600 MW煙煤鍋爐摻燒褐煤試驗研究

武 生

（國電科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210023）

0 引言

近年來，受煤炭價格影響，燃用非設計煤種、混合煤種、摻燒褐煤等［1-3］方式成為火電企業降低燃料發電成本提高效益的主要手段，當煤質發生較大變化時，嚴重影響鍋爐運行的經濟性與安全性［4-9］。本文以某600 MW機組鍋爐為研究對象，分別對不同褐煤摻燒比例下的制粉特性、爐內燃燒特性、燃燒效率、污染物排放特性等方面進行全面分析，以期為同類型鍋爐褐煤摻燒優化及技術改造提供依據。

1 設備概述

該鍋爐為超臨界、單爐膛、一次中間再熱直流鍋爐，采用中速磨煤機、正壓直吹式制粉系統，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器。燃燒器共設置六層煤粉噴嘴，鍋爐配置6 臺HP1003 型磨煤機，采用低NOx同軸燃燒系統雙調風旋流燃燒器。鍋爐的主要設計參數見表1。

鍋爐設計煤種為煙煤，神混煤為常用煤種，試驗旨在研究不同褐煤摻燒比例對爐內燃燒特性、鍋爐熱效率及各運行參數的影響，以分磨摻燒為原則，設計了3種不同摻燒比例工況，為增強工況之間的對比性，增加純神混煤工況4。各工況下均保持A磨，B磨，C磨，D磨，E磨的運行方式。試驗工況具體見表2。

表1 鍋爐主要參數

表2 摻燒試驗工況

為保證摻燒褐煤時制粉系統的安全性，試驗前對磨煤機消防滅火蒸汽系統進行逐一檢查，磨煤機出口溫度控制不超70 ℃。4 種工況下，負荷穩定600 MW 不變，運行方式保持一致。按照分磨摻燒對應磨煤機的給煤量和煤質指標，加權平均得到4 種工況的入爐煤煤質如表3所示。

表3 入爐煤質分析

2 試驗結果及分析

2.1 制粉系統出力及制粉單耗的影響

褐煤全水含量通常比煙煤高10%～15%，摻燒褐煤后可能受干燥出力限制而造成制粉系統的出力下降，因此制粉系統出力變化是需要關注的方面之一。表4 為各工況下磨煤機出力變化，通過調整磨煤機入口冷風門開度、降低磨出口溫度，增加折向擋板開度從45°至55°等措施，C磨、D磨、E磨出力可以達到46～48 t/h，其余磨出力變化范圍為40.2～47.9 t/h，可見摻燒褐煤后制粉系統的出力能滿足鍋爐運行要求。不考慮煤粉細度的影響，4種工況下對應的制粉單耗分別為：9.51 kWh/t、9.04 kWh/t、9.00 kWh/t、9.48 kWh/t。

表4 制粉系統出力

2.2 爐內溫度場及結渣情況

爐內的結渣情況通過觀察爐渣的形態變化和水冷壁以及大屏上的結渣情況來綜合判斷，摻燒褐煤前大部分的前、后屏上較為干凈。隨著摻燒比例的增加，爐底撈渣機上的爐渣從原先的白色細沙狀過渡為黑色，并有塊狀渣出現，大的直徑為10 cm左右，另外前屏上掛渣逐漸增加，部分管子被渣覆蓋，燃燒器上方的水冷壁上出現局部的覆蓋狀疏松渣。因爐膛吹灰存在盲區或吹灰器吹掃時不能徹底清除水冷壁上的渣，結渣現象具有累積性會影響后續工況。

噴口的著火情況根據燃燒器區域附近的觀火孔用肉眼觀察的方法進行比較，摻燒褐煤對應燃燒器噴口的煤粉氣流會偶爾出現明火，說明著火距離有拉近的趨勢。爐膛溫度場測試結果顯示爐內溫度沒有呈現規律性的變化，如圖1所示。

2.3 鍋爐效率及各項損失

褐煤和神混煤燃盡特性都較好，4種摻燒工況下灰渣含碳量均較小。表5 中可以看出，機械不完全燃燒熱損失均較低，可見摻燒褐煤對機械不完全燃燒損失的影響不大。隨著褐煤摻燒比例的增加，排煙熱損失逐漸增大。摻燒比例為60%時，排煙熱損失比純神混煤工況增加0.53%，損失主要來自摻燒后煙氣量的增加。4 種工況下的鍋爐熱效率分別為94.15%、94.14%、94.11%、94.56%，隨著褐煤摻燒比例的增加，鍋爐熱效率總體呈下降趨勢，損失主要來自排煙熱損失。

圖1 爐內溫度隨標高變化趨勢

表5 鍋爐熱效率及各項損失

2.4 排煙溫度

表6為各工況下的排煙溫度，實測煙溫與表盤溫度基本吻合。不同工況下的排煙溫度相差不大，實測排煙溫度最高的的工況2比排煙溫度最低的工況4高了3℃。對應排煙熱損失分別為5.12%、4.73%。

表6 排煙溫度及排煙損失

2.5 對主汽參數的影響

圖2為4種工況的主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度對比圖，圖3 為不同工況下的減溫水流量的柱狀圖，對比各工況，過熱器的減溫水流量差別不大，而再熱器減溫水在工況2 和工況3 下明顯高于工況4 和工況1，褐煤摻燒過程中，建議根據減溫水量的變化適當調整鍋爐爐內吹灰頻度。

圖2 4種工況下主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度

圖3 4種工況下減溫水流量

2.6 污染物排放特性

表7 為各工況下的NOx、SO2排放質量濃度，摻燒褐煤后NOx排放質量濃度相較于神混煤工況有所增加，純神混煤工況下NOx排放質量濃度為164 mg/m3，工況3下NOx質量濃度達到最大為236 mg/m3。隨著摻燒比例增加，入爐煤含硫量逐漸升高，分別計算了煤中的硫全部轉化為SO2時的理論濃度和S 轉化率，由于煤灰中的堿金屬在燃燒過程中會與S 形成固硫產物，因此實際生成的SO2濃度遠遠低于計算值，硫的實際轉化率（質量百分比）約為55%。

表7 SO2與NOx排放質量濃度

3 結論及建議

通過對4 種褐煤摻燒工況下的鍋爐制粉出力、爐內燃燒特性、鍋爐熱效率、運行參數等分析對比，結果表明：

1）摻燒褐煤后，通過降低磨出口溫度，調整折向擋板開度等手段可使制粉系統的出力滿足要求，同時保證制粉系統運行的安全性。

2）從爐內著火情況來看，噴口的著火距離有拉近的趨勢，爐膛水冷壁、大屏上覆蓋的渣量及爐底渣量都呈增加趨勢，渣塊較為疏松，吹灰過程對渣的清除作用明顯。爐內溫度場分布沒有規律性變化。從蒸汽參數來看，與常用煤種相比差別不大，再熱器減溫水量增加明顯，建議根據運行情況調整吹灰頻率。

3）摻燒褐煤后鍋爐效率總體下降，褐煤摻燒比例為60%時，鍋爐效率同比降低約0.45%，主要來自排煙熱損失的增加，各工況下機械不完全燃燒熱損失、排煙溫度變化不大。

4）褐煤的硫分較高，煙氣中的SO2、NOx質量濃度隨著摻燒比例的提高而增大，3 種摻燒工況的NOx質量濃度均不超過240 mg/m3。