陳廣偉，黃建平，徐鵬志

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

蘭炭又稱半焦、焦粉[1-2]，是以侏羅紀(jì)不粘煤和弱粘煤為原料，通過(guò)中低溫干餾技術(shù)得到的一種半焦產(chǎn)品，同時(shí)獲得煤焦油和煤氣等副產(chǎn)品，蘭炭具有揮發(fā)分低、固定碳高、灰分低、硫分低、熱值高、灰熔點(diǎn)低等特點(diǎn)。目前，蘭炭生產(chǎn)主要集中在陜蒙晉寧接壤區(qū)和新疆等地，其中陜西榆林是我國(guó)蘭炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地和目前最大的生產(chǎn)基地。近年來(lái)，蘭炭企業(yè)產(chǎn)能的大幅增加造成了蘭炭產(chǎn)能過(guò)剩的局面，而且傳統(tǒng)蘭炭市場(chǎng)需求的退縮又加劇了這種現(xiàn)象，以榆林地區(qū)的蘭炭企業(yè)為例，開(kāi)工率普遍在50%左右，所以，對(duì)于蘭炭市場(chǎng)的開(kāi)拓勢(shì)在必行[3]。目前，蘭炭在電力行業(yè)的應(yīng)用較少，為了擴(kuò)大蘭炭的應(yīng)用范圍，推動(dòng)蘭炭在動(dòng)力燃料領(lǐng)域的安全高效利用是一種可行的路徑。

張?chǎng)蝃4]考察了蘭炭在民用取暖領(lǐng)域的可能性研究；楊忠燦等[5]開(kāi)展了在電站煤粉鍋爐上的摻燒蘭炭試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了典型蘭炭與配置中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)的煙煤鍋爐的適應(yīng)性；王光澤[3]開(kāi)展了135 MW機(jī)組電站鍋爐摻燒蘭炭的試驗(yàn)及應(yīng)用研究；劉家利等[6]在一維火焰燃燒試驗(yàn)爐和煤粉氣流著火溫度試驗(yàn)爐上對(duì)蘭炭進(jìn)行了燃燒性能研究；李曉偉等[7]采用一維火焰爐和煤粉著火爐對(duì)蘭炭與石炭煤、無(wú)煙煤等煤種進(jìn)行摻燒試驗(yàn)研究；牛芳[8]在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上開(kāi)展了蘭炭在煤粉工業(yè)鍋爐上的燃燒試驗(yàn)研究；張華等[9]開(kāi)展了蘭炭與煙煤混合燃燒特性及機(jī)制分析。

上述對(duì)蘭炭的研究是以蘭炭的燃燒特性為主，而且在僅有的幾個(gè)實(shí)例應(yīng)用中也只是研究了與煙煤的摻燒可能性，目前尚無(wú)在燃用無(wú)煙煤的大型電站鍋爐上的應(yīng)用研究。

鑒于蘭炭的特性接近于無(wú)煙煤，而且硫分低，因而作為西南地區(qū)高硫無(wú)煙煤的替代燃料是一個(gè)很好的選擇，為了評(píng)估其可行性，本文以西南某電廠為例，進(jìn)行安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等方面的分析。此外，蘭炭產(chǎn)品的特性差異性較大，在不同粒度的蘭炭中，蘭炭粉末的揮發(fā)分、灰熔點(diǎn)、哈氏可磨系數(shù)均較高，并且磨損指數(shù)稍低，而且價(jià)格也是最低，因而選用榆林某化工企業(yè)的蘭炭粉末作為研究對(duì)象最為合適[3]。

1 電廠設(shè)備簡(jiǎn)介

某電廠1號(hào)機(jī)組額定負(fù)荷為600 MW，鍋爐型號(hào)為HG-1900/25.4-WM10，是一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型布置、露天布置。爐膛分為上下2部分，下?tīng)t膛斷面尺寸為26 680 mm寬、23 666 mm深；上爐膛斷面尺寸為26 680 mm寬、12 512 mm深。鍋爐燃用無(wú)煙煤，采用“W火焰”燃燒方式，在前、后拱上共布置有24個(gè)煤粉燃燒器，6臺(tái)BBD4360雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)。

在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況下，鍋爐設(shè)計(jì)主蒸汽流量為1 900 t/h，燃煤耗量為287.7 t/h。

磨制設(shè)計(jì)煤種時(shí)，煤粉細(xì)度R90=6%，單臺(tái)磨煤機(jī)設(shè)計(jì)鋼球裝載量下的保證出力為51.8 t/h，最大鋼球裝載量下的保證出力為57.6 t/h。

2 燃料的煤質(zhì)特性分析

以某電廠的設(shè)計(jì)無(wú)煙煤和榆林某化工企業(yè)的蘭炭粉末為研究對(duì)象，進(jìn)行相應(yīng)的工業(yè)分析，可磨性、磨損特性、灰成分、灰熔融特性等化驗(yàn)分析，在此基礎(chǔ)上，按胡蔭平主編的《電站鍋爐手冊(cè)》[10]、DL/T 466—2017《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》[11]、GB/T 15224.1—2018《煤炭質(zhì)量分級(jí)(第 1部分：灰分)》[12]、GB/T 15224.2—2010《煤炭質(zhì)量分級(jí)(第 2 部分：硫分)》[13]和 GB/T 15224.3—2010《煤炭質(zhì)量分級(jí)(第 3部分：發(fā)熱量)》[14]中的計(jì)算和判別方法，對(duì)煤質(zhì)特性進(jìn)行了全面的對(duì)比分析，具體煤質(zhì)數(shù)據(jù)和特性分別如表1、2所示。

表1 燃料的煤質(zhì)數(shù)據(jù)Tab. 1 The coal quality data for fuel

表2 燃料的特性評(píng)價(jià)Tab. 2 The evaluation of fuel characteristics

通過(guò)對(duì)表1、2的分析可知，與設(shè)計(jì)無(wú)煙煤相比，蘭炭粉末的優(yōu)勢(shì)主要在于硫分特低、灰分低、飛灰磨損特性低、發(fā)熱量稍高等方面，劣勢(shì)主要在于磨損特性三級(jí)極強(qiáng)、可磨性較難等方面，其他方面(如著火及穩(wěn)燃特性、燃盡特性、結(jié)渣特性、沾污特性、爆炸特性等)比較接近。

經(jīng)初步判斷，2種燃料特性比較接近，摻燒可行。

3 摻燒可行性分析

3.1 安全可靠性分析

3.1.1 出力校核分析

在進(jìn)行不同煤種的摻配摻燒之前，一般所要考慮的問(wèn)題是如何摻配及摻配后的帶負(fù)荷能力能否滿足要求，將按照DL/T 466—2017《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》[10]中的計(jì)算方法，從不同摻配比例下的磨煤機(jī)出力變化及帶負(fù)荷能力的變化方面進(jìn)行計(jì)算分析，具體的計(jì)算結(jié)果如表 3和圖1所示。

根據(jù)對(duì)表3和圖1的分析可知，隨著蘭炭摻配比例的增加，磨煤機(jī)出力和鍋爐的帶負(fù)荷能力逐漸降低，當(dāng)蘭炭摻配比例超過(guò)60%時(shí)，難以保證 100%BMCR的帶負(fù)荷能力；全磨蘭炭時(shí)，磨煤機(jī)出力降低約 27%，帶負(fù)荷能力約為96.6%BMCR。

因此，如果采取統(tǒng)一摻配摻燒的方式，為了保證機(jī)組的帶負(fù)荷能力，建議蘭炭的摻配比例控制在60%以內(nèi)。

表3 不同摻配比例下的出力校核Tab. 3 The output check under different blending ratios

圖1 蘭炭摻配比例對(duì)出力的影響Fig. 1 Influence of semi-coke blending ratio on output

3.1.2 安全性分析

由于蘭炭粉末的磨損特性為三級(jí)極強(qiáng)，而設(shè)計(jì)無(wú)煙煤的等級(jí)是較強(qiáng)，所以在摻燒蘭炭時(shí)要特別注意設(shè)備磨損的問(wèn)題，磨損主要在磨煤機(jī)部件、煤粉分離器、粉管和燃燒器噴口等部位，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成燃燒器噴口磨穿、分離器葉片磨損、粉管漏粉、煤粉變粗等問(wèn)題，不僅危及設(shè)備的運(yùn)行安全，而且會(huì)造成燃燒組織的惡化，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)，還會(huì)使灰渣含碳量升高，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降。

因此，在確定摻配摻燒前，應(yīng)當(dāng)做好磨煤機(jī)部件、煤粉分離器、粉管和燃燒器噴口等部件的防磨處理。

為了規(guī)避因蘭炭極強(qiáng)的磨損特性帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，要對(duì)相應(yīng)的設(shè)備做好防磨處理。如果采用統(tǒng)一摻配摻燒的方式，就需對(duì)磨煤機(jī)等設(shè)備做全面的防磨處理，需要花費(fèi)大量的資金，而且后期的維護(hù)成本也會(huì)非常大，因而，建議采用分磨定磨的摻燒方式。

依據(jù)表3計(jì)算分析可知，摻配的上限是3臺(tái)磨煤機(jī)全部磨制蘭炭，其余3臺(tái)磨煤機(jī)磨制設(shè)計(jì)無(wú)煙煤，此時(shí) 6臺(tái)磨煤機(jī)的最大帶負(fù)荷能力是99.6%BMCR，這種情況下只需要對(duì)磨制蘭炭的3臺(tái)磨煤機(jī)及后續(xù)設(shè)備進(jìn)行防磨改造即可，大大降低了設(shè)備投資和后期的維護(hù)成本。

3.2 環(huán)保性分析

與設(shè)計(jì)無(wú)煙煤相比，蘭炭具有硫分特低、灰分低的優(yōu)勢(shì)，摻燒蘭炭可以大大減少硫和灰的含量，以BMCR工況，按照摻燒蘭炭的上限為例，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 環(huán)保效益計(jì)算分析Tab. 4 The calculation and analysis of environmental protection benefits

從表4可以看出，摻燒蘭炭后，含硫量下降了 43.1%，含灰量降低了 36.8%，排放量大大減少了。因而，從環(huán)保的角度來(lái)看，摻燒蘭炭的比例越高越好。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 成本分析

根據(jù) 3.1.2節(jié)中的分析結(jié)論可知，按照摻配蘭炭的比例上限考慮，比較優(yōu)選的方案是確定 3臺(tái)磨煤機(jī)專門磨制蘭炭，并且需要對(duì)相應(yīng)的磨煤機(jī)及后續(xù)部件進(jìn)行防磨處理，因而摻燒蘭炭的額外成本主要體現(xiàn)在對(duì)這3臺(tái)磨煤機(jī)及后續(xù)部件的防磨改造投入和后期的運(yùn)維投入上，磨煤機(jī)的防磨投入費(fèi)用約80萬(wàn)元/臺(tái)。

目前煤炭市場(chǎng)上20 929 kJ無(wú)煙煤的價(jià)格為600～800 元/t，25 115 kJ蘭炭粉末的價(jià)格為 800～1 000元/t，石灰石(純度約 95%)的價(jià)格約為 700元/t。

所以，在核算成本時(shí)，要考慮磨煤機(jī)的防磨投入和蘭炭?jī)r(jià)格高的問(wèn)題。

3.3.2 收益分析

1）摻燒蘭炭對(duì)鍋爐熱效率的影響。

由GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》[15]可知，鍋爐熱效率的計(jì)算公式為

式中：η為鍋爐熱效率，%；q2為干煙氣熱損失，%；q3為氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%；qoth為其他熱損失，%。

一般而言，對(duì)鍋爐熱效率影響最大的主要是q2和q4，其中q4主要受灰渣含碳量的影響，從表2可以看出，蘭炭的著火特性和燃盡特性略優(yōu)于設(shè)計(jì)無(wú)煙煤，所以在同樣的運(yùn)行條件下，摻燒蘭炭會(huì)使灰渣含碳量略有降低，q4降低；q2主要受排煙溫度和煙氣量的影響，通過(guò)計(jì)算，在BMCR工況下，全部燃用設(shè)計(jì)無(wú)煙煤與3臺(tái)磨煤機(jī)磨制蘭炭相比，兩者的總煙氣量和總風(fēng)量基本相同，而且蘭炭與設(shè)計(jì)無(wú)煙煤的干燥出力要求和防爆等級(jí)接近，因而一次風(fēng)率基本不變，所以排煙溫度基本不變，q2基本不變。

綜合來(lái)看，鍋爐熱效率會(huì)略有升高。

2）環(huán)保收益分析。

從表4可以看出，摻燒蘭炭后，脫硫量下降了 43.1%，脫硫成本大大降低，主要體現(xiàn)在石灰石耗量、電耗和水耗上；除塵量降低了 36.8%，除塵成本大大降低，主要體現(xiàn)在電耗和氣耗上。

3）廠用電變化分析。

由前述分析可知，摻燒蘭炭后總煙氣量和總空氣量基本不變，因而引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)的電耗也基本不變。

由表 4可知，摻燒蘭炭后，脫硫量下降了43.1%，脫硫電耗大幅降低，主要體現(xiàn)在漿液循環(huán)泵、球磨機(jī)、氧化風(fēng)機(jī)、真空泵上。此外，由于石灰石漿液的噴入量下降，脫硫系統(tǒng)的阻力下降，引風(fēng)機(jī)電耗下降。機(jī)組額定負(fù)荷下燃用設(shè)計(jì)煤種的脫硫系統(tǒng)廠用電占約 4%，在大比例摻燒蘭炭后，經(jīng)過(guò)核算，整體廠用電降低約1%。

綜合考慮鍋爐效率、廠用電和熱耗(不變)的變化情況，摻燒蘭炭后，機(jī)組供電煤耗降低約1%。

所以，在核算收益時(shí)，主要從節(jié)煤和環(huán)保收益2方面來(lái)考慮。

3.3.3 綜合計(jì)算

綜合考慮蘭炭與原煤的價(jià)格差異、防磨投入及環(huán)保收益等方面的因素，對(duì)摻燒蘭炭的可行性進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)核算，公式如下所示：

式中：A為綜合收益，元/a；b0為原始供電煤耗，取330 g/(kW·h)；b1為摻燒蘭炭時(shí)的供電煤耗，取327 g/(kW·h)；Pm為原煤價(jià)格，取 600～ 800 元/t；Pl為蘭炭?jī)r(jià)格，取800～1 000元/t；Ps為石灰石價(jià)格，取 700元/t；Qm為原煤低位發(fā)熱量，kJ/kg；Ql為蘭炭低位發(fā)熱量，kJ/kg；qs0為未摻燒蘭炭時(shí)石灰石耗量，取65 t/h；qs1為摻燒蘭炭時(shí)石灰石耗量，取37 t/h；t為年利用小時(shí)數(shù)，取4 000 h；E為額定電負(fù)荷，取600 kW；K為摻燒蘭炭時(shí)的原煤占比，%；qm為摻燒蘭炭時(shí)的原煤量，t/h；ql為摻燒蘭炭時(shí)的蘭炭量，t/h；P0為投資成本，僅考慮防磨投入，元/a；x為其他收益，如節(jié)水收益，相對(duì)較小，此處取0元/a。

因?yàn)樵汉吞m炭的價(jià)格是浮動(dòng)變化的，所以分別在蘭炭?jī)r(jià)格為800、900、1 000元/t條件下，對(duì)綜合收益進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 綜合收益分析Fig. 2 The analysis of comprehensive income

由圖2可以看出，綜合收益的盈虧平衡點(diǎn)是在蘭炭與原煤的價(jià)格差約為220元/t時(shí)，當(dāng)價(jià)格差小于220元/t時(shí)，摻燒蘭炭有收益，而且差值越小，收益就越大。

4 結(jié)論

首先對(duì)蘭炭粉末和設(shè)計(jì)無(wú)煙煤進(jìn)行了詳細(xì)的煤質(zhì)特性分析和對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上對(duì)摻燒蘭炭的安全可靠性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了具體的分析，得出以下結(jié)論：

1）某電廠摻燒蘭炭技術(shù)上是可行的，在保證帶負(fù)荷能力的前提下?lián)脚涮m炭的上限是3臺(tái)磨煤機(jī)專磨。

2）考慮到蘭炭極強(qiáng)的磨損特性，在摻燒前需要對(duì)磨煤機(jī)、煤粉分離器、煤粉管道、燃燒器等設(shè)備、部件進(jìn)行防磨改造，并做好后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)。

3）摻燒蘭炭不會(huì)降低鍋爐熱效率，而且由于燃料綜合含塵量、含硫量的大幅降低，帶來(lái)了很大的環(huán)保效益和節(jié)煤收益。通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蘭炭與原煤的價(jià)格差小于220元/t時(shí)，摻燒蘭炭有收益，而且差值越小，收益就越大。