王磊

（山西魯晉王曲發(fā)電有限責任公司，山西 長治 047500）

600 MW超臨界貧煤鍋爐摻燒煙煤試驗研究

王磊

（山西魯晉王曲發(fā)電有限責任公司，山西 長治 047500）

對某廠600 MW超臨界貧煤機組進行爐外摻燒煙煤試驗，分別分析了爐外摻燒20%、30%、40%煙煤后鍋爐的安全性、經濟性和環(huán)保性。結果表明，摻燒40%煙煤后，經過燃燒調整總體上能夠保障運行安全性，爐膛結焦不嚴重。摻燒煙煤使鍋爐NOx濃度降低，這主要是由于煙煤較高揮發(fā)分的還原作用；SO2濃度也降低，主要由于所摻燒煙煤的含硫量較低。摻燒后鍋爐排煙溫度下降，飛灰可燃物有所上升，鍋爐熱效率變化較小，而機組整體的運行成本下降，經濟效益提升。

超臨界發(fā)電機組；貧煤；煙煤；摻燒

0 引言

由于受煤炭供應、煤炭價格以及交通運輸?shù)瓤陀^條件的限制，許多燃煤電廠無法以單一的設計煤種為主要燃料，不得不大量摻燒其他煤種。當摻燒煤種與設計煤種的煤質相近時，不會對鍋爐的安全及經濟性產生明顯影響，而當摻燒煤種與設計煤種差別較大時，會對鍋爐及輔助系統(tǒng)的安全性和經濟性產生較大影響，甚至產生威脅機組安全運行的危險點，因此有必要通過摻燒試驗對鍋爐混煤摻燒的影響進行詳細分析［1-5］。

目前常用的燃煤鍋爐摻燒方式有兩種，一種是爐前摻混，一種是分磨單燒［6-7］。采用爐前摻混時，原煤在進入磨煤機前就已經按要求摻混好，通常采用的爐前摻混方法有煤場摻混、皮帶摻混等；采用分磨單燒時，不同磨煤機磨制不同的單煤，因此不同層燃燒器的煤質各異。當參與摻混的煤質差別較小時，采用爐前摻混較為合適，而當參與摻混的煤質差別較大時，宜采用分磨單燒的方式，以便對采用不同煤種的制粉系統(tǒng)和燃燒器分別進行調整。具體的摻混方式應根據(jù)現(xiàn)場的摻煤設備、煤質差異等具體選擇。

某廠600 MW超臨界機組，原設計煤種為貧煤，受煤炭供應的影響，需要摻燒部分煙煤。為探討煤質以及摻燒方式對鍋爐運行安全、經濟、環(huán)保性能的影響，對機組進行了煙煤摻燒試驗。

1 設備概況

機組鍋爐為英國三井巴布科克公司的超臨界直流爐，單爐膛、一次中間再熱、旋流燃燒器前后墻對沖燃燒、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全懸吊鋼結構Π型鍋爐，型號為MB-1944-24.7-571／569，爐膛尺寸為22.18 m×15.74 m×63.95 m（寬×深×高）。鍋爐前后墻各布置3層三井巴布科克公司生產的低NOx軸向旋流燃燒器（LNASB），每層5個，共30個。每層燃燒器由1臺MPS型中速磨煤機提供煤粉，BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況時5臺投運，1臺備用。在燃燒器上部的前后墻、側墻布置一層燃盡風噴口，前后墻各5個，左右側墻各3個，共16個。鍋爐主要設計參數(shù)如表1所示。

鍋爐采用LNASB旋流燃燒器，設計燃燒貧煤，燃燒器從內向外分別是中心風、一次風、內二次風和外二次風。一次風切向進入一次風管，一次風管噴口處裝有煤粉濃縮器，使得進入爐膛的一次風粉分為幾股煤粉濃淡氣流，煤粉的濃淡分離有利于促進煤粉的著火和穩(wěn)燃。內、外二次風的旋流葉片角度可分別調整。

表1 鍋爐主要設計參數(shù)

2 煤質分析及試驗內容

2.1 煤質分析

鍋爐原設計煤種為山西潞安礦貧煤，而受煤炭供應影響，該廠借鑒其他廠的經驗，考慮摻燒部分府谷煙煤。此次摻燒試驗期間，貧煤以潞安貧煤為主，煙煤以府谷煙煤為主，潞安貧煤和府谷煙煤的主要煤質參數(shù)如表2所示。

表2 煤質分析數(shù)據(jù)

對比兩種煤的煤質可見，府谷煙煤的發(fā)熱量低于潞安貧煤，因此同負荷下?lián)綗裏熋簳r制粉系統(tǒng)出力需要增加；府谷煙煤的揮發(fā)分含量高于潞安貧煤，摻燒時應重點對煤粉著火、制粉系統(tǒng)和燃燒器安全進行監(jiān)視；另一個主要差別在于府谷煙煤的灰熔點較低，摻燒時應注意監(jiān)視燃燒器及屏區(qū)結焦，一旦出現(xiàn)結焦應及時做出調整。

2.2 試驗內容

試驗的主要目的是探究該貧煤鍋爐摻燒煙煤后的鍋爐安全性、經濟性和環(huán)保性變化。安全性分析的主要內容是爐膛結焦、燃燒器、水冷壁以及過（再）熱器超溫、制粉系統(tǒng)安全等；經濟性分析主要包括鍋爐熱損失以及摻燒煙煤后的全廠整體經濟效益的變化；環(huán)保特性主要針對煙煤摻燒對鍋爐硫氧化物、氮氧化物產量的影響。

為確保摻燒煙煤后制粉系統(tǒng)以及鍋爐運行安全，采用循序漸進的方式增加煙煤比例，即在爐前摻混中，煙煤比例由20%、30%至40%逐步增加，煙煤比例變化后適當調整燃燒器的運行參數(shù)，確保摻燒期間機組的安全。試驗期間機組負荷穩(wěn)定在575～600 MW范圍內。

3 試驗結果分析

3.1 安全性分析

3.1.1 制粉系統(tǒng)安全與調整

由于貧煤與煙煤不同，磨制貧煤、煙煤及其混煤時，制粉系統(tǒng)運行特性也是不同的，在貧煤鍋爐爐前摻混煙煤時，對制粉系統(tǒng)的影響和調整主要包括磨出口一次風溫度、煤粉細度等的調整。根據(jù)DL／T5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設計計算技術規(guī)定》［8］，中速磨煤機分離器后一次風最高溫度t2按式（1）計算，并且燃用混煤時可按允許t2較低的煤種取值。

根據(jù)表2中的煤質分析數(shù)據(jù)，由式（1）計算燃用純貧煤時的溫度t2為118℃，而燃用純煙煤時的溫度t2為83℃。在實際運行試驗中，針對爐前摻混方式，考慮到此次試驗所摻煙煤比例較小而貧煤比例大，如果磨煤機出口一次風溫度較低，不利于混合煤粉的著火燃燒，會使得煤粉燃燒不完全、鍋爐飛灰可燃物含量增加，不利于鍋爐燃燒的經濟性?？紤]到煤粉管道流動通暢，風速較高且不存在積粉問題，因此在煙煤比例不太高時，可以適當提高磨煤機出口一次風溫度，在保證安全性的前提下，提高鍋爐的經濟性。此次試驗，對磨煤機出口溫度進行了調整試驗，運行表明，在表3所示磨煤機出口一次風溫度下，未出現(xiàn)制粉系統(tǒng)運行安全問題，但應加強制粉系統(tǒng)溫度監(jiān)視，并做好防爆措施（停磨清空、惰化等）。

表3 磨煤機出口一次風溫度試驗安全值 ℃

3.1.2 燃燒器安全與調整

根據(jù)分析，煙煤著火距離比貧煤短，因此摻燒煙煤后容易發(fā)生燃燒器壁面超溫或燒損。本次試驗前，在燃燒器一次風噴口外緣金屬壁面和燃燒器中心線上距離水冷壁平面0.5 m的爐膛側分別安裝溫度測點，用于檢測燃燒器壁面溫度和一次風著火距離，不同煙煤比例下的平均溫度值如圖1所示，試驗進行時機組負荷穩(wěn)定在600 MW。

從圖1可見，隨著煙煤比例的增加，燃燒器出口壁面金屬溫度和燃燒器出口溫度均上升，說明增加煙煤摻燒比例明顯縮短著火距離。在爐前摻混方式中，在摻入20%煙煤后燃燒器保持原貧煤運行方式不調整仍能保證燃燒器的安全；但在摻入40%煙煤后，進行了一系列調整，包括增加一次風流量、降低磨出口一次風溫、將燃燒器的二次風旋流強度減到最?。ń咏绷鳡顟B(tài)），并調整磨煤機分離器轉速使煤粉加粗才能勉強維持多數(shù)燃燒器壁面溫度在允許范圍，而個別燃燒器已存在超溫現(xiàn)象，但此時鍋爐飛灰可燃物含量大幅增加，從摻燒前的1.5%上升到4.5%，因此采用爐前摻混方式時，摻燒40%煙煤幾乎達到上限，因此未再進行更高比例的煙煤摻混。

圖1 燃燒器壁面金屬溫度及出口氣流溫度

3.1.3 爐膛結焦

根據(jù)表2煤質數(shù)據(jù)，鍋爐原設計煤種屬于不易結焦煤，灰熔點較高，鍋爐結焦輕微，而此次摻燒的煙煤灰熔點低，屬于易結焦煤，因此此次摻燒試驗，鍋爐結焦特性也是一個應重點監(jiān)視的安全點，對爐膛結焦的判斷主要通過兩種方式，一是通過觀火孔直觀觀察燃燒器噴口結焦和冷灰斗落焦狀況，二是通過監(jiān)視水冷壁和過熱器壁溫偏差間接判斷爐膛結焦狀況。

圖2 爐外摻混40%煙煤1周后燃燒器噴口結焦

對于燒貧煤和爐外混燒30%以下煙煤的工況，冷灰斗觀察孔處時有落焦，但落焦尺寸較小，且高負荷下落焦更頻繁，燃燒器噴口附近只有輕微掛焦，水冷壁和過熱器壁溫正常，沒有較大偏差，說明煙煤摻燒比例在30%以下時，爐膛結焦很輕微。在摻燒40%煙煤并對燃燒器進行調整后，在冷灰斗處能偶爾聽到大塊落焦聲，運行一周后，燃燒器附近能見到結焦焦塊，目測厚度在10～20 cm左右，如圖2所示；水冷壁和過熱器并未有明顯壁溫超溫或大偏差現(xiàn)象，可以推測分隔屏處沒有大范圍結焦，而燃燒器噴口的結焦覆蓋范圍也較小，不會對鍋爐安全構成影響；試驗期間沒有出現(xiàn)冷灰斗堵渣情況?？梢姄綗?0%煙煤后，鍋爐整體的運行安全性是能夠保障的。

3.2 環(huán)保性分析

近年來，為保護環(huán)境，電廠鍋爐運行的環(huán)保性越來越受到關注，環(huán)保指標成為重要的考核指標，并且鍋爐的污染物如SO2、NOx產量直接關系到鍋爐的脫硝、脫硫等設備運行成本，因此，此次摻燒試驗重點關注鍋爐煙氣的SO2和NOx濃度變化。

3.2.1 煙氣SO2濃度變化

鍋爐SO2的產量主要受燃料中硫的影響，此次摻燒不同煙煤比例下的煙氣折算SO2質量濃度如圖3所示。

圖3 不同混煤比例下的折算SO2質量濃度

由圖3可見，隨著煙煤比例的增加，SO2的質量濃度是下降的，由燒貧煤時的1 757 mg／m3下降到摻燒40%煙煤時的1 359 mg／m3，這主要是由所摻燒的煙煤的含硫量較低引起的。式（2）用于計算煤中硫分與煙氣折算SO2濃度的關系［9］

式中：Sar為收到基硫分，%；Vg為實際煙氣容積，m3／kg；K為硫的排放系數(shù)；α為過量空氣系數(shù)，取1.4；V0g和V0分別為理論煙氣容積和理論空氣量，m3／kg。將圖3中的SO2濃度和混煤比例帶入（2）式計算，得到不同混煤比例下的原煤中的硫最終轉換為煙氣中SO2的比例系數(shù)K在0.86左右，可見SO2濃度的變化主要是原煤含硫量不同引起的。

3.2.2 煙氣NOx濃度變化

不同煙煤摻混比例下的鍋爐脫硝前折算NOx質量濃度如圖4所示。

圖4 不同混煤比例下的鍋爐折算NOx質量濃度

由圖4，隨著摻燒煙煤比例的增加，鍋爐NOx濃度明顯降低。純燒貧煤時，鍋爐折算NOx質量濃度在500 mg／m3左右，在摻燒 40%煙煤后，鍋爐折算NOx質量濃度降低到260 mg／m3左右，降低幅度達到50%左右。

鍋爐的NOx分燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。分析表2煤質數(shù)據(jù)，貧煤與煙煤的元素N含量相近，因此摻燒前后鍋爐燃料型NOx應該相近。對摻燒40%煙煤后爐膛觀火孔及52 m高度處的紅外線測溫數(shù)據(jù)如表4所示，可見摻燒前后爐膛溫度水平沒有明顯變化，因此熱力型和快速型NOx產量應該也是相近的，摻燒前后鍋爐NOx的產生量是相近的，導致最終NOx濃度明顯降低的主要原因應該是爐內NOx的還原。由于煙煤的揮發(fā)分含量較高，在爐膛燃燒器高溫區(qū)域，揮發(fā)分對已經生成的NOx有明顯的還原作用，煙煤含量越大，揮發(fā)分對NOx的還原作用越明顯。

表4 爐膛測溫數(shù)據(jù) ℃

3.3 經濟性分析

3.3.1 鍋爐熱損失

以不同方式摻燒煙煤后的鍋爐熱損失是衡量鍋爐經濟性的主要指標之一。而在鍋爐的各項熱損失中，較為關鍵、受摻燒影響較大的兩項為排煙熱損失和機械不完全燃燒熱損失。因此，此次摻燒試驗重點監(jiān)視了鍋爐排煙溫度和飛灰可燃物含量兩項指標，不同混煤比例（600 MW）下的排煙溫度和飛灰可燃物質量分數(shù)如圖5所示。

圖5 不同混煤比例下的排煙溫度和飛灰可燃物含量

由圖5可見，隨著摻混煙煤比例的增加，鍋爐的排煙溫度略有下降，而飛灰可燃物含量有所上升，二者的綜合作用使鍋爐效率變化很小。對于鍋爐飛灰可燃物含量的增加，主要原因可能是在摻燒煙煤后，對燃燒器進行了調整，降低了磨出口一次風溫度，提高一次風速等，同時在煙煤和貧煤的混燒中，容易發(fā)生“搶風”問題，煙煤揮發(fā)分較早析出和燃燒消耗了燃燒器區(qū)域的氧氣，致使貧煤顆粒的燃燒延后，綜合作用致使鍋爐飛灰可燃物含量有所增加。

3.3.2 摻燒總體經濟效益

摻燒對機組總體經濟效益的影響，用公式（4）進行初步估算。

式中：ΔMc、ΔMp、ΔMNOx、ΔMSO2分別為摻燒對燃煤成本、制粉電耗成本、脫硝噴氨成本和脫硫石灰石及電耗成本的影響，各項之和即為摻燒對機組發(fā)電成本影響的估計值M。

經過初步估計，摻燒40%煙煤使得發(fā)電總成本降低0.004元／kWh左右，按平均負荷率80%，年運行小時數(shù)7 200 h計算，每臺機組每年可節(jié)約運行成本1 400萬元左右。因此在保障機組安全運行的基礎上，適量摻燒煙煤對該機組總體經濟效益是有所提升的。

4 結語

對600 MW超臨界貧煤機組進行了爐外摻燒煙煤試驗，分別試驗了爐外摻燒20%、30%、40%煙煤后鍋爐的安全性、經濟性和環(huán)保性。試驗表明，摻燒40%煙煤后，經過燃燒調整總體上能夠保障運行安全性，爐膛結焦不嚴重，更高的煙煤摻燒比例對燃燒器安全和鍋爐經濟性都可能不利。摻燒煙煤使鍋爐NOx濃度降低，主要是煙煤揮發(fā)分的還原作用減少了已經生成的氮氧化物；SO2濃度也降低，主要由于所摻燒煙煤的含硫量較低。摻燒后鍋爐排煙溫度下降，飛灰可燃物有所上升，鍋爐熱經濟性變化較小，而機組整體的運行成本下降。

［1］李培，梁增同，高振罡，等.某電廠600 MW機組鍋爐摻燒劣質煤制粉系統(tǒng)優(yōu)化調整試驗研究［J］.熱力發(fā)電，2013，42（5）：64-68.

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［8］DL／T 5145-2012火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設計計算技術規(guī)定［S］.

［9］岑可法，姚強，駱仲泱，等.燃燒理論與污染控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

Blending Combustion Tests with Bituminous Coal on 600 MW Meagre Coal Supercritical Boiler

WANG Lei
（Shanxi Lujin Wangqu Power Plant Co.，Ltd.，Changzhi 047500，China）

The security，economy and pollutant formation of a 600 MW meagre coal supercritical unit with mixedly burning 20%，30%and 40%bituminous coal are studied.Results show that the security can be achieved by the adjustment of the burner when blending 40%bituminous coal，and the furnace coking is not serious.NOxconcentration decreases after blending combustion because of the reducing action of high volatiles content of bituminous coal.Due to the low sulfur content of the bituminous coal，SO2concentration after mixedly burning decreases too.After blending combustion，the exhaust gas temperature drops，and the fly ash combustibles content increases，but the boiler efficiency has a little change，and the total economic performance of the power unit is improved.

supercritical power unit；meagre coal；bituminous coal；blending combustion

TK224.1

B

1007－9904（2017）03－0061－05

2016-09-25

王 磊（1983），男，工程師，從事燃煤機組運行、調試工作。