大比例摻燒超低揮發分碳基燃料在300 MW電站煤粉鍋爐上的實踐

杜進，王志超，黎海平

(1.長安石門發電有限公司，湖南常德415300；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710000)

根據國家重點研發計劃項目 “超低揮發分碳基燃料清潔燃燒關鍵技術”的子課題 “大比例摻燒超低揮發分碳基燃料電站煤粉鍋爐關鍵技術工程試驗及示范”研究安排，在開展前期實驗室燃料特性研究的基礎上，選定代表性電站煤粉鍋爐，開展不同比例半焦及氣化殘炭 (超低揮發分碳基燃料)燃用試驗，通過制粉系統調整、煤粉細度控制、燃燒優化運行、摻混方式調整等技術手段，形成完善的電站煤粉鍋爐燃用半焦及氣化殘炭技術體系，以達到電站煤粉鍋爐安全穩定摻燒45%以上比例的半焦及氣化殘炭的目標。

該課題選定某電廠3號鍋爐作為試驗對象。為此，對該電廠3號鍋爐進行了相關適應性改造，使其具備摻燒半焦及氣化殘炭的條件，開展了超低揮發分碳基燃料摻燒數值模擬，第三方測試機構在摻燒45%以上比例半焦及氣化殘炭的條件下開展性能測試。

1 設備簡介

某電廠3號鍋爐裝機容量300 MW，采用亞臨界中間再熱自然循環汽包爐，鍋爐燃燒器采用四角布置；制粉系統為中間儲倉式熱風送粉系統[1]，配鋼球磨煤機4臺，磨煤機配備動態 (動靜結合旋轉式)分離器。

2 摻燒半焦及氣化殘炭適應性改造情況

1)3號鍋爐原粉倉為分角燃燒布置，即1號粉倉對應鍋爐的五層1號、2號角燃燒器，2號粉倉對應鍋爐的五層3號、4號角燃燒器。為了實現燃燒特性不同的高低揮發分燃料摻燒，對一次風管布置進行了改進，使A、D層及E層1號、3號角燃燒器對應1號粉倉，C、D層和及E層2號、4號角燃燒器對應2號粉倉[2]。達到了主燃區同一層火嘴對應同一粉倉要求，實現了主燃區同一層火嘴對應同一粉倉，實現了分倉上煤、分磨制粉、分層送粉、爐內混燒，提高了煤種適應性的同時保證經濟性指標。

2)將A、C、D、E層一次風煤粉燃燒器改為高濃縮比、低阻力的低氮燃燒器，如圖1所示。在濃一次風向火側噴口內側采用穩燃齒和波形水平鈍體技術，在淡側產生高溫煙氣回流區，形成穩定點火源，引燃濃側煤粉。

圖1 改造后的低氮燃燒器

3)對噴口面積進行相應縮小和密封并重新布置，減少二次風門的漏風，提高了二層風箱壓力和二次風噴口風速，使二次風風速滿足摻燒超低揮發分碳基燃料的需要。

4)對制粉系統的三次風攜帶的超細煤粉進行濃縮分離后送入爐膛，如圖2所示。對制粉系統的每根三次風管道增加一套三次風濃淡分離系統，分別引出一路濃三次風和淡三次風，濃三次風布置在鍋爐的主燃區，淡三次風由鍋爐的高位燃盡風下部進入爐膛。

圖2 三次風濃淡分離

5)在距離最上層一次風約8 000 mm處重新布置三層高位燃盡風系統及兩層淡三次風，風量占總空氣量25%～30%，供風形式采用側墻整體大風箱結構，減小供風阻力，保證各角供風均勻性。燃盡風噴口均可以垂直和水平方向擺動，垂直擺動±15°， 水平擺動±10°[3]。

3 半焦及氣化殘炭摻燒[4]數值模擬

3.1 摻燒半焦試驗煤種情況

對摻配的主要煤種 (彬長煤)和半焦取樣進行工業元素分析，具體數據見表1。

表1 現場摻燒試驗煤質數據

續表1

3.2 摻燒比例研究

在爐內分層摻燒情況下，對不同半焦摻燒比例進行研究。45%摻燒比條件下，半焦布置于B、C兩層，底層布置煙煤，這相比于40%與60%摻燒比，底層煙煤布置略少，B、C層布置半焦略多。因此，此工況下的45%摻燒比，主燃區下部溫度相對較低，半焦燃燒進程相對減緩，因此相比于各層均勻噴入燃料，45%摻燒比的工況下NO生成量較高。不同半焦摻燒比例時NOx分布如圖3所示，爐膛出口參數見表2。

為保證一定的燃燒效率和降低NOx排放量，半焦摻燒比例不宜過高，為達到項目要求的45%摻燒比例下的燃燒效率以及污染物排放指標，宜進行適用于半焦與煙煤混燃的運行優化調整，實現半焦摻燒比45%，并兼顧燃燒與減排。

圖3 不同半焦摻燒比例的NOx分布云圖

表2 不同半焦摻燒比例時爐膛出口參數

3.3 半焦送入位置研究

燃燒器共分為 A、B、C、D、E共 5層，對摻燒45%比例半焦情況分別從 B、C層、A、D層、A、B、C、D、E層噴入爐膛三種工況進行了研究。

半焦從 B、C層噴入，出口 NOx濃度最小；半焦從A、D層噴入，飛灰含碳量最低，出口溫度與燃燒效率最高；半焦從A、B、C、D、E層噴入時，污染物生成量高且燃燒效率低。可見半焦不適宜全爐膛摻混，而半焦的噴入位置越向下，NOx生成量越低。而將半焦與煙煤間隔布置后，整體燃燒效率會有所提升。因此，選擇將半焦由A、D層噴入。不同半焦摻入位置時爐膛出口參數見表3。

表3 不同半焦摻入位置時爐膛出口參數

3.4 摻燒方式研究

對于中間儲存式制粉系統，可供選擇的摻燒方式有三種方式:①入爐煤摻配、爐內混燒；②分磨制粉、倉內混合、爐內混燒 (對應爐外摻燒)；③分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒 (對應爐內摻燒)[2]。

圖4是該電廠45%摻燒比例下，采用爐內摻燒與爐外摻燒對爐膛截面溫度場、氧濃度場和NOx濃度場的影響云圖。爐內摻燒采用了半焦從A、B層噴入的方案。相同摻燒比例條件下，相對于爐外摻燒，爐內摻燒的截面溫度較高[4-5]，氧濃度較低，且NOx濃度較低。爐內爐外摻燒數據對比見表4。

圖4 爐內爐外摻燒截面參數對比云圖

表4 爐內爐外數據摻燒對比

3.5 過量空氣系數研究

鍋爐運行氧量對飛灰可燃物和氮氧化物有較大的影響，對于半焦與煙煤混燃體系而言，需要針對不同鍋爐的實際情況選擇合適的運行氧量，定性的影響大致相似。模擬研究結果顯示，隨過量空氣系數的增大，飛灰可燃物降低，爐膛出口氧量和氮氧化物濃度持續增大，并且爐膛出口溫度有所降低。對于電站鍋爐，應綜合考慮燃燒效率和污染物排放的變化，選擇適宜的過量空氣系數，根據某電廠的鍋爐實際前期燃燒情況，推薦過量空氣系數在1.167～1.25之間進行優化選擇。不同過量空氣系數下NOx分布如圖5所示，爐膛出口參數見表5。

圖5 不同過量空氣系數下NOx分布云圖

表5 爐膛出口參數對比表

3.6 鍋爐主燃區過量空氣系數研究

目前，空氣分級技術廣泛應用于電廠實際運行當中，實踐表明，降低主燃區過量空氣系數，對爐膛氮氧化物有明顯的減排效果，但也會增大爐膛燃料的不完全燃燒熱損失，對飛灰含碳量及底渣含碳量有明顯影響。主燃區過量空氣系數越小，燃料在主燃區燃燒時氧氣濃度越低，產生的NOx相應較少。因此，在實際半焦與煙煤混燃燃燒組織中，需選取合適的主燃區過量空氣系數以保證更好的燃燒效果。

根據模擬研究結果顯示:當摻燒半焦與煙煤時，應選擇適宜的主燃區過量空氣系數，兼顧燃燒效率和NOx排放。根據數值模擬和實際調研該電廠鍋爐可選用主燃區過量空氣系數為0.9左右。

3.7 鍋爐燃燒二次風配風方式

對鍋爐的污染物排放和燃燒效率來說二次風配風方式較大的影響。數值模擬結果顯示:

1)倒塔配風為二次風推遲給入，煙煤在低氧濃度下燃燒，而半焦燃燒器附近則風量增加，溫度場顯示其爐膛溫度水平高于其他配風方式，且氧濃度較低，創造了高溫還原性氣氛，使得NOx排放較低，并且燃燒效率較高。

2)二次風采用均等和束腰型配風方式，爐內生成的氮氧化物較高，正塔型和鼓腰型配風的生成量居中，采用倒塔型配風后，爐內生成的氮氧化物較低。

3)采用均等型的二次風配風方式時，溫度場最高溫度相對較低，同時高溫區比較貼壁，有可能會造成水冷壁的結渣，而由于半焦燃盡所需氧氣量高于煙煤，上部二次風量較小，因此造成爐膛平均溫度變小。鼓腰配風方式為中間二次風量較高，而上下部二次風量較低，束腰配風方式則相反，因此造成兩種配風方式下，溫度場有較大的差異。

4)不同二次風配風方式工況的爐膛出口煙溫有較小的差別，均等配風工況爐膛出口煙溫最低，其余幾種配風方式的出口煙溫差別不大，因此不同配風方式對爐膛出口的之后換熱情況影響不大。

綜合考慮各方面因素的影響，對于采用A、D層燃燒器噴入半焦時，推薦采用半焦燃燒器附近二次風量增加的倒塔配風方式。

4 爐內摻燒半焦及氣化殘炭性能試驗結果

1)連續≥24 h考核試驗。

為確定半焦及殘炭爐內摻燒比例，進行了連續≥24 h考核試驗，期間總燃料量為2 449.14 t，半焦及殘炭燃用量為1 244.08 t，半焦及殘炭摻燒比例為50.80%，達到了摻燒比例≥45%的目標；試驗期間氣化殘炭燃用量為29.63 t，氣化殘炭摻燒比例為1.21%，達到了摻燒比例≥0.5%的目標。

2)鍋爐效率、燃燒效率測試結果。

四個工況的測試:工況 1(負荷300 MW、ABCD磨運行)鍋爐效率達到91.82%，鍋爐燃燒效率達到98.48%；工況2(負荷300 MW、ACD磨運行)鍋爐效率達到92.98%，鍋爐燃燒效率達到99.43%；工況3(負荷240 MW、CD磨運行)鍋爐效率達到93.07%，鍋爐燃燒效率達到99.49%；工況4(負荷240 MW、ACD磨運行)鍋爐效率達到92.67%，鍋爐燃燒效率達到99.65%。

3)鍋爐NOx排放濃度測定。

摻燒試驗前鍋爐NOx放濃度為:300 MW工況下493.74 mg/Nm3， 240 MW工況下533.00 mg/Nm3。

在大比例摻燒半焦及殘炭 (試驗期間達50.80%)后，鍋爐 NOx放濃度為:工況 1為462.61 mg/Nm3；工況2為442.33 mg/Nm3[1]；工況3為463.87 mg/Nm3； 工況4為454.31 mg/Nm3。鍋爐NOx排放濃度在300 MW、240 MW工況下均低于摻燒前水平。

5 結語

通過對鍋爐燃燒系統改造、數值理論模擬計算和實爐摻燒實踐，在該鍋爐上超低揮發分碳基燃料(半焦、氣化殘炭)的摻燒比例達到了50.8%，氣化殘炭摻燒比例達到1.21%，鍋爐燃燒效率達到了99.2%，且鍋爐氮氧化物生成濃度低于摻燒前水平。達到了所要求的超低揮發分碳基燃料摻燒比例不低于45%、摻燒后鍋爐燃燒效率不低于98%的目標，完成了現役300 MW等級電站煤粉鍋爐摻燒50%比例的超低揮發分碳基燃料 (半焦、氣化殘炭)的工業示范。

大比例摻燒半焦及氣化殘炭在現役300 MW機組電站煤粉鍋爐示范研究的成功，為煤炭清潔高效分質利用的主要副產品半焦及氣化殘炭找到了合理的應用途經，有利于從長遠上推動煤的梯級利用技術健康發展，將我國煤炭資源的分質分級梯級轉化利用真正落到實處，并能培育培養出新的經濟及就業增長點，具有顯著的社會及經濟效益。此外，由于在半焦生產過程中已率先除去了煤中的大部分污染物，將其作為鍋爐燃料會有助于后續利用環節的清潔化，具有顯著的生態效益。