660 MW超臨界電站煤粉鍋爐大比例摻燒蘭炭試驗研究

趙曉鵬，蘇永健，徐義巍，李彥軍，劉君，郭洪遠，譚愷

（寧夏京能寧東發電有限責任公司，銀川750000）

0 引言

蘭炭是無黏結性或弱黏結性的高揮發分煙煤在中低溫條件下干餾熱解，釋放出揮發分、硫、氮等雜原子和水分后得到的產品，與半焦類似［1-2］。蘭炭是一種不可多得的新型清潔能源，具有高固定炭、高比電阻、高化學活性、低灰分、低鋁、低硫、低磷“三高四低”的特性，尤其在國家不斷提倡綠色環保的前提下，提高蘭炭的利用比例顯得至關重要。經過近30年的工業發展，蘭炭產業已經形成遍布中國的循環經濟產業鏈，總產能已經超過1 億t［3］。開展不同比例蘭炭燃用試驗研究，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蘭炭技術體系，目的在于實現電站煤粉鍋爐安全穩定大比例摻燒蘭炭及氣化殘炭（超低揮發分碳基燃料）。

本文通過對蘭炭煤質進行分析，開展蘭炭與煙煤的摻燒特性試驗研究，在660 MW 超臨界煙煤電站鍋爐機組上開展了大比例摻燒蘭炭試驗，對蘭炭與電站鍋爐的適應性進行分析，初步判斷大容量機組適宜的蘭炭摻燒比例，可為電站鍋爐大規模燃用蘭炭提供理論支撐和技術參考。

1 電站鍋爐系統設備簡介

京能寧東電廠2 臺HG-2210∕25.4-YM16 型鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發制造的煙煤超臨界660 MW鍋爐，鍋爐設計煤質見表1。

表1 鍋爐設計煤質Tab.1 Design coal quality of the boiler

鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行，采用不帶再循環泵的大氣擴容式啟動系統的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、Π 型布置、緊身封閉。爐膛斷面尺寸為19.082 3 m×19.082 3 m，水冷壁下集箱標高7.0 m，頂棚管標高75.5 m。制粉系統采用中速磨直吹式制粉系統，每爐配6 臺ZGM113G-Π 型磨煤機，5 臺運行，1 臺備用；煤粉細度R90=18%。主燃燒器采用固定式，共設6 層水平濃淡煤粉一次風噴口，4 層分離型燃盡風室和8層輔助風室。其中分離型燃盡風（SOFA）室采用水平擺動形式，可以調節燃燒火球在爐膛中的位置，并用于調節由于切圓燃燒產生的爐膛出口處的煙溫偏差。主燃燒器布置在水冷壁的4面墻上，每層4 只燃燒器對應1 臺磨煤機。SOFA 燃燒器布置在主燃燒器區上方的水冷壁的四角，以實現分級燃燒，降低NOx排放。燃燒器共3 組，其中主燃燒器2 組布置于4 面墻上，形成一個大的切圓。SOFA 燃燒器布置于4 個角上，SOFA 燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為42°和48°，形成一個小的反切風切圓。燃燒器共6 層煤粉噴口，二次風噴嘴交替布置于其間，在主燃燒器的上方的二次風噴口可作為SOFA 噴嘴，在距上層煤粉噴嘴上方約6.2 m 處有4 層附加燃盡風SOFA 噴嘴。燃燒器噴口布置及標高，如圖1所示。

圖1 燃燒器噴口布置Fig.1 Layout of burner nozzles

2 蘭炭燃料特性及摻燒面臨的挑戰

本文采用寧夏本地蘭炭作為摻燒試驗煤種，煙煤及蘭炭煤質特性見表2，蘭炭灰分分析見表3。按照GB∕T 7562—2018《高品煤質量 發電煤粉鍋爐用煤》［4］劃分，蘭炭煤質屬于低-特低揮發分、中高-高熱值、低灰分、特低硫分、低灰熔點、難可磨性煤種；根據DL∕T 831—2015《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》［5］，蘭炭煤灰軟化溫度（ST）為1 190 ℃，灰分堿酸質量比為1.3，綜合結渣指數為4.14，屬于嚴重結焦煤質。

根據蘭炭工業分析和灰分分析，綜合判斷蘭炭煤粉氣流著火性能屬于難著火，燃盡性能屬于難燃盡，結渣性能屬于嚴重結焦［6］。

對本機組鍋爐而言，由于摻燒蘭炭煤質偏離設計煤質較多，隨摻燒比例增加，入爐煤質的揮發分大幅下降，爐內燃燒穩定性和燃盡性下降；蘭炭哈氏可磨性指數低，磨煤機出力降低，煤粉細度升高，沖刷磨損指數升高；在蘭炭摻燒過程中可能存在鍋爐結焦、減溫水流量過大、鍋爐受熱面壁溫超溫、低負荷燃燒不穩、爐膛出口NOx質量濃度升高、煤粉燃盡率降低和鍋爐效率下降等問題［7］。因此，需要通過摻配及燃燒調整確定合理的蘭炭摻燒比例及摻燒方式。

表2 蘭炭煤質特性Tab.2 Semi coke characteristic

表3 蘭炭灰分分析Tab.3 Semi coke ash content analysis %

3 蘭炭摻燒試驗研究

3.1 磨煤機適應性調整

由于蘭炭HGI 較低，為控制蘭炭煤粉細度、保證蘭炭煤粉氣流著火及時和燃盡，需將磨煤機動態分離器轉速提高，但分離器轉速的提高會增加磨煤機阻力和電流，單臺磨煤機出力平均降低15%～20%，綜合考慮磨煤機出力及煤粉細度R90的變化，將蘭炭磨煤機動態分離器轉速由原來85 r∕min 提高至105 r∕min，控制蘭炭磨煤粉細度在10%～15%。#21，#23，#24磨煤機動態分離器轉速與煤粉細度變化如圖2所示。

3.2 摻燒方式及位置的確定

由于蘭炭HGI 較低，如采用混煤爐內摻燒方式［8］，則混煤的煤粉細度將難以保證，混煤的煤粉細度偏向于蘭炭特性，混煤的煤粉細度偏大，不利于混煤的著火和燃盡。根據數值模擬試驗結果，結合鍋爐實際運行狀況，蘭炭摻燒采用分磨制粉爐內摻燒方式。

圖2 #21，#23，#24磨煤機動態分離器轉速與煤粉細度對比Fig.2 Comparison of dynamic separator rotating speed and pulverized coal fineness between #21，#23 and #24 pulverizers

為了達到蘭炭摻燒試驗要求，對于蘭炭摻燒質量分數為45%以上時的不同蘭炭燃燒器配置情況進行數值模擬試驗。本鍋爐共6 層燃燒器，自下而上分別稱為A，B，C，D，E，F 層。基于鍋爐安全穩定運行的考慮，B 層燃燒器需噴入煙煤穩定鍋爐燃燒，則蘭炭可從A，C 層，A，D 層，A，E 層，C，D 層，C，E層，D，E層均勻噴入爐膛，其余層燃燒器均勻噴入煙煤。通過對不同蘭炭摻燒位置進行數值模擬試驗，數值模擬結果見表4。

表4 不同蘭炭摻燒位置下爐膛出口參數Tab.4 Parameters at furnace outlet with semi coke added from different positions

由表4可見，當蘭炭摻燒位置改變時，爐膛出口溫度變化幅度不大，當最上層燃燒器用于燃燒蘭炭時，爐膛出口溫度略有提高。對比A，E 層，C，E 層，D，E 層3 種工況與其他工況，可以發現，當蘭炭從E層噴口噴入時，NOx排放質量濃度明顯增加，最高為471.66 mg∕m3。蘭炭摻燒位置的上移會使得爐膛出口飛灰中碳的質量分數增加，但燃盡率呈現出相對增加的趨勢，爐膛出口NOx質量濃度也隨之增加。蘭炭從C，D 層噴入，由于此區域內溫度較高，且蘭炭在爐膛中停留的時間相對較長，使得蘭炭燃料的燃盡率最高。

綜合考慮蘭炭燃燒性能和NOx排放性能，確定蘭炭從A，C，D 層燃燒器噴入時的燃盡情況與生成的NOx的質量濃度均相對較理想。因此，確定A，C，D層燃燒器分別對應的#21，#23，#24磨煤機單獨摻燒蘭炭煤種，其他磨煤機摻配煙煤。

3.3 不同負荷下大比例摻燒蘭炭對鍋爐性能的影響

3.3.1 摻燒蘭炭對鍋爐汽水系統的影響

選取機組負荷450，550，660 MW 3 個工況，A，C，D 磨煤機摻燒蘭炭的質量分數為50%，對比摻燒前后鍋爐汽水系統的影響，在3個不同工況下，鍋爐過熱器減溫水流量略有升高，再熱器減溫水流量基本未變，相同負荷下鍋爐總煤量下降約25 t∕h 左右，鍋爐排煙溫度升高，主要原因是蘭炭熱值高，揮發分低，火焰中心升高，中間點過熱度升高，其他汽水系統各參數正常，未出現明顯異常變化，鍋爐未出現明顯結渣情況。具體試驗數據見表5。

3.3.2 摻燒蘭炭對鍋爐NOx排放的影響

由表5 可見，在660，450 MW 負荷時，摻燒質量分數為50%的蘭炭前后鍋爐NOx的質量濃度分別為258.20，262.65 mg∕m3，略有升高；在550 MW 負荷時，NOx質量濃度為208.3 mg∕m3，略有下降但變化幅度不大。鍋爐NOx質量濃度變化的主要原因為高負荷時爐膛溫度高，鍋爐熱力型NOx質量濃度增加；低負荷時鍋爐運行氧氣的體積分數增高，鍋爐燃料型NOx質量濃度增加。對鍋爐整體NOx質量濃度來說，增加幅度最大為18.42%，具體試驗數據見表6。

3.3.3 摻燒蘭炭對鍋爐SO2排放的影響

選取機組負荷450，550，660 MW 3 個工況，A，C，D 磨煤機摻燒蘭炭的質量分數為50%，對比摻燒前后鍋爐SO2質量濃度，在3 個不同負荷時SO2質量濃度分別為3 812.5，2 700.4，3 842.5 mg∕m3，鍋爐SO2質量濃度呈下降趨勢，尤其在中高負荷段鍋爐SO2質量濃度最大下降幅度達40.65%，鍋爐SO2質量濃度下降的主要原因為蘭炭收到基硫分只有0.28%，鍋爐入爐煤整體硫分降低，煙氣脫硫（FGD）系統的SO2排放質量濃度下降，有利于降低環保排放總量。具體試驗數據見表7。

3.3.4 摻燒蘭炭對鍋爐效率及燃燒效率的影響

同樣選取機組負荷450，550，660 MW 3個工況，A，C，D 磨煤機摻燒蘭炭的質量分數為50%，對比蘭炭摻燒前后鍋爐飛灰中碳的質量分數、排煙溫度、鍋爐效率及鍋爐燃燒效率的變化情況。在3個不同負荷時，鍋爐飛灰中碳的質量分數、排煙溫度呈升高趨勢，鍋爐效率呈下降趨勢，主要原因為蘭炭揮發分低，燃盡時間增加，蘭炭煤粉在爐內停留時間短，造成爐膛火焰中心升高，爐膛出口溫度升高，鍋爐排煙溫度和飛灰及爐渣中碳的質量分數升高，鍋爐效率有所下降，影響機組的煤耗升高［9-15］。在550 MW 和450 MW 時，盡管鍋爐效率分別下降0.82%和0.23%，但燃燒效率升高0.72%和0.56%，主要原因為中低負荷段鍋爐一次風壓降低，蘭炭煤粉細度下降控制在10%左右，煤粉均勻性達到1.35，整體鍋爐煤粉燃燒效率均值升高到99.09%。具體試驗數據見表8。

表5 不同負荷下摻燒蘭炭后鍋爐汽水系統參數對比Tab.5 Parameters of the boiler's steam and water system taking semi coke co-combustion under different loads

表6 不同負荷下蘭炭摻燒前后鍋爐NOx生成量對比Tab.6 Comparison of NOx emission from the boiler before and after semi coke co-combustion under different loads

表7 不同負荷下蘭炭摻燒前后鍋爐SO2質量濃度對比Tab.7 Comparison of SO2 emission from the boiler before and after semi coke co-combustion under different loads

表8 不同負荷下蘭炭摻燒前后鍋爐效率及燃燒效率對比Tab.8 Comparison of boiler efficiency and combustion efficiency before and after semi coke co-combustion under different loads

4 結束語

本文在充分掌握蘭炭燃料特性的基礎上，在660 MW 超臨界鍋爐上開展了大比例摻燒蘭炭試驗，實現了質量分數為50%的蘭炭摻燒，NOx原始排放質量濃度達258 mg∕m3，鍋爐燃燒效率達98.91%。同時，通過試驗得出蘭炭燃料與所配中速直吹式制粉系統煙煤鍋爐的適應性，掌握了煙煤鍋爐摻燒蘭炭燃料的關鍵技術，提出蘭炭摻燒適宜的燃燒方式、鍋爐調整方式及原則，主要結論如下。

（1）電站煤粉鍋爐大比例摻燒燃用蘭炭在實踐中是可行的，以本機組鍋爐為例，可以實現安全穩定摻燒質量分數為50%的蘭炭。

（2）電站鍋爐燃用蘭炭具有爐內結渣輕，大幅度降低煙氣SO2質量分數的特點，對高硫高熱值煤具有較好的替代優勢。

（3）對于蘭炭造成磨煤機出力降低的問題，可以采取加強設備維護水平或技術改造，提高磨煤機出力。

（4）在綜合考慮鍋爐燃燒穩定性和經濟性方面，蘭炭摻燒采用分磨制粉爐內摻燒方式，分層燃燒保持燃燒穩定性；同時，可通過優化鍋爐燃燒配風方式、調整風煤比，提高蘭炭摻燒的經濟性。