大型電站鍋爐混煤摻燒試驗研究

劉發圣, 談紫星, 桂良明, 敖光輝, 程文峰, 舒開泰, 陳林國

(1. 國網江西省電力科學研究院， 南昌 330096; 2. 貴溪發電有限責任公司，江西貴溪 335400;3. 中電投江西電力有限公司， 南昌 330006)

大型電站鍋爐混煤摻燒試驗研究

劉發圣1, 談紫星1, 桂良明1, 敖光輝2, 程文峰3, 舒開泰3, 陳林國1

(1. 國網江西省電力科學研究院， 南昌 330096; 2. 貴溪發電有限責任公司，江西貴溪 335400;3. 中電投江西電力有限公司， 南昌 330006)

針對某電廠640 MW機組鍋爐長期在非設計煤種下運行，嚴重影響鍋爐安全經濟運行的問題，對該電廠的常用煤種進行元素分析及熱重分析，并進行了分類，確定了參與混煤摻燒研究的煤種。選取3個具有代表性的負荷點，通過摻燒不同比例煤種、不同上煤方式進行熱態試驗，獲得不同負荷下的最佳混煤摻燒方案和鍋爐上煤方式，有效提高了該機組鍋爐的安全性和經濟性。

鍋爐； 混煤摻燒； 熱重分析； 燃燒特性

2013年以來，江西貴溪電廠640 MW機組鍋爐入爐煤質偏離設計值，且燃煤種類多變，為了節省發電成本，電廠必須燃用摻配的混煤，而鍋爐及燃燒設備均是依據設計煤種來設計選型的，鍋爐選型與實際燃煤不匹配會造成鍋爐超溫或欠溫、結焦、帶不起負荷，甚至非正常停機等一系列問題。通過配煤摻燒試驗研究，可以提高鍋爐運行的安全及經濟性，實現高效低污染燃燒。

針對貴溪電廠2號鍋爐，筆者采用理論研究和現場試驗相結合的方法，首先對該廠的常用入爐煤種進行分類，確定參與混煤摻燒研究的煤種；然后對該電廠摻燒煤種進行不同比例混合、不同上煤方式的熱態試驗，并在每個混煤方式下進行了變氧量試驗，以確定最佳氧量，并獲得不同負荷下的最佳混煤摻燒方式，提高該鍋爐的安全性和經濟性。

1 設備概況

江西貴溪電廠2號機組鍋爐是國內某制造廠自主開發研制的HG-1964/25.4-YM17型超臨界鍋爐。該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、尾部雙煙道結構，利用擋板調節再熱汽溫、全鋼架、全懸吊結構、露天П形布置。采用中速磨煤機直吹制粉系統，每臺鍋爐配6臺HP1003碗式中速磨煤機，燃用設計煤種時5臺運行，1臺備用。鍋爐主要設計參數見表1，鍋爐設計煤質分析見表2。

表1 鍋爐的主要設計參數

表2 鍋爐的設計煤質分析

2 入爐煤質特性

2.1 入爐煤質初步分類

根據大量混煤摻燒試驗表明，由不同煤種混合配成的煤，雖然在工業、元素分析的煤質指標上差別不大，但煤的著火、燃燒、燃盡、穩燃等燃燒特性表現各異。通常選擇2種或3種單煤進行摻混。如果摻混煤種過多，可能導致成本上升、燃燒情況更復雜。結合電廠實際儲煤狀況及煤場配煤現狀，選取5種代表性煤樣進行初選，分別為：澳洲煤、山西大同煤、甘肅華亭煤、神華煤和江西飛燃煤。5種常用的燃煤工業分析、元素分析結果見表3。

表3 煤樣的工業分析和元素分析結果

由表3可見：澳洲煤、山西大同煤、甘肅華亭煤、神華煤均屬于高揮發分、高發熱量煤種，而江西飛燃煤則相反。

2.2 入爐煤質二次分類

雖然根據煤的工業分析及元素分析結果，將澳洲煤、山西大同煤、甘肅華亭煤、神華煤初步劃分為同一類，但是這4種煤的燃燒特性可能相差較大，為此采用德國Netzsch公司生產的STA449C型同步熱分析儀分別對5個煤樣進行單煤種的燃燒特性熱重分析，根據有關資料及基于近幾年在實驗室對多個煤種進行的燃燒特性試驗的統計數據和電廠實際燃煤特性，將煤的著火燃盡難易情況劃分成三類，見表4、表5[1-3]，5種煤樣的著火溫度和燃盡溫度見表6。

表4 煤粉熱重分析著火情況

表5 煤粉熱重分析燃盡情況

表6 煤樣熱重分析結果

從表4、表5及表6可見：

(1) 從著火特性來看，這5種煤大致可劃分為兩類，即澳洲煤、山西大同煤、甘肅華亭煤、神華煤的著火特性較好，江西飛燃煤的著火特性較差。

(2) 從燃盡特性看，5種煤可劃分為三類，即甘肅華亭煤的燃盡特性最好，澳洲煤、山西大同煤、神華煤的燃盡特性較好，江西飛燃煤的燃盡特性較差。

因此，根據煤樣燃燒特性及電廠實際儲煤狀況，該電廠的5種常用煤劃分為3類：甘肅華亭煤劃分為一類，屬于5種煤種最容易著火、最容易燃盡煤種；澳洲煤、山西大同煤和神華煤劃分為第二類，屬于容易著火、容易燃盡煤種；江西飛燃煤劃分為第三類，屬于不易著火、不易燃盡煤種。這樣混煤工作量由原有的5種煤降低為3種煤，大致下降了40%。

3 混煤摻燒試驗分析

3.1 不同混煤摻燒方式的比較

目前，混煤摻燒主要有“爐前摻混、爐內混燒”和“分磨制粉、爐內摻燒”兩種方式。

“爐前摻混、爐內混燒”屬于傳統的混煤摻燒方式，指燃料在進入原煤斗之前，通過煤場堆混、皮帶混、筒倉混等按一定的比例混配均勻，之后在磨煤機中一同被磨制成粉，然后再送入爐內燃燒。該方法適用于可磨性相近、煤種摻混手段完備、且管理比較到位的情況[4]。

“爐前摻混、爐內混燒”方式下，不同煤種的煤粉在進入爐膛前已經完全混合，送入每個燃燒器的煤粉成分相同。大量文獻表明，該方式有利于煤粉的著火和燃燒的穩定；但當參與混煤的單煤燃燒特性差異較大時，容易出現混煤的“搶風”現象，特別是當煤種的可磨性差異較大時，即使摻混均勻，也難以保證煤粉細度的均勻性，從而導致灰渣可燃物偏高。

對直吹式制粉系統的鍋爐，“分磨制粉、爐內摻燒”方式就是不同磨煤機磨制不同種類的原煤，煤粉經各磨煤機一次風管被直接送入爐內進行摻燒。該方法適用于混煤手段欠缺的火電廠，尤其適用于燃燒特性差異較大或可磨性差異較大的煤種摻燒。

綜上所述，“爐前摻混、爐內混燒”適用于不同煤種燃燒特性差別較小的情況，且該方式需要較大的配煤設備和場地，投資和運行維護費用也較大；而“分磨制粉、爐內摻燒”方式靈活，設備簡單，目前已成為研究的熱點。對于貴溪電廠2號鍋爐而言，結合電廠實際儲煤狀況及煤場配煤現狀，在熱態試驗的混煤摻燒方案中選擇“分磨制粉、爐內摻燒”方式。

3.2 現場混煤方案的選擇

針對貴溪電廠2號鍋爐，制定了5個混煤比例，主要考慮了以下因素：(1)結合電廠近期實際儲煤狀況，本次試驗以澳洲煤、甘肅華亭煤和江西飛燃煤進行摻混；(2)出于運行習慣，每臺磨煤機的給煤量相差不大，本次試驗中，默認每臺磨煤機給煤量一致，如混配比例為澳洲煤∶甘肅華亭煤∶江西飛燃煤=2∶2∶2的混煤，表明2臺磨煤機上甘肅華亭煤，2臺磨煤機上澳洲煤，2臺磨煤機上江西飛燃煤；(3)從穩燃和爐渣可燃物含量考慮，最下層A磨煤機應上優質煤，即只上澳洲煤或甘肅華亭煤；(4)從鍋爐帶負荷能力考慮，不同混煤比例下，必須確保6臺磨煤機能帶640 MW負荷、5臺磨煤機帶550 MW負荷、4臺磨煤機帶450 MW負荷等。

選取3個代表性負荷點(640 MW、550 MW、450 MW)，在同一負荷點下，分別采用不同的混煤摻燒方案對鍋爐熱效率進行測試。為確保試驗結果的代表性，在每個混煤方案下又進行了變氧量試驗，以確定該混煤方案下的最佳氧量，進而確定不同負荷下的最佳混煤摻燒方案。現場混煤摻燒試驗方案見表7。

表7 現場混煤摻燒試驗方案

表7(續)

3.3 混煤摻燒結果分析

不同混煤摻燒方式的經濟性差異分析見圖1～圖6。

在640 MW負荷下，由圖1、圖2可知：上煤方式改變，飛灰含碳質量分數最低2.42%，最高5.63%，兩者相差3.21%；爐渣含碳質量分數最低3.05%，最高5.26%，兩者相差2.21%；鍋爐熱效率最低92.32%，最高93.79%，兩者相差1.47%。各種上煤方式下，推薦采用A、B磨煤機華亭煤；C、E磨煤機飛燃煤；D、F磨煤機澳洲煤上煤方式，推薦省煤器出口表盤氧量平均值控制在2.8%。

圖1 640 MW負荷混煤工況飛灰、爐渣含碳質量分數

圖2 640 MW負荷混煤工況鍋爐熱效率

在550 MW負荷下，由圖3、圖4可知：上煤方式改變，飛灰含碳質量分數最低2.87%，最高6.48%，兩者相差3.61%；爐渣含碳質量分數最低2.86%，最高5.28%，兩者相差2.42%；鍋爐熱效率最低92.52%，最高93.76%，兩者相差1.24%。各種上煤方式下，推薦采用A磨煤機甘肅華亭煤；C、E磨煤機江西飛燃煤；B、D磨煤機澳洲煤上煤方式，推薦省煤器出口表盤氧量平均值控制在3.0%。

圖3 550 MW負荷混煤工況飛灰、爐渣含碳質量分數

圖4 550 MW負荷混煤工況鍋爐熱效率

在450 MW負荷下，由圖5、圖6可知：上煤方式改變，飛灰含碳質量分數最低2.76%，最高6.58%，兩者相差3.82%;爐渣含碳質量分數最低2.86%，最高6.78%，兩者相差3.92%；鍋爐熱效率最低91.32%，最高93.06%，兩者相差1.74%。在450 MW負荷下，一臺磨煤機燃用飛燃煤時推薦采用A磨煤機甘肅華亭煤，C磨煤機江西飛燃煤，B、D磨煤機澳洲煤上煤方式；2臺磨煤機燃用飛燃煤時推薦采用A磨煤機甘肅華亭煤，C、D磨煤機江西飛燃煤，B磨煤機澳洲煤上煤方式。

圖5 450 MW負荷混煤工況飛灰、爐渣含碳質量分數

圖6 450 MW負荷混煤工況鍋爐熱效率

4 結語

(1) 混煤摻燒試驗結果表明：2號鍋爐在試驗摻燒方案下，機組能滿足帶負荷要求，鍋爐主汽壓力和溫度、再熱蒸汽壓力和溫度、主汽流量、受熱面壁溫等均能控制在正常范圍內。

(2) 采用理論研究和現場試驗相結合的方法，對貴溪電廠2號鍋爐開展混煤摻燒試驗研究，所提出的相關結論及建議已添加到該廠“混煤摻燒管理辦法”中。

(3) 技術改造后未發生燃燒器燒損、爐膛嚴重結渣等問題，機組安全性得到顯著提高。

(4) 在相同負荷、相同混煤比例下，上煤方式的改變可使2號機組在640 MW負荷下鍋爐熱效率提高1.47%左右，在550 MW負荷下鍋爐熱效率提高1.24%左右，在450 MW負荷下鍋爐熱效率提高1.74%左右。所以選擇合理的上煤方式，也能提高機組經濟性。

[1] 樓波，王小聰. 生活污泥與煤混燒的熱重試驗研究[J]. 熱能動力工程, 2011, 26(1): 114-116.

[2] 沈炳耘，荀華，韓建春. 洗中煤和煤矸石的混合燃燒特性分析[J]. 熱能動力工程, 2011, 26(5): 571-575.

[3] 鮮曉紅，杜云貴，張光輝. TG-DTG/DTA研究混煤的燃燒特性[J]. 煤炭轉化, 2011, 34(3): 67-70.

[4] 段學農，朱光明，焦慶豐，等.電廠鍋爐混煤摻燒技術研究與實踐[J]. 中國電力, 2008:41(6): 51-54.

Experimental Study on Blended Coal Combustion of Large Power Plant Boilers

Liu Fasheng1, Tan Zixing1, Gui Liangming1, Ao Guanghui2, Cheng Wenfeng3, Shu Kaitai3, Chen Linguo1

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Corporation Research Institute, Nanchang 330096, China;2. Guixi Power Generation Co., Ltd., Guixi 335400, Jiangxi Province, China;3. CPI Jiangxi Electric Power Co., Ltd., Nanchang 330006, China)

To solve the problems occurring in a 640 MW boiler caused by burning non-designed coal for a long period that had led to great impact on the safe and economical operation of the boiler, elemental analysis, thermo-gravimetric analysis and classification were made for various kinds of coal commonly-used in the power plant, after which the coal types to be involved in the research on blended coal combustion were determined. With three characteristic load points selected and through conducting hot tests with coal mixtures in different blending proportions under different feeding modes, an optimal blended coal combustion scheme and coal feeding mode were obtained for the boiler, thus effectively enhancing the safety and economic efficiency of the boiler unit.

boiler; blended coal combustion; thermo-gravimetric analysis; combustion behavior

2014-11-12

劉發圣(1983—)，男，高級工程師，主要從事煤的清潔燃燒、電站鍋爐的優化運行試驗及調試工作。

E-mail: shengfaliu@163.com

TK227.1

A

1671-086X(2015)04-0248-04