王準(zhǔn)，林閩城，楊威，牛利權(quán)，張海丹，趙志慧

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121；3.寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 751400)

寧東能源化工基地位于寧夏回族自治區(qū)銀川市靈武境內(nèi)，是國務(wù)院批準(zhǔn)的國家重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、國家重要的大型煤炭生產(chǎn)基地、“西電東送”火電基地、煤化工產(chǎn)業(yè)基地和循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)[1-2]。某電廠位于寧東火電基地內(nèi)，設(shè)計(jì)煤種為寧東煤田的鴛鴦湖礦區(qū)和馬家灘礦區(qū)煤種，由于設(shè)計(jì)煤種煤源供應(yīng)緊張，燃用設(shè)計(jì)煤種面臨經(jīng)營狀況困難，急需通過摻燒經(jīng)濟(jì)性較好的非設(shè)計(jì)煤種，擴(kuò)大電廠煤種的適應(yīng)性，進(jìn)而緩解經(jīng)營困境。然而鍋爐燃燒非設(shè)計(jì)煤種可能會(huì)帶來鍋爐出力降低，鍋爐運(yùn)行時(shí)的安全性無法保障，經(jīng)濟(jì)性降低及污染物排放量變化等一系列的問題，因此有必要進(jìn)行燃煤摻燒試驗(yàn)研究[3-5]。

基于電廠周邊煤礦的調(diào)研及電廠實(shí)際燃煤結(jié)構(gòu)，選取合適且經(jīng)濟(jì)的煤種，采用分磨摻燒的方式進(jìn)行煤種摻燒試驗(yàn)，并分別從安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、污染物排放特性等方面進(jìn)行研究分析，在確保機(jī)組穩(wěn)定、安全運(yùn)行前提下提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備概況

電廠鍋爐為超超臨界參數(shù)、螺旋爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、緊身封閉的Π 型鍋爐。鍋爐配有無啟動(dòng)循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)爐膛由下部螺旋水冷壁和上部垂直水冷壁構(gòu)成。爐膛出口布置屏式過熱器，爐膛折焰角上方布置后屏過熱器和末級(jí)過熱器，高溫再熱器布置在水平煙道處。尾部豎井由隔墻分隔成前后2個(gè)煙道，前煙道布置低溫再熱器和一組省煤器，后煙道布置低溫過熱器和2組省煤器。煙氣經(jīng)2個(gè)尾部煙道后引入脫硝SCR裝置，經(jīng)脫硝后進(jìn)入三分倉空氣預(yù)熱器，爐底排渣系統(tǒng)采用濕式除渣方式。鍋爐制粉系統(tǒng)配置6臺(tái)HP1003-Dyn碗式中速磨煤機(jī)，采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，分3層布置，其中24只AireJet燃燒器布置在上、中層，配置點(diǎn)火油槍；12只DRB-XCL型燃燒器布置在下層，配置微油點(diǎn)火裝置。

2 試驗(yàn)煤種選擇

電廠可采購的煤種按運(yùn)輸方式分為火車燃煤和汽車燃煤。其中火車燃煤主要由寧東煤田供應(yīng)。汽車燃煤主要通過汽車運(yùn)輸?shù)碾姀S10～20 km周圍的礦區(qū)的摻配有30%煤泥的寧煤。

本次研究試驗(yàn)選擇火車燃煤(以下簡稱火車煤)及摻配有30%煤泥的汽車燃煤(以下簡稱汽車煤)作為試驗(yàn)煤種，煤質(zhì)特性如表1、2所示。

表1 試驗(yàn)煤種工業(yè)分析

表2 試驗(yàn)煤種元素分析

3 試驗(yàn)工況

本次摻燒試驗(yàn)采用分磨制粉，爐內(nèi)摻燒的方式進(jìn)行，即將不同的煤種投入不同的磨煤機(jī)進(jìn)行粉碎，然后將磨制好的煤粉通過一次風(fēng)送入爐膛內(nèi)進(jìn)行摻燒。分磨摻燒能夠避免不同煤種性能差異對(duì)磨煤機(jī)的影響，保證燃燒的穩(wěn)定性[6]。

試驗(yàn)期間鍋爐全天滿負(fù)荷660 MW運(yùn)行，鍋爐負(fù)荷、氣溫、汽壓和風(fēng)量保持穩(wěn)定，禁止鍋爐吹灰等影響運(yùn)行工況的操作。試驗(yàn)按設(shè)計(jì)煤種比例設(shè)置5個(gè)工況，包括全燒火車煤的基礎(chǔ)試驗(yàn)工況，摻配20%、40%、60%、80%比例汽車煤的摻燒試驗(yàn)工況。

3.1 鍋爐結(jié)渣情況

鍋爐結(jié)渣是目前困擾電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。結(jié)渣形成大焦后需要花費(fèi)大量人力進(jìn)行捅焦，大渣突然掉落對(duì)爐膛燃燒造成擾動(dòng)，引起爐內(nèi)正壓達(dá)到鍋爐MFT動(dòng)作條件，會(huì)導(dǎo)致鍋爐MFT跳機(jī)事故。大渣堵死渣倉，導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行。而爐膛溫度是影響鍋爐結(jié)渣的重要因素，爐膛溫度大于灰的變形溫度時(shí)，鍋爐受熱面易產(chǎn)生結(jié)渣，因此摻燒試驗(yàn)過程中需重點(diǎn)關(guān)注鍋爐爐膛區(qū)域溫度變化及是否存在嚴(yán)重結(jié)渣的情況。

試驗(yàn)期間采用紅外高溫點(diǎn)溫槍對(duì)爐膛區(qū)域煙溫進(jìn)行了測量，其溫度分布情況如表3所示，表中數(shù)值為該區(qū)域的平均溫度。數(shù)據(jù)顯示，隨著汽車煤摻燒比例的增加，爐膛區(qū)域溫度有上升趨勢，但整體處于正常水平。

表3 爐膛溫度

觀察爐膛的結(jié)渣狀況，主要通過以下幾種方式：(1)通過前墻及左右側(cè)墻大屏觀火孔監(jiān)視屏過區(qū)域；(2)通過燃燒器觀火孔監(jiān)視燃燒器噴口附近結(jié)渣狀況；(3)通過燃燒器觀火監(jiān)視水冷壁結(jié)渣情況。

基礎(chǔ)試驗(yàn)工況期間，機(jī)組正常吹灰，從前墻及左右側(cè)墻觀火孔觀察屏過區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)渣情況，燃燒器噴口未見結(jié)渣情況，水冷壁清晰可見。后續(xù)摻燒工況未出現(xiàn)明顯鍋爐結(jié)渣現(xiàn)象，前墻及左右側(cè)墻屏過結(jié)渣情況未發(fā)生明顯變化，燃燒器噴口正常，水冷壁無明顯變化，因此可以判斷汽車煤無明顯的結(jié)渣特性。

3.2 制粉系統(tǒng)及撈渣機(jī)安全性

摻燒試驗(yàn)期間，制粉系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，石子煤排量正常。對(duì)比同一臺(tái)磨煤機(jī)在相同煤量下磨制火車燃煤時(shí)與磨制汽車燃煤相比，磨煤機(jī)電流上升了2 A左右，汽車燃煤更易磨。隨著汽車燃煤摻燒比例的增加，撈渣機(jī)電流有逐漸上升趨勢，但幅度不大。撈渣機(jī)整體運(yùn)行正常，未發(fā)生拉不上爐渣的情況。

3.3 飛灰含碳量變化

摻燒前后飛灰含碳量變化趨勢如圖1所示。隨汽車煤摻燒比例增加，飛灰的含碳量有降低趨勢。這說明混煤的燃燒更充分。

圖1 不同工況下飛灰含碳量與鍋爐效率情況

3.4 鍋爐效率分析

本次試驗(yàn)按 ASME PTC 4.1規(guī)定的方法計(jì)算鍋爐反平衡效率，即先求出鍋爐各項(xiàng)熱損失，用100減去各項(xiàng)熱損失的百分?jǐn)?shù)計(jì)算的所得的效率[7]。其中各項(xiàng)熱損失包括未完全燃燒損失、干煙氣熱損失、入爐煤水份蒸發(fā)熱損失、氫燃燒生成水份熱損失、爐膛散熱損失及不可計(jì)量熱損失[8-11]。

由圖1機(jī)組各摻燒工況下鍋爐效率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著汽車煤摻燒比例的增加，機(jī)組鍋爐效率不斷提高，因此，提高汽車煤的摻燒比例更有助于鍋爐效率的提高。

3.5 污染物排放特性分析

摻燒試驗(yàn)期間折算后的NOx和SO2生成量如圖2所示。由煤質(zhì)指標(biāo)可以看出，此次摻混的汽車煤中N元素含量與火車煤的N元素含量相近，但摻燒汽車煤NOx的生成量有明顯的降低，由于汽車煤中的Vdaf較高，燃燒時(shí)混煤的揮發(fā)分迅速著火燃燒，使局部的氧量降低而不利于燃料N向NOx轉(zhuǎn)化。

圖2 不同工況下污染物排放情況

煤種指標(biāo)顯示汽車煤硫分較高，摻燒汽車煤導(dǎo)致原煙氣中SO2生成量的升高，但目前的環(huán)保設(shè)備能夠正常運(yùn)行且滿足GB 13223-2011標(biāo)準(zhǔn)要求。鍋爐運(yùn)行期間脫硫系統(tǒng)需開啟2臺(tái)循環(huán)泵，相應(yīng)耗電成本提高，石灰石和水的消耗量成本增加。燃煤硫分的增加不僅提高脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的成本，還會(huì)造成鍋爐兩側(cè)水冷壁墻易發(fā)生高溫腐蝕，因此后期摻燒需關(guān)注入爐煤硫分[12]。

4 結(jié) 論

(1)摻燒試驗(yàn)期間，機(jī)組能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，輔機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行。汽車煤無明顯結(jié)渣傾向，鍋爐無明顯的結(jié)焦情況。

(2)鍋爐出力正常，主、再熱蒸汽參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值要求。隨著鍋爐摻燒汽車煤的比例增大，飛灰含碳量降低，鍋爐效率上升。

(3)污染物排放方面，摻燒汽車煤后原煙氣中的NOX生成量降低，原煙氣中SO2生成量上升明顯，但目前本廠環(huán)保設(shè)備能夠正常運(yùn)行且滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

(4)本次摻燒試驗(yàn)研究為電廠煤種適應(yīng)性擴(kuò)大和節(jié)約燃料成本擴(kuò)寬的新思路，是降低火電廠經(jīng)營成本的一個(gè)直接、有效的手段。該電廠可根據(jù)摻燒試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合自身機(jī)組情況及煤種采購實(shí)際情況選擇合適的摻燒比例，在保證鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。