660 MW超臨界塔式爐燃用高鈉褐煤實踐研究

于鵬峰，黃偉，李文軍，楊劍鋒，宋清泉

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.神華國能哈密電廠，新疆哈密839000)

660 MW超臨界塔式爐燃用高鈉褐煤實踐研究

于鵬峰1，黃偉1，李文軍1，楊劍鋒1，宋清泉2

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.神華國能哈密電廠，新疆哈密839000)

對新疆哈密大南湖礦區兩種高鈉褐煤進行了結渣特性分析，介紹了哈密某電廠塔式鍋爐針對哈密高鈉褐煤采取的設計措施、調試及運行中發現的問題以及采取的預防及處理措施，并對燃用高鈉煤鍋爐設計及運行提出了建議，結合機組調試及燃燒優化試驗實踐證明采取科學措施后燃用該地區高鈉煤可實現大比例摻燒。

塔式鍋爐；高鈉煤；結渣

近年來，隨著 “西電東送” 項目的落實，新疆準東地區及哈密地區作為已探明的新疆乃至全國最大煤炭基地，已在逐漸地擴大開發，一批大容量、高參數燃煤發電機組正在陸續建成。該地區煤質著火溫度低、燃盡率高、燃燒經濟性高、且污染物排放低等優點，特別符合我國節能減排的目標〔1〕。但這兩個地區煤灰中堿金屬 (鈣、鈉、鉀)含量較高，具有嚴重的結渣、沾污特性。運行結果顯示高比例燃用高堿煤后許多電廠鍋爐都發生了嚴重的結渣、沾污，威脅到鍋爐機組的安全和經濟運行。隨著新疆地區大量新建機組的投產，如不解決高堿煤鍋爐燃用問題，未來大量機組投產后將面臨嚴重的運行安全問題。

某集團哈密電廠4×660 MW工程鍋爐為上海鍋爐廠針對哈密地區高堿煤設計生產的首批2 236 t/h超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流塔式鍋爐，4臺機組于2015年7月全部投產，這4臺鍋爐調試及運行中總結的經驗將對后期燃用高堿煤鍋爐的設計及運行具有重要的意義。

1 設備概況及燃用煤質

某電廠4×660 MW工程鍋爐為上海鍋爐廠生產的2 236 t/h超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛塔式布置、四角對稱正反切向燃燒、擺動噴嘴調溫、一次再熱〔2〕，平衡通風，全鋼架懸吊結構，固態排渣，同步安裝脫硫、脫硝裝置。

該電廠主要燃用哈密大南湖礦區一、二礦煤，該礦區已經揭露的上層煤質資料顯示，各煤層具有高內在水分 (Mad=10.78%～11.92%)，特低-低灰分 (Ad=9.49%～11.95%)，高揮發分 (Vdaf= 39.7%～41.88%)，低-中-高發熱量Qgr.d=(10.11～22.95～28.97 MJ/kg)，特低-高氯 (Cld=0.02%～0.53%)，較低煤灰軟化溫度 (ST=1 150～1 226℃)，難-易磨 (HGI=49.64～156)，氧化鈉、二氧化硅及三氧化二鋁含量分布寬特點 (Na2O為2%～11%，SiO2為 20.12%～50.12%，Al2O3為5.01～26.31%)。與新疆準東地區平均煤質比較，哈密地區煤熱值低30%、灰分較高，灰分中Na2O，MgO，CaO等堿金屬含量水平相當，因此折算成單位熱值，單位質量煤的堿金屬較準東地區高得多。反映在灰熔點上，哈密煤比準東煤低100℃以上，具有更強的沾污、結焦特性。同時大南湖礦區煤中SiO2，Al2O3含量比新疆其他地區 (如準東地區)高，這是大南湖礦區煤的主要特點之一。表1為該電廠主要燃用的煤質。

表1 大南湖一、二礦煤質分析結果

2 煤質結渣特性分析

煤質特性對結渣的影響主要體現在燃用煤種的熔融特性溫度 (DT/ST/FT)以及灰的熔化特性及其與成分的關系上。為判斷不同煤種在燃燒時的結渣性能，國內外學者提出了許多判別方法，大致可以分為3個方面，即根據煤灰物理特性、煤灰的成分特性進行評判以及爐內結渣的綜合評判。煤灰的物理特性包括煤灰的熔點溫度、灰渣粘度、燒結溫度、渣形特征等〔3〕。常用的結渣判別方法列舉見表2，大南湖一、二礦煤各種計算結果見表3。

表2 煤灰成分結渣傾向性判別指標

表3 大南湖一、二礦煤結渣計算結果

表2中各公式的計算方法如下:

式中

從以上各種結渣指數判別方法看，二礦煤屬于嚴重結渣煤質，一礦煤介于中等結渣與嚴重結渣之間。無論是在爐膛選型、燃燒器設計，還是在受熱面的布置方面都應當給予高度重視。

3 針對高鈉煤的設計措施

針對上述燃煤特征，鍋爐廠在設計階段從以下幾個方面對鍋爐的選型及相關參數的選取進行了優化。

3.1 爐型的選擇

煤粉鍋爐主要分為π型爐及塔式爐兩種，塔式爐主要有以下優點: (1)相同條件下較低的屏底煙溫和較小的爐膛出口截面煙溫偏差； (2)受熱面水平布置，無水平煙道，無折焰角，不易堆灰，有利于受熱面吹灰器的布置，無吹灰死角；(3)煙氣流速向上，灰粒子受重力作用，部分粘聚的大顆粒可通過重力作用回落至爐膛； (4)與π型布置相比，選用塔式鍋爐，更易于尾部受熱面布置和蒸汽側參數匹配，從而大幅度降低結渣、沾污、積灰趨勢。基于以上優點，塔式爐更適用燒高堿煤。

3.2 爐膛參數的選取

通過增加爐膛高度來增加爐膛容積，以降低容積熱負荷來緩解結渣情況 (塔式布置)。其爐膛高度比同級別的鍋爐高10 m以上。

根據 《火力發電廠大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》 (DL/T 831—2002)，切圓燃燒鍋爐燃用褐煤其爐膛特性參數推薦上限值:爐膛容積熱負荷為68～80 kW/m3；爐膛斷面熱負荷為4.0～5.0 mW/m2；燃燒器區域熱負荷為1.0～1.6 mW/m2；燃盡高度為22～26 m。

表4為哈密地區兩種爐型爐膛設計參數對比。從表中看出該塔式爐設計參數均優于π型爐及選型導則要求。

3.3 燃燒器及吹灰器布置

1)燃燒器采用同心正反對沖切向燃燒技術，一次風對沖，通過二次風開度來調整切圓大小，可有效防止煤粉氣流沖刷水冷壁。將高溫、貧氧、富煤粉的燃燒過程控制在爐膛中心進行，而在水冷壁區域創造低溫、富氧、貧煤粉的區域。

2)燃燒器布置采用垂直方向分段布置方案，ABC層與DEF層燃燒器分組布置，拉開間距、降低燃燒器區域熱負荷，不僅降低 NOx的生成率，而且可以實現低溫燃燒，有效防止結渣。

3)設計8套爐膛水力吹灰器，當爐膛結渣時使用水力吹灰進行除焦。

表4 兩種爐型爐膛設計參數對比

4 調試及運行中發生的問題

1)調試及投產初期，在400 MW以下負荷可全燃二礦煤，鍋爐的各項主要參數基本正常，鍋爐無嚴重結焦。高負荷下當二礦煤摻燒比例超過50%時，渣量較大，后期調整一二次風比例、優化配風提高吹灰頻率后高負荷下摻燒二礦煤比例可達75%。

2)一級過熱器區域沾污較快，主要集中在迎風面。圖1為從一級過熱器取下來的渣樣及爐內實際沾污情況。

圖1 一級過熱器結渣情況

3)干除渣系統排渣不暢。高負荷高比例摻燒二礦煤后，當出現較大渣塊且渣快較硬時，碎渣機經常發生卡澀，且由于沒有設計旁路，導致無法排渣，因此在渣倉上部開孔進行就地排渣，同時擠渣頭設計擠壓壓力為10 MPa。當爐膛掉大焦時，焦塊較硬，擠壓不動，需人工進行除焦，勞動強度極大。后期利用停爐機會對除渣系統進行了改造，提高了擠渣壓力，增設了碎渣機旁路并將碎渣機電機更換為大功率電機，排渣能力得到明顯改善。

4)再熱汽溫波動大。2號鍋爐投產最早，運行時間長，一級過熱器及三級過熱器處形成了穩定結渣層，再熱汽溫偏高，尤其是長時間未進行一級過熱器吹灰時，再熱汽溫會比過熱汽溫高10～20℃。4號機組投產最晚，運行時間短，過熱器結渣層薄，低負荷下，尤其是低負荷下過熱器吹灰完后，再熱汽溫較過熱汽溫低10～20℃。

5 優化運行措施

針對鍋爐結焦問題，運行、調試、生產、設計等單位進行了一系列調整，主要采取了以下措施:

5.1 燃燒調整措施

保持適當氧量，合理配風，控制風箱/爐膛差壓:根據負荷制定氧量和風箱/爐膛差壓控制曲線，根據負荷及磨煤機投運情況制定二次風門開度控制曲線；適當提高風箱差壓，增強二次風剛度，減少啟旋風 (偏置風)開度，避免一次風刷墻。

調整一次風率、密封風壓力:適當減少一次風率，降低一次風風速和剛度。

一次風熱態調平:通過調平防止火焰偏斜、爐內熱負荷不均。

改變二礦煤摻燒方式:通過試驗摸索不同比例、不同磨煤機組合摻燒高鈉煤，由原先的分層摻燒改為集中摻燒，即二礦高堿煤放在上層燃燒器(CDE磨組合或BCDE磨組合)集中摻燒，有利于控制爐內結焦〔4〕。

5.2 優化吹灰

采用定期吹灰和重點吹灰相結合的方式。通過觀察減溫水量、壁溫與汽溫差、受熱面進出口溫差進行優化吹灰，通過現場探火孔觀察等方式發現結焦時安排進行打焦和局部吹灰，根據水冷壁結焦情況適時投入水冷壁水力除焦裝置。

通過以上的調整措施，初步確定了燃燒配風方式、二礦煤摻燒比例、摻燒方式和各受熱面吹灰頻率，目前二礦煤為比例50%～75%。從鍋爐運行情況來看，4臺鍋爐運行穩定，結焦情況明顯改善，爐底掉大焦問題較少發生。鍋爐停爐檢查，爐膛水冷壁無明顯掛著的大焦塊，除一級過熱器外受熱面也無明顯沾污現象。

6 對燃用高鈉煤的建議

6.1 鍋爐設計

解決高鈉煤結焦、沾污問題的關鍵是鍋爐設計選型。如果設計選型不當，其它措施無法根本解決問題。選擇合適的爐型、燃燒方式、爐膛結構參數和熱力參數，燃燒器布置方式尤為重要。主要從降低爐膛容積熱負荷、斷面熱負荷，提高燃燒器間距，延長燃燒器至屏底間距著手，同時針對可能發生的結焦、積灰問題，適當增加吹灰器數量，必要時增設水力吹灰裝置可起到緩解作用。

6.2 輔助設備

目前燃用高鈉煤鍋爐比較突出的問題是爐內一旦結渣渣量較大，結渣時間長時渣塊硬度大。必須保證干除渣系統出力，保證排渣順暢，建議采取以下措施:增大渣斗格柵間距；增大擠渣門、碎渣機出力；干除渣設計成二級除渣 (碎渣機+旁路)；在渣井處設計噴水系統。

6.3 進行燃燒優化調整試驗

優化運行氧量和SOFA開度，保持爐內適當的過量空氣系數，保證不缺氧的同時降低火焰中心。

進行一次風調整及調平，防止火焰偏斜，爐內熱負荷不均。

優化煤粉細度和磨出口一次風溫，控制煤粉著火與燃盡。

優化不同負荷下磨煤機的組合方式，通過試驗確定摻燒的比例和方式。

優化燃燒器擺角，避免火焰中心過分上移。

優化配風方式，防止水冷壁貼壁處缺氧燃燒。

燃燒穩定前提下降低爐膛溫度。

運行中加強對結焦、積灰情況的監視。

針對鍋爐不同設計情況，通過優化吹灰使受熱面保持合理結渣厚度。

建議增加紅外測溫、爐內成像觀測裝置，利用先進的監視手段，對受熱面結焦、沾污情況進行定期監測，定向清焦，發現問題及時采取調整和處理措施。

〔1〕王彥林，郭前鑫，翟文東.燃用哈密高鈉高氯煤的超臨界鍋爐設計和運行 〔J〕.中國電力，2014，47(4):60-64.

〔2〕上海鍋爐廠有限公司.鍋爐設計說明書 〔S〕.2014.

〔3〕艾靜，秦裕琨，朱群益，等.國內外煤灰結渣判別指數的探討 〔J〕.電站系統工程，1994.10(2):1-4.

〔4〕西安熱工研究院有限公司.神華國能哈密電廠2號鍋爐配煤摻燒試驗報告 〔R〕.2015.

〔5〕湖南省湘電試驗研究院有限公司.神華國能哈密電廠1、2號鍋爐整套啟動調試報告〔R〕.2015.

Practice and research of high sodium lignite combustion characteristics in 660 MW subcritical pressure updraft boiler

YU Pengfeng1，HUANG Wei1，LI Wenjun1，YANG Jiangfeng1，SONG Qingquan2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Electric Power Research Institute，Changsha 410007，China；2.Shenhua Guoneng Hami Power Plant，Hami 839000，China)

This paper analyzes the slag characteristics of high sodium lignite of south lake mine in Hami of Xinjiang Province，introduces the design measures，commissioning and operation situation of the tower boiler of Hami power plant，and puts forward some suggestions on the design and operation of high sodium coal boiler.The practice has proved that it can realize the large proportion of co-comubustion with high sodium coal in the region after the scientific measures are taken.

updraft boiler；high sodium lignite；slag

TM227.1

B

1008-0198(2016)04-0066-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.017

2015-11-20