1 030 MW機組鍋爐超溫與低水澳煤相關性研究

朱青國，郭文廣，徐書德，謝增孝，俞建楠，鄭水明，楊建國

（1.浙江浙能中煤舟山煤電有限責任公司，浙江 舟山 316131；2.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027；3.浙江省能源集團有限公司煤炭及運輸分公司，杭州 311121）

0 引言

近年來雖然受到環保政策的影響，我國煤炭消費有所降低，但燃煤電廠煤炭使用量依然在短時間內難以減少［1］。澳大利亞煤炭（以下簡稱“澳煤”）儲量占世界第4位，大多數出口澳煤屬優質煙煤，2019 年中國進口澳煤占煤炭總進口量的四分之一，2020 年前8 個月澳煤進口量已相當于2019年全年進口量的91.5%［2］。我國一般以內水6%為指標將澳煤分為高水澳煤和低水澳煤［3］。高水澳煤燃燒特性與我國神混煤或蒙煤相似，優于優混煤，低水澳煤燃燒特性與優混煤相似，但澳煤煤化程度較高，可磨性較差［4］。張海丹［5］等利用TGA-FTIR（熱重-紅外聯用）技術，對比了蒙混煤和富動24 煤，認為低水分和較高灰分的特點是低水澳煤難燃盡以及燃盡溫度較高的原因。陳立明［6］指出澳煤因其內在水分較高可以增大空氣與煤粉的接觸面積，更易燃盡，同時提高磨煤機出口溫度，有利于煤粉著火與燃盡，但進口澳煤不同批次煤質指標差異較大，不同礦點不同批次的澳煤需要相應的優化調整方法。

與高水澳煤相比，低水澳煤產量大，在長時間通關情況下自燃風險低、損耗小，因而更適合發電企業大規模使用。華曉宇［7］等人基于ASME和GB兩種標準計算出摻燒澳煤后的效率略高于全燒優混煤的效率。李沙［8］等進行了600 MW機組鍋爐摻燒澳煤飛灰含碳量測試，認為低水澳煤的煤質和灰熔點與我國優混類煤相當，實際燃燒過程中的著火特性較接近，但存在燃燒過程長、燃盡性差、飛灰含碳量增加、減溫水量增加、鍋爐排煙溫度偏高等問題，給發電廠摻燒的安全性和經濟性帶來較大影響。煤粉粒徑對煤燃燒性能有很大影響，煤粉粒度減小，燃燒性能明顯改善，煤粉燃燒更快、更徹底［9-10］。而在澳煤摻燒時，由于澳煤硬度較高，煤粉偏粗，不易燃盡，且隨著澳煤摻燒比例增加，石子煤排量增加，飛灰含碳量偏高，NOX生成量有所增加，過熱器、再熱器減溫水量上升明顯［11］。富氧燃燒雖有利于降低NOX生成，提高燃盡率［12］，但常規應用存在一定難度。

某1 030 MW超超臨界機組鍋爐長期摻燒低水澳煤，鍋爐存在受熱面超溫問題，基于已有文獻對低水澳煤的認識，懷疑鍋爐受熱面超溫是燃用低水澳煤所導致。本文通過鍋爐摻燒試驗及實驗室實驗分析，研究相應的解決方案。

1 存在的問題及試驗分析

1.1 設備概況

某臺1 030 MW 超超臨界機組配備B&WB-3048/26.15-M燃煤鍋爐，燃燒系統為前后墻對沖燃燒系統，制粉系統為中速磨煤機正壓直吹式系統，配置6臺HP1163/Dyn型中速磨煤機，每臺磨煤機出口分為4根煤粉管道，每根煤粉管道再一分為二，共8根煤粉管道，對應鍋爐的一層8只燃燒器。燃燒器標識為：前墻由下到上分別為B、D、C層，后墻由下到上分別為A、F、E層。

1.2 運行問題

運行人員反映鍋爐存在受熱面超溫的問題，主要表現為高溫再熱器（以下簡稱“高再”）超溫較為頻繁，屏式過熱器（以下簡稱“屏過”）和后屏過熱器（以下簡稱“后屏”）也存在一定的超溫機率，雖然通過減溫水量和風量調整可以控制，但也給運行安全帶來一定的隱患，而且時常導致過熱器和再熱器減溫水量偏高。由于低水澳煤為機組常用摻燒煤種，結合已有研究普遍認為低水澳煤存在相對難以燃盡的特性，因此認為鍋爐存在的問題是由低水澳煤引起，有必要開展針對燃用低水澳煤的優化研究。

1.3 鍋爐試驗分析

首先進行了澳煤摻燒的摸底試驗，對比分析不同煤種及其摻燒方式與摻燒量對鍋爐運行參數的影響，試驗煤種、煤質見表1。由于低水澳煤煤質與優混煤接近，一般將低水澳煤作為優混煤的替代煤種，因此采用優混煤作為對比煤種。試驗工況見表2，僅改變入爐煤種及其摻燒比例，各工況的試驗負荷為1 030 MW，SCR（選擇性催化還原法）脫硫系統入口氧量控制在3%左右，保持燃燒器旋流角、風門開度、燃盡風率等配風方式不變，保持磨煤機投運方式一致且各磨煤機給煤量均等，穩定2 h后開始測試。空預器出口溫度、氧量、CO濃度采用網格法測量，飛灰含碳量利用撞擊式飛灰采樣裝置采樣。試驗結果見表3。

表1 摻燒試驗煤種煤質

表2 澳煤摻燒試驗煤種及配比情況

由表3可知，用低水澳煤替代優混煤并逐漸增加摻燒量，鍋爐煙氣參數和減溫水量并沒有呈現明顯的規律性變化，甚至低水澳煤有更好的表現趨勢。屏過、后屏、高再的壁溫上限報警值分別為563 ℃、606 ℃、629 ℃，工況1、工況2、工況4中高再出現了偶發性、短時間的管壁超溫情況，但是根據摻燒工況排列來看，超溫與低水澳煤的摻燒沒有明顯的相關性和規律性。

在鍋爐四周觀火孔用紅外高溫儀測量爐膛溫度，每個爐膛標高的煙溫取平均值，得到爐膛溫度分布曲線如圖1所示。圖1中爐膛溫度測量起始點（43.2 m）位于燃盡風（40.8 m）上部，前屏底部標高58.7 m。從圖1的總體趨勢可以看出，摻燒優混煤時的爐膛溫度相對最高，摻燒兩倉低水澳煤時的爐膛溫度相對最低，摻燒一倉、三倉時的爐膛溫度反而基本相近。雖然不同工況的爐膛溫度有一定差異，但總體上各工況的爐膛溫度差異并不太大，均值偏差僅在±40 ℃范圍內。因此可以認為，爐膛溫度的差異與低水澳煤的摻燒沒有明顯的相關性和規律性。

圖1 爐膛溫度分布

在同一臺磨煤機上，對低水澳煤、優混煤分別進行煤粉細度測試。保持給煤量、風煤比、磨煤機出口溫度、動態分離器轉速基本一致，在8根煤粉管道內采用等速取樣法和網格法采集煤粉，8個煤粉樣混合后分析煤粉細度，得到低水澳煤和優混煤的R90分別為13.28%和15.93%、R200分別為0.75%和0.77%。結果表明，兩種煤的煤粉細度基本相近，低水澳煤的煤粉細度反而略小。

根據試驗結果分析，鍋爐運行存在的問題與所試驗的煤種沒有明顯相關性，問題可能來自于鍋爐自身特性，但也不能排除試驗煤批次的偶然性。因此調整原計劃的試驗內容，選擇多個不同批次的煤，進一步進行不同煤的差異性實驗，從而論證鍋爐試驗得出的受熱面超溫與燃用低水澳煤的相關性。

2 煤種燃燒特性與制粉特性實驗分析

2.1 實驗煤種和煤質分析

為了對比分析不同批次澳煤的差異性，陸續采集了3 個批次低水澳煤、3 個批次優混煤和1 個蒙煤的原煤樣。實驗煤樣及其煤質數據見表4。

表4 燃燒特性及制粉特性實驗煤種煤質

2.2 熱重分析

熱分析采用德國NETZSCH的STA449C熱天平，質量分辨率為0.1 μg。采用Al2O3坩堝，煤樣細度為90 μm，裝樣質量為10±0.1 mg。實驗氣氛為空氣，空氣流量190 mL/min，升溫速度15 ℃/min，實驗溫度范圍為50 ℃～700 ℃。

熱重分析得到TG-DTG（熱重-微商熱重）曲線，如圖2所示。根據熱重曲線得到著火溫度、燃盡溫度和最大失重速率見表5，其中著火溫度采用TG曲線切線法［13-14］分析，燃盡溫度為煤中可燃物燒掉98%時所對應的溫度［15］，最大失重速率為DTG 曲線的峰值，即最大燃燒速度。根據表5 結果可知，低水澳煤與優混煤相比，總體燃燒過程基本一致，著火溫度相當、燃盡溫度較高、最大燃燒速度較略低，兩者均明顯比蒙煤難燃。

表5 實驗煤樣的燃燒特性參數

圖2 實驗煤樣的熱重曲線

2.3 磨煤特性實驗分析

通過現場試驗可知，低水澳煤與優混煤可磨性相近，且略優于優混煤，這與常規所認知的低水澳煤較難磨有較大出入。因此，進一步進行實驗室自設計的磨煤特性實驗，研究煤在磨制過程中的煤粉細度變化過程。

磨煤特性采用實驗室用碗式磨煤機，最大磨煤量200 g。將5 kg 原煤樣攪拌均勻后縮分出1 kg原煤樣，用破碎機破碎至1 mm，在45 ℃下進行烘干，烘干時間大于2 d。在烘干后的煤樣中分散多點采集共100±0.1 g 進行磨煤，每次磨制時間為10 s，每次磨制后進行R90、R200篩分，然后將粒徑大于R90的煤樣再次磨制10 s，每個煤樣重復磨制4次，最終獲得不同磨制時間的煤粉量變化趨勢。

磨煤特性實驗結果如圖3所示，將低水澳煤和優混煤的數據分別取均值，如表6所示。由圖3和表6 可以看出，磨制時間較短（小于或等于20 s）時，低水澳煤的R90和R200與優混煤相近，或略高于優混煤；當磨制時間較長時，低水澳煤的煤粉細度明顯小于優混煤，3個批次的低水澳煤具有相近的磨煤特性規律。由此驗證了實際磨煤機煤粉細度的可信度，從而確定了鍋爐超溫與低水澳煤的煤粉細度基本無關。

表6 各煤樣磨煤特性均值

圖3 各批次煤樣磨煤特性

為了排除原煤中粉煤占比對磨煤過程的影響，進行了原煤樣篩分對比實驗。將原煤樣混合均勻，多點取出共100 g，用孔徑1 mm的篩子進行篩分，得到原煤樣的粉煤占比如圖4所示。根據圖4結果可知，低水澳煤原煤中的粉煤含量相對較低，說明原煤中粉煤占比不是影響煤樣磨煤特性的關鍵因素。

圖4 磨煤特性原煤樣初始粒徑比較

綜上所述，對比3個批次低水澳煤和3個批次優混煤后發現，其著火溫度和磨煤特性基本相近，低水澳煤的燃盡性較差。但是由于總體燃燒過程基本一致，可以認為兩種煤燃燒的主體放熱過程不會有太大差異，低水澳煤燃燒后期小比例難燃碳的燃燒在理論上可能會使爐膛上部煙溫升高，但是煙溫升高幅度不足以發生顯著差異，驗證了鍋爐試驗結果的可信度。因此，根據鍋爐試驗的結果，基本可以確定鍋爐運行的超溫問題與燃用低水澳煤沒有明顯的相關性。

3 結論

低水澳煤燃盡性較差，鍋爐摻燒低水澳煤時存在受熱面超溫問題。因此，通過鍋爐摻燒試驗和實驗室分析，診斷超溫問題與低水澳煤的相關性，得出結論如下：

1）將低水澳煤替代優混煤進行對比摻燒試驗，并逐漸增加低水澳煤摻燒比例，試驗結果表明鍋爐受熱面超溫與摻燒低水澳煤及其比例沒有明顯的相關性。

2）為排除煤種批次的偶然性，進行了7個不同煤樣的對比驗證實驗。熱重分析表明：低水澳煤的著火溫度與優混煤相近，燃盡溫度高于優混煤，但是由于兩者總體燃燒過程基本一致，認為少量難燃成分不足以使爐膛上部煙溫升高幅度發生顯著差異。

3）通過鍋爐實際煤粉細度測試和實驗室磨煤特性實驗均得出：低水澳煤的磨煤特性與優混煤沒有顯著性差異，反而總體上略優于優混煤。

4）綜合分析得出，鍋爐運行所存在的超溫問題與燃用低水澳煤沒有明顯相關性，燃用低水澳煤可能會使受熱面超溫略趨于嚴重，但不是發生超溫問題的關鍵因素。