煙煤鍋爐摻燒褐煤時干燥劑的計算選取

劉珊伯，孟繁兵，杜利梅，呂春先

(1.黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150030;2.中國華電哈爾濱發電有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

目前，許多火力發電廠為了降低燃料成本，大量摻燒低成本的劣質煤，使入爐煤嚴重偏離設計煤種，給鍋爐的安全經濟運行帶來許多問題，如煤粉燃盡度變差或燃燒不穩、結渣嚴重、管壁超溫、制粉系統出力不足或積粉爆炸等。因此，本文以中國東北某電廠300 MW機組煙煤鍋爐摻燒褐煤為例，進行了不同干燥方式下的制粉系統熱平衡計算，確定了以“熱風+冷風”為合理的干燥方式，并計算了不同磨煤機組合情況下的鍋爐出力以及摻燒褐煤的經濟效益。

1 鍋爐主要參數和燃料特性

中國東北地區對火力發電廠的褐煤供應較充足，而且價格較低，因此在東北地區煙煤鍋爐摻燒褐煤的現象已經比較普遍。某電廠300 MW機組HG-1025/17.5-YM36型鍋爐設計燃用煙煤，該鍋爐為單爐膛、直流式煤粉燃燒器、四角布置、切圓燃燒，配有5臺MPS170HP-Ⅱ型中速磨煤機(4臺運行，1臺備用)。單臺磨煤機的基礎出力為33.98 t/h，最大通風量為15.03 kg/s，軸功率為380 kW。鍋爐主要參數如表1所示。

由于煤炭市場的制約，設計煤種已很難保證供應，而且價格較高。為了降低發電成本，保證燃料供應穩定，該機組鍋爐采用煙煤和褐煤混燒。制粉系統作為鍋爐的重要輔機系統，摻燒褐煤將直接影響鍋爐制粉系統，因此本文的目的是分析該鍋爐摻燒褐煤的可行性。煙煤和褐煤的煤質分析如表2所示［1］。

表1 鍋爐主要參數

表2 燃料特性參數

2 制粉系統熱平衡計算及結果分析

褐煤與煙煤相比有“三高一低”的特點，即高水分、高揮發分、高灰分、低發熱量，摻燒褐煤將直接影響鍋爐制粉系統的出力及安全性。由于褐煤的水分相對于煙煤非常高，當磨煤機碾磨煙煤和褐煤的混煤時，其干燥出力將受到很大的影響。為了比較不同褐煤摻燒比例對原制粉系統出力的影響，本文首先進行了熱風干燥時不同褐煤摻燒比例下的熱平衡計算。在計算中，煤粉水分按照《DLT 5145 -2002火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》取為0.9Mad，熱風溫度取為315℃(比空預器出口熱風溫度低5℃)，干燥劑終溫根據標準取為70℃，計算結果如表3所示。

表3 不同摻燒比例下熱平衡計算(熱風干燥)

通過以上計算可以看出，隨著褐煤摻混比例的增大，所需的一次風溫(應該為干燥劑初溫)也越高，當摻混比例達到30%時，一次風(應該為干燥劑初溫)溫度已接近于熱風溫度，摻入冷風量非常小。若繼續增大褐煤摻燒比例，則制粉系統的干燥出力將限制鍋爐負荷。此外，由于制粉系統無惰性氣體的加入，導致制粉系統終端含氧量高達21%，這對于高揮發分褐煤的安全性十分不利。因此，為了進一步提高褐煤摻混比例，僅采用熱風作干燥劑已不能滿足要求。若對機組進行改造，抽取熱爐煙或冷爐煙加入制粉系統，則可提高干燥劑初溫，增加制粉系統干燥出力，并降低制粉系統終端含氧量。因此本文對其它干燥方式(熱風+熱煙+冷煙、熱風+熱煙+冷風、熱風+熱煙)進行了熱平衡計算，計算結果如表4所示，計算中取褐煤摻混比例50%、高溫爐煙溫度1 000℃、低溫爐煙130℃、干燥劑終溫70℃。

從表3、表4中顯示的數據可知，采用熱風作干燥劑時，褐煤摻燒比例最大可達到30%，制粉系統終端含氧量為21%，一次風率為0.2。若采用“熱風+熱煙+冷煙”、“熱風+熱煙+冷風”、“熱風+熱煙”作干燥劑，由于熱煙的加入，提高了磨煤機入口干燥劑的初溫，在褐煤摻燒比例為50%時，仍能滿足制粉系統的干燥出力，并且制粉系統終端含氧量和一次風率都有所降低。

從表4可以看出，“熱風+熱煙+冷煙”、“熱風+熱煙+冷風”干燥方式由于空氣份額較低，導致制粉系統終端含氧量均小于16%，能較好地滿足制粉系統的防爆要求。3種干燥方式下的一次風率均低于設計值0.2，這對于煤粉的著火、鍋爐結渣和NOx的排放都會有一定的影響。由于褐煤的著火性能優于煙煤，較低的一次風率可能導致“搶風”現象，對于煙煤的著火燃盡不利［2］。一次風率較低會使燃燒器區域易結焦，這是因為一次風動量較小，射流易偏斜，煤粉著火燃燒離燃燒器噴口過近。一次風中O2較低對控制NOx的生成會產生有利的影響，減少了燃燒器區域的空氣量，實現空氣的分級送入。此外，干燥劑中加入熱煙或冷煙后，熱風份額減小，通過空氣預熱器的加熱一次風量減小(在相同的負荷和氧量下)，空氣預熱器的吸熱量變小，從而導致排煙溫度升高，增大鍋爐的排煙熱損失，加入熱煙或冷煙會增加機組改造成本，增大引風機電流，增加廠用電率。上述4種干燥方式各有利弊，在機組原基礎上采用熱風干燥比較經濟，機組負荷可能會受到一定的影響。

表4 其它干燥方式的熱平衡計算

3 制粉系統校核計算

煙煤鍋爐摻燒褐煤有兩種方式，即爐外摻燒和爐內摻燒。爐外摻燒是指在原煤倉之前將褐煤和煙煤互相混合，爐內摻燒是指磨煤機分別磨制煙煤和褐煤。爐內摻燒相對于爐外摻燒的優點是磨煤機出口溫度和煤粉細度容易控制，煙煤和褐煤分別配風，對燃燒初期有利。因此，目前國內采用爐內摻燒褐煤的機組較多，在磨煤機100%磨褐煤時，其干燥出力將受到很大的影響。以該型磨煤機為例，與磨制設計煤種相比，磨制褐煤時其出力降為6.56 kg/s，下降了約31%。

在不影響鍋爐經濟性和安全性前提下，應盡量提高褐煤摻燒比例，減小鍋爐改造成本，本文計算了爐內摻燒褐煤的情況下鍋爐的最大負荷，表5為不同磨煤機組合下的褐煤摻燒比例和鍋爐最大負荷。鍋爐最大負荷是根據燃煤消耗量、一次風機、送風機和引風機等綜合考慮所得。在計算過程中，磨煤機100%磨制褐煤時制粉系統露點溫度為49.5℃，磨煤機出口溫度必須高于露點溫度5℃。為了盡量提高磨煤機干燥出力而且有利于風粉混合物著火，磨煤機出口溫度取60℃。

表5 不同磨煤機組合下的鍋爐最大負荷

從表5中可以看出，摻燒褐煤基本能滿足該機組的負荷要求，負荷較低時可采用“兩煙兩褐”4臺磨煤機運行，褐煤摻燒比例約為39%，鍋爐負荷能達到80%;當機組需滿負荷運行時，可采用“兩煙三褐或兩褐三煙”5臺磨煤機全部運行，鍋爐負荷基本能達到滿負荷，各風機均能滿足負荷要求。由此可見，該機組摻燒褐煤的方案是可行的，不需要對機組做大規模改造。

4 褐煤摻燒經濟性分析

由于摻燒褐煤引起的運行成本增加暫時無法準確統計，因此對煙煤鍋爐摻燒褐煤的經濟性分析僅考慮燃料成本的影響。

以單臺300 MW機組為例，平均負荷為75%，年利用小時數為4 800 h，褐煤摻燒比例為50%。目前煙煤與褐煤的差價約為140元/t，計算結果如表6所示。

表6 摻燒褐煤時燃料成本計算結果

從表6中可知，該機組摻燒褐煤的經濟效益顯著提高，單臺300 MW機組若摻燒50%褐煤，全年可節約燃料成本約3 200萬元。需要說明的是，以上計算結果只是考慮了摻燒褐煤對燃料成本以及運行成本的影響，并未考慮由于摻燒褐煤給機組設備以及燃料運輸、管理等費用造成的影響。

5 結論

1)通過計算摻燒褐煤時不同干燥方式的熱平衡，分析比較了各種干燥方式的優缺點，確定了某300 MW機組鍋爐以熱風干燥為合理的干燥方式。

2)核算了采用爐內摻燒褐煤時的制粉系統出力，通過計算不同磨煤機組合下的褐煤摻燒比例和鍋爐最大負荷，證明了該機組制粉系統在原基礎上摻燒褐煤是可行的，降低了燃料成本，系統不需要做大規模的改造。

［1］ 束繼偉，孟繁兵，黃啟龍，等.燃用褐煤鍋爐改燒煙煤時干燥劑的計算及選取［J］.熱能動力工程，2001，16(4):453-456.

［2］ 王春昌，阮士周，宋太紀，等.煙煤鍋爐兩種方式摻燒褐煤的工程應用［J］.中國電力，2010，43(10):35-38.