混煤摻燒安全性與經濟性研究

2019-10-30 06:58:26

應用能源技術 2019年10期

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中電力試驗研究院，鄭州 450000)

0 引言

近年來隨著國民經濟不斷發展，包含火力發電企業在內的各行業對煤炭需求的大幅度增加，導致煤炭價格不斷攀升，設計、校核煤種供應緊張，為降低燃煤采購成本，應對設備存在的問題，國內電廠普遍采用混煤摻燒技術。

混煤摻燒可解決鍋爐多種問題，如摻燒結渣性較低煤種可解決鍋爐結渣，摻燒高硫煤可降低燃煤飛灰比電阻，摻燒高灰發分煤種可降低灰渣含碳量，摻燒高揮發分煤種可解決低負荷穩燃問題，摻燒高揮發分煤種可降低SCR入口NOx濃度等。

1 混煤摻燒方式的選擇

1.1 爐外摻混、混磨混燒摻燒

該摻燒方式在煤場或輸煤上煤過程中進行。摻配不均時容易出現諸多問題，配風的調整很難同時滿足兩種煤的需求，該方式適用于燃燒特性及可燃性差別較小煤種的摻燒。對于可磨系數差別較大的煤按此方式摻燒，不僅制粉出力降低、單耗增大，而且會使灰渣含碳量大幅升高，引起鍋爐熱效率下降，因此該摻燒方式不適宜跨煤種摻燒。

1.2 分磨磨制，倉內摻混，爐內混燒

該摻燒方式適用于倉儲式制粉系統，采用分倉上煤方式，磨制完成后，煤粉在粉倉內摻混，爐膛內完成混燒。分倉上煤可避免在控制煤粉細度時，可磨性系數高的煤被磨的偏細、可磨性系數低的煤磨的偏粗的現象，及制粉系統出力降低、單耗增加等問題；根據不同煤種的燃盡特性控制煤粉細度，該摻燒方式適宜可磨系數及燃燒特性差別較大的煤種摻燒。

1.3 分倉上煤，分別磨制、分層送入爐內

該摻燒方式適應于中速磨直吹式制粉系統、雙進雙出磨直吹式制粉系統及部分倉儲式制粉系統。該摻燒方式具有分磨磨制，倉內摻混，爐內混燒的優點，還可跟據各層燃燒器燃煤的特點針對性地控制各層的一次風速、風溫(直吹式制粉系統)等參數，摻燒效果更好。對于儲倉式制粉系統及雙進雙出磨直吹式制粉系統，摻燒煤種的適應性很廣，不僅能適應相鄰煤種的摻燒也能適應跨煤種摻燒；由于中速磨直吹式制粉系統在磨制無煙煤時，細度達不到要求，故該摻燒方式不適宜無煙煤與其它煤種的摻燒。

表1 不同煤種摻燒時摻燒方式的比較及選擇

注：分倉上煤分層摻燒低灰熔點煤時，低灰熔點煤放在中、下層摻入。

2 混煤摻配比例依據

計算各種煤的摻配比例時按以下約束條件立出方程求解：

X1Vdaf1+X2Vdaf2≥Vdaf,min

(1)

摻配后煤的最低揮發分Vdaf min主要跟據爐型、燃燒器布置方式考慮鍋爐的穩燃性能及燃盡性能確定；

X1Qnet,arl+X2Qnet,ar2≥Qnet,ar min

(2)

摻配后煤的最低發熱量Qnet,ar min主要根據制粉系統、給粉機出力確定能否滿足機組帶負荷的需要；

X1Aar1+X2Aar2≤Aar min

(3)

摻配后煤的最高灰分Aar max主要根據輸灰系統的輸灰能力確定。

X1Sar1+X2Sar2≤Sar max

(4)

摻配后煤的最高硫分Sar max主要根據脫硫系統的余量及水冷壁高溫腐蝕的傾向確定。

3 混煤摻燒中出現的問題及避免方法

3.1 爐內結渣

摻燒煤種的灰熔點溫度較原燃用煤種降低較多時或摻燒高硫分煤種，以及摻燒煤種在燃燒過程中與原煤種形成低灰熔點的共晶體時，將引起鍋爐結渣。為避免摻燒低灰熔點煤引發的爐內結渣，采用中速磨直吹式制粉系統的低灰熔點煤應在爐膛中下部送入。高硫煤的摻燒主要避免在高還原性氣氛區域形成低灰熔點的共晶體。低氮燃燒器改造后的鍋爐，主燃燒區域整體呈現高還原性氣氛，高硫煤摻燒應采用爐前摻混方式，避免集中送入。

3.2 水冷壁高溫腐蝕

在摻燒高硫煤時，爐內水冷壁容易出現高溫腐蝕。燃用高硫煤時爐內存在較高濃度的H2S氣體，H2S與爐管發生反應形成腐蝕，在壁面存在較高濃度CO，爐管溫度較高時，腐蝕速率加快。摻燒高硫煤要跟據燃燒器布置的特點確定是否適合摻燒。對于四角切圓燃燒器鍋爐，二次風對一次風的包裹性較好，在壁面不容易出現缺風燃燒，壁面的還原性氣體濃度較低，摻燒高硫煤時不容易引起鍋爐高溫腐蝕；對于采用上下濃淡方式燃燒器，且一次風采用小切圓或微反切，二次風采用大切圓方式，二風對煤粉的包裹較好，水冷壁面還原性氣氛較低，摻燒高硫煤不容易引起高溫腐蝕；對于旋流對沖燃燒方式鍋爐，為避免高溫腐蝕可在主燃燒器區域布置貼壁風。

3.3 排煙溫度升高

對于設計燃用高揮發分煤種的煙煤爐型，在摻燒低揮發分的貧煤或無煙煤時，煤粉燃盡性能降低，火焰中心抬高，引起排煙溫度升高。為避免排煙溫度升高，直吹式制粉系統的鍋爐可通過分倉上煤方式將低揮發分煤種放在中下層燃燒器送入降低火焰中心高度，同時對磨制低揮發分煤種的磨提高磨出口溫度來減少冷風摻入量，增加空預器換熱的方法降低排煙溫度。對于設計燃用低揮發分煤種制粉系統為直吹式的鍋爐，摻燒高揮發分煤種時，為防止制粉系統爆炸，磨煤機控制出口溫度降低，磨煤機入口摻入的冷風量增加，使經過空預器的熱風量減少，造成空預器換熱能力減弱，同樣會引起排煙溫度升高。對此應通過優化降低磨煤機風量，減少摻入冷風量達到降低排煙溫度的目的。

3.4 燃燒器及粉管燒損

設計燃用低揮發分煤種的鍋爐，在摻燒高揮發分煤種時容易產生制粉系統爆炸及一次風管回燒問題。為避免爆炸及回燒問題，應在原來基礎上整體增加一次風速，避免摻燒高揮發分煤種時著火點前移造成燃燒器及風管燒損。采用分倉上煤爐內摻燒方式的設計燒低揮發分煤種的鍋爐，摻燒高揮發分煤種時，要將摻燒高揮發分煤種的磨煤機風量增大，提高對應層的一次風速。

4 混煤摻燒的燃盡問題及提高燃盡率的措施

4.1 混煤的可磨系數

研究表明，混煤的可磨系數不是在任何情況下均為可單一煤種可磨系數加權平均值，只有摻混的兩個單一煤種可磨系數較接近時，混煤的可磨系數采可加權平均；當摻混的兩個煤種可煤系數差別很大時，混煤的可磨系數低于加權平均值，且混煤的可磨系數更接近難磨煤種?？赡ハ禂挡顒e較大的煤混磨時，可磨系數是降低的。

表2 不同可磨系數煤種摻混后可磨系數變化

4.2 混煤磨制后的粒徑偏析

表3 混磨后不同煤粒徑的偏析情況

從表中數據可以看出，粗顆粒中難磨的揮發分低的無煙煤占多數，細顆粒中易磨的揮發分高的煙煤占多數。按混煤等效揮發分控制煤粉細度時可磨系數差別大的煤混磨時，可磨系數大的煤被磨的過細，可磨系數小的煤磨的偏粗。無煙煤由于燃盡特性差，要求磨的更細才能使燃盡率保持在合理水平。無煙煤與煙煤混磨時無法避免這種矛盾，將導致混煤中無煙煤的燃盡率降低。

4.3 混煤的著火溫度

混煤的揮發分在兩種摻配煤的揮發分差別很大(煙煤和無煙煤)時，實測的揮發分低于按各組分加權的揮發分。兩種煤混燒時其揮發份的析出是非同步進行的，混煤著火溫度通常低于按混煤加權揮發分對應的單一煤種的著火溫度，且更接近摻燒的高揮發分煤種的著火溫度。

由圖1得出：在難燃煤中摻混高揮發分的煤種可改善煤的著火特性。

4.4 不同煤種混磨混燒時混煤的著火燃盡特性

圖2-3可以看出燃盡特性差異較大的煤種混磨混燒時存在交互影響，一方面高揮發分煤種優先著火燃燒，火炬溫度升高，使低揮發分煤種更快達到著火溫度促進低揮發分煤種的著火燃燒；另一方面高揮發分煤種著火后會消耗氧量，使低揮發分煤種著火時氧濃度降低，著火變慢，著火后燃燒擴展變慢，燃盡延遲，引起混煤的燃盡率降低。混煤的著火燃盡是這兩種因素競爭的結果。當低揮發分煤種摻入低比例高揮發分煤時，混煤著火燃盡有改善效果，當摻燒高揮發分煤超過一定比例時，混煤的燃盡性能反而降低，這就是所謂的高揮發分煤種的搶風引起的混煤燃盡性能下降。煤質性能差異越大，這種交互影響越嚴重。

圖2 高、低揮發分煤不同比例摻燒

圖3 煙煤褐煤、無煙煤貧煤不同比例摻燒

4.5 不同煤種分倉上煤、分別磨制、分層摻燒時燃盡特性

圖4-8可以得出燃盡特性差異較大的煤種采用分倉上煤、分磨磨制、爐內摻燒方式時燃燒的交互作用依然存在，但這種交互影響比混磨混燒方式減弱，著火燃盡特性好的煤越晚摻入，交互作用影響越弱，即特性好的煤越晚摻入，搶風的現象越輕，因此采用分倉上煤、分別磨制、爐內混燒的摻燒方式有助于燃燒特性差異較大摻燒比例較高時混煤燃盡率的提高。