武利斌

(華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著我國(guó)電力行業(yè)的快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)的300，600及1000 MW機(jī)組日益增多，使得我國(guó)電煤供應(yīng)非常緊張，且由于動(dòng)力煤的價(jià)格急劇上升，有必要對(duì)摻煤燃燒進(jìn)行研究，以降低發(fā)電成本、提高電廠經(jīng)濟(jì)效益。某電廠為了節(jié)約燃料成本，充分利用周邊資源，降低優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤的消耗量，采購(gòu)了價(jià)格相對(duì)較低的新疆準(zhǔn)東煤［1］作為鍋爐新燃料來定量摻燒燃用。

與電廠設(shè)計(jì)煤相比，準(zhǔn)東煤具有高水分、低灰分、煤灰中鈣、鈉、鉀含量比較高和灰熔點(diǎn)比較低的特點(diǎn)，且具有嚴(yán)重的沾污結(jié)焦特性［2］。與本地井工煤摻燒后，煤燃燒與結(jié)渣特性的變化可能會(huì)對(duì)鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和生產(chǎn)管理造成一定影響，目前國(guó)內(nèi)也沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。因此，發(fā)電廠在摻燒準(zhǔn)東煤時(shí)，要進(jìn)行必要的摻燒試驗(yàn)以分析準(zhǔn)東煤摻燒對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的影響，保證電廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 燃煤鍋爐概況與煤質(zhì)特性研究

1.1 燃煤鍋爐概況

摻燒試驗(yàn)鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的亞臨界、一次中間再熱自然控制汽包爐、平衡通風(fēng)、正壓直吹制粉系統(tǒng)、四角切圓燃燒式、額定蒸發(fā)量為1065 t/h的煤粉爐。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為烏魯木齊市附近煙煤，配備5臺(tái)中速磨煤機(jī)，在100%負(fù)荷下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)備用。該鍋爐現(xiàn)燃燒基礎(chǔ)煤種為烏魯木齊市附近井工煤，其與設(shè)計(jì)煤種相差無(wú)幾，在額定負(fù)荷下，其鍋爐效率可達(dá)93.20%～93.28%。

1.2 準(zhǔn)東煤煤質(zhì)分析

試驗(yàn)煤種為當(dāng)?shù)孛悍N與神華準(zhǔn)東煤混煤，表1為設(shè)計(jì)煤和神華準(zhǔn)東煤的煤質(zhì)常規(guī)數(shù)據(jù)，由于當(dāng)?shù)鼐っ号c設(shè)計(jì)煤相差不多，所以以設(shè)計(jì)煤為準(zhǔn)。

表1 設(shè)計(jì)煤種與準(zhǔn)東煤煤種煤質(zhì)分析

由表1分析可得，與設(shè)計(jì)煤相比準(zhǔn)東煤具有高水分、低灰分、灰熔點(diǎn)較低和低熱值等特點(diǎn)，其中Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)6.05%，在煤灰的沾污結(jié)焦特性評(píng)價(jià)中，一般將當(dāng)量Na作為沾污判別指標(biāo)［3］，當(dāng)煤中當(dāng)量Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%～0.60%時(shí)鍋爐沾污程度高。準(zhǔn)東煤當(dāng)量Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.494%，屬于高結(jié)焦煤種。煤中含有低灰熔點(diǎn)的成灰物質(zhì)也是導(dǎo)致結(jié)焦的重要原因［4］。

由以上分析可知，當(dāng)?shù)鼐っ涸谂c準(zhǔn)東煤摻燒時(shí)，隨著摻燒比例的增加，混煤水分有較大幅度的升高，增加磨煤機(jī)的干燥出力;灰分有較大幅度的降低，可降低尾部受熱面的磨損和灰、渣系統(tǒng)的出力，節(jié)省廠用電;灰熔點(diǎn)也有所降低，易在燃燒器區(qū)形成結(jié)焦，若燃燒調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致火焰中心上移，則屏式過熱器和高溫過熱器等受熱面沾污、結(jié)焦的可能性將大大增加;揮發(fā)分變化不大。

2 準(zhǔn)東煤摻燒試驗(yàn)及試驗(yàn)方法

2.1 磨煤機(jī)出力特性

摻燒準(zhǔn)東煤比例增大后，試驗(yàn)煤的可磨性、水分也會(huì)發(fā)生一定變化，在磨煤機(jī)出力基本不變的情況下，磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度和磨煤?jiǎn)魏膶?huì)發(fā)生一定變化。試驗(yàn)在C，D磨煤機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中在磨煤機(jī)出口一次風(fēng)管上利用等速取樣裝置進(jìn)行煤粉取樣，對(duì)各煤種的煤粉細(xì)度進(jìn)行測(cè)試并記錄，最終確定磨煤機(jī)的出力特性。

2.2 變摻燒準(zhǔn)東煤比例及技術(shù)要點(diǎn)

該電廠摻燒試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)鼐っ号c準(zhǔn)東煤爐前預(yù)混的摻燒方式，為了尋找能夠使鍋爐安全運(yùn)行的準(zhǔn)東煤摻燒比例，摻燒采取4種不同的配比，分別為摻燒前、當(dāng)?shù)鼐っ簱?0%準(zhǔn)東煤(簡(jiǎn)稱30%準(zhǔn)東煤)、當(dāng)?shù)鼐っ簱?0%準(zhǔn)東煤(簡(jiǎn)稱50%準(zhǔn)東煤)、當(dāng)?shù)鼐っ簱?0%準(zhǔn)東煤(簡(jiǎn)稱70%準(zhǔn)東煤)，在每個(gè)工況下觀察鍋爐的結(jié)焦情況、測(cè)量爐內(nèi)火焰溫度、記錄主要運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)鍋爐對(duì)各煤種的適應(yīng)能力進(jìn)行分析。

準(zhǔn)東煤具有高水分、低灰分、低熔點(diǎn)的特點(diǎn)，在與當(dāng)?shù)鼐っ簱綗龝r(shí)可能出現(xiàn)總煤量大、煤粉管道、磨煤機(jī)容易著火、磨煤機(jī)干燥出力增大及爐膛出口受熱面的結(jié)焦和沾污等問題，因此在摻燒過程中應(yīng)嚴(yán)格控制磨煤機(jī)內(nèi)溫度不超過65℃，并在摻燒過程中采取分層堆煤、縱向斷面取煤的方式進(jìn)行預(yù)混摻配，通過改變煤層的厚度來改變配煤比例。

3 摻燒結(jié)果及分析

3.1 準(zhǔn)東煤不同摻燒比磨煤機(jī)的運(yùn)行

摻燒試驗(yàn)在#1鍋爐C，D磨煤機(jī)上進(jìn)行，將分為摻燒前、30%準(zhǔn)東煤、50%準(zhǔn)東煤、70%準(zhǔn)東煤4個(gè)摻燒比例來進(jìn)行。摻燒準(zhǔn)東煤的比例增大后，試驗(yàn)煤的可磨性、水分會(huì)發(fā)生一定變化，在磨煤機(jī)出力基本不變的情況下，磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度和磨煤?jiǎn)魏囊矔?huì)發(fā)生一定變化。試驗(yàn)過程中磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)管利用等速取樣裝置進(jìn)行煤粉取樣，對(duì)4種比例煤的煤粉細(xì)度進(jìn)行了測(cè)試。表2、表3給出了#1鍋爐煤種變化對(duì)磨煤機(jī)各參數(shù)的影響。

表2 煤種變化對(duì)磨煤機(jī)參數(shù)的影響(C磨煤機(jī))

表3 煤種變化對(duì)磨煤機(jī)參數(shù)的影響(D磨煤機(jī))

由于準(zhǔn)東煤的水分過高，當(dāng)摻燒準(zhǔn)東煤后造成混煤水分提高，磨煤機(jī)干燥出力受限［5］。表2、表3數(shù)據(jù)表明，隨著摻燒比例的增加，導(dǎo)致混煤發(fā)熱量降低，C，D磨煤機(jī)的出力增大，摻燒50%準(zhǔn)東煤后，煤粉明顯偏粗，C，D磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度R90在粗粉分離器擋板不變的情況下，分別增大到60.20%和49.08%，會(huì)對(duì)其燃盡產(chǎn)生不利影響，可能是引起鍋爐灰渣含碳量較高的一個(gè)原因。摻燒70%時(shí)D磨煤機(jī)出口風(fēng)溫也降低至74.31℃，低于設(shè)計(jì)溫度77℃。準(zhǔn)東煤的揮發(fā)分較當(dāng)?shù)鼐っ旱?，設(shè)計(jì)煤粉細(xì)度R90為18%，摻燒50%準(zhǔn)東煤后揮發(fā)分均在36%左右。從煤粉的燃盡角度講，#1鍋爐目前的灰渣含碳量較高，說明煤粉的均勻性指數(shù)也相對(duì)較低，煤粉中粗顆粒較多，煤粉相對(duì)較粗，火炬拖長(zhǎng)，粗粉會(huì)因慣性作用直接沖刷受熱面，形成貼壁燃燒，使得水冷壁表面溫度急劇升高;再者，粗煤粉燃燒溫度要比煙溫高許多，熔化比例高，沖墻后容易引起結(jié)焦。

從表2、表3還可以看出，隨著準(zhǔn)東煤摻燒比例的增加，使得混煤的水分增加，磨煤機(jī)出口風(fēng)溫隨之下降。摻燒50%準(zhǔn)東煤和70%準(zhǔn)東煤時(shí)，磨煤機(jī)入口熱風(fēng)門已全開、冷風(fēng)門全關(guān)，如前所述，磨煤機(jī)的的通風(fēng)量已經(jīng)比較大，可以說磨煤機(jī)的干燥出力已達(dá)最大而限制了磨煤機(jī)的整體出力。從控制磨煤機(jī)出口風(fēng)溫、防止粉管和磨煤機(jī)堵塞的角度來說，環(huán)境溫度高時(shí)，短期摻燒70%準(zhǔn)東煤，磨煤機(jī)的出力是能適應(yīng)的。氣溫較低時(shí)，原煤全水分要升高4個(gè)百分點(diǎn)，為了保證磨煤機(jī)出口風(fēng)溫，將當(dāng)?shù)鼐っ号c準(zhǔn)東煤的混煤比例控制在1∶1比較合適。

3.2 額定工況下改變摻燒比例鍋爐運(yùn)行特性試驗(yàn)

由前面分析可知，當(dāng)摻燒準(zhǔn)東煤后，混煤水分增加，在335 MW工況下機(jī)組協(xié)調(diào)控制運(yùn)行方式，改變準(zhǔn)東煤摻燒比例，升負(fù)荷時(shí)磨煤機(jī)需均勻增加煤量。

隨著摻燒準(zhǔn)東煤比例的增加，鍋爐燃煤量在134.4～144.7 t/h變化，發(fā)熱量有所下降。試驗(yàn)中燒本地井工煤中，鍋爐主、再熱蒸汽參數(shù)正常，隨著準(zhǔn)東煤摻燒比例的增加，鍋爐過、再熱器減溫水量呈增加的趨勢(shì)，在摻燒到70%時(shí)的減溫水量為最大，說明此時(shí)爐內(nèi)的沾污已經(jīng)比較嚴(yán)重。主、再熱器減溫水流量隨摻燒比例的變化如圖1所示。

圖1 主、再熱器減溫水流量隨摻燒比例的變化

3.3 額定工況下改變摻燒比例結(jié)焦情況

隨著準(zhǔn)東煤摻燒比例的增加，渣型由粘聚變?yōu)槿廴谠剐纬傻脑鼔K明顯堅(jiān)硬、致密，如圖2～圖4所示。從鍋爐渣型來看，摻燒30%準(zhǔn)東煤時(shí)爐渣比較細(xì);50%準(zhǔn)東煤時(shí)出現(xiàn)大塊渣塊，渣量也明顯增加;70%時(shí)基本全是大塊焦渣，大量焦渣黏附在水冷壁管道，造成主、再熱器溫度超標(biāo)，爐膛換熱量下降，大塊焦渣的脫落容易砸壞撈渣機(jī)鏈條，致使撈渣機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行?？紤]到鍋爐的減溫水量較大和磨煤機(jī)出口溫度較低，碎渣機(jī)經(jīng)常過載運(yùn)行。在吹灰器正常投入運(yùn)行試驗(yàn)當(dāng)中，摻燒30%，50%準(zhǔn)東煤情況下可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，但摻燒70%準(zhǔn)東煤情況下，試驗(yàn)進(jìn)行12 h之后，鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重，致使試驗(yàn)被迫停止。

從以上分析可知，在摻燒70%準(zhǔn)東煤摻燒比例下鍋爐的結(jié)焦?fàn)顩r嚴(yán)重影響鍋爐的正常運(yùn)行。鍋爐的減溫水量較大和碎渣機(jī)不能正常運(yùn)行是制約準(zhǔn)東煤摻燒比例進(jìn)一步提高的主要因素，為了方便配煤，建議當(dāng)?shù)鼐っ号c神華準(zhǔn)東煤按50%的比例摻燒。

圖2 摻燒30%準(zhǔn)東煤渣樣

圖3 摻燒50%準(zhǔn)東煤渣樣

圖4 摻燒70%準(zhǔn)東煤渣樣

3.4 摻燒試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性分析

隨著準(zhǔn)東煤摻燒比例的增加，鍋爐飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，在3.93%～5.43%間變化，這是因?yàn)槊悍圯^粗所致，應(yīng)通過調(diào)整粗粉分離器擋板開度，降低煤粉細(xì)度。在試驗(yàn)過程中鍋爐的排煙溫度在137.0～142.8℃變化，固體未完全燃燒損失為0.54%～0.98%，鍋 爐 效 率 維 持 在 93.2% ～93.8%，變化不明顯。但是由于準(zhǔn)東煤毗鄰電廠，而且價(jià)格相對(duì)較低，烏魯木齊市當(dāng)?shù)鼐っ簝r(jià)格280元/t，準(zhǔn)東煤價(jià)格為180元/t，1臺(tái)鍋爐每年節(jié)約資金4000多萬(wàn)元。由于摻燒70%準(zhǔn)東煤鍋爐的減溫水量以及碎渣機(jī)不能正常運(yùn)行對(duì)鍋爐的安全性造成影響，所以摻燒50%準(zhǔn)東煤有利于提高安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

通過摻燒準(zhǔn)東煤現(xiàn)場(chǎng)試燒試驗(yàn)，掌握了鍋爐在摻燒準(zhǔn)東煤時(shí)的運(yùn)行特性，分析了鍋爐結(jié)焦的原因，提出了摻燒比例調(diào)整建議，提高了鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(1)神華準(zhǔn)東煤為極易著火、燃盡煤種，可磨性較好，但具有嚴(yán)重結(jié)焦特性，且灰中鉀、鈉、鈣含量較高，煤灰沾污嚴(yán)重，與設(shè)計(jì)煤相比，水分高、熱值低。

(2)電廠鍋爐在摻燒70%準(zhǔn)東煤時(shí)爐內(nèi)水冷壁即出現(xiàn)較嚴(yán)重的局部結(jié)焦現(xiàn)象，減溫水量偏大，主、再熱蒸汽溫度不易控制，碎渣機(jī)不能正常運(yùn)行，為安全起見，目前電廠按照50%的準(zhǔn)東煤摻燒是可行的。

(3)電廠目前摻燒50%準(zhǔn)東煤時(shí)，結(jié)焦部位主要出現(xiàn)在爐膛水冷壁，屏區(qū)受熱面結(jié)焦相對(duì)較輕，因此目前運(yùn)行調(diào)整應(yīng)以控制水冷壁結(jié)焦為主，建議適當(dāng)提高氧量、經(jīng)常調(diào)平一次風(fēng)、避免鍋爐長(zhǎng)期連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行、適當(dāng)提高吹灰運(yùn)行壓力等。

(4)摻燒準(zhǔn)東煤時(shí)，鍋爐飛灰可燃物一般為2.68%～5.88%，準(zhǔn)東煤的燃盡特性較好，固體未完全燃燒損失為 0.54%～0.98%，排煙熱損失為4.97%～5.52%，鍋爐效率為93.15%～93.51%。

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