器、低溫再熱器和省煤器，然后進入預熱器與冷空氣進行換熱。

4 結語

隨著我國火力發電裝機容量迅速增長，優質煙煤供應不足。開發適于燃用褐煤的大容量、高效、環保的電站鍋爐、高效褐煤發電爐煙干燥開式制粉系統鍋爐以及煙氣余熱回收技術，充分利用我國儲量豐富的褐煤資源，將進一步增強我國大容量高參數鍋爐對燃用高水分褐煤的適應性，以滿足我國能源發展戰略和產業升級的要求。

［1］ 張殿軍，尹向梅.1000 MW超超臨界褐煤鍋爐的研究與初步設計［J］.動力工程，2010，30（8）：559-566.