劣質煤對煤粉鍋爐運行的影響分析

張向前，安香菊

（同煤集團漳澤電力股份有限公司河津發電分公司，山西 運城 043300）

以煤炭為燃料的火力發電企業，煤炭質量對機組運行的可靠性、經濟性影響較大。全國火力發電企業以煤炭為燃料的發電機組占較大比例，煤炭消耗量逐年增長，煤炭資源日趨緊張，煤炭價格不斷攀升。電煤價格持續上漲，導致發電成本增加，為了降低煤炭價格，各發電企業在進煤時常常會摻配設計煤種以外的煤矸石、高硫分的無煙煤等，以降低燃料成本。煤質差、燃燒煤質與鍋爐的設計煤質不同使鍋爐燃燒不穩定，影響鍋爐的安全穩定運行，增加輸煤與制粉系統的磨損性。高硫煤使設備腐蝕加速，增加了廠用電率和降低了鍋爐的燃燒效率，長期使用會增加電廠的運行維護及改造費用，降低電廠的長期經濟效益。文章以300MW機組為例，摻燒高灰分劣質煤和高硫的無煙煤時對鍋爐運行的影響進行分析。

1 鍋爐煤質設計與實際煤質情況

1.1 300MW機組對煤質的設計要求

煤質是設計鍋爐、制粉系統、電除塵器等主要設備的基礎，不能隨意混合各種煤炭進入鍋爐燃燒。電廠使用的煤質確定之后，其主要設備的結構參數、選型和技術性能指標就隨之確定。300MW燃煤機組煤質設計為煙煤中的原煤，使用煤的灰分一般為20%～30%，熱值為17～21MJ/kg，干燥無灰基揮發分為20%～30%，全水分為6%～7%，全硫含量1.50%左右。

1.2 不同煤種的著火溫度不同

由于煤的揮發分不同，在相同燃燒條件下，不同煤種的著火溫度不同，如表1所示。

表1 不同煤種的著火溫度 單位：℃

不同煤種的煤混合在一起，進入鍋爐內燃燒時，由于著火溫度不同，在設計好的鍋爐內，不同品種的煤燃燒的位置就會發生變化，如褐煤在噴燃器入口開始燃燒，煙煤在爐膛內燃燒，無煙煤就會在過熱器處燃燒。

1.3 鍋爐實際運行時煤質情況

在實際入廠煤的進煤中，可能混合有煤泥、洗中煤、煤矸石、高硫的無煙煤等。2019年6月某電廠入廠煤煤質情況表如表2所示。由于煤矸石的灰分含量大，干燥無灰基揮發分的數據無實際意義，所以統計為空干基揮發分。

2019年6月某電廠入爐煤煤質如表3所示。

表2 2019年6月入廠煤煤質偏差情況表

表3 2019年6月入爐煤煤質

2 劣質煤對煤粉鍋爐運行的影響

2.1 增大鍋爐系統的磨損

煤在破碎過程中，對金屬磨件產生一定的磨損作用。煤粉噴進爐膛對氣氛管道、噴燃器壁等存在沖刷磨損，高硫的無煙煤與煤矸石都是煤中硬度很高的物質，如高嶺土的莫氏硬度為2.5，方解石為3，白云石為3.5～4，磁鐵礦為5.5～6，黃鐵礦為6～6.5，石英為7[1]。煤中配置大量的矸石與高硫分的無煙煤，大大提高了煤的硬度，煤在破碎、制粉、運輸過程中，對管道、磨煤機、噴燃器壁的沖刷作用增強，長期使用會造成管道的泄漏、磨煤機的磨損增大（鋼球磨的鋼球損耗增大）等。對設計好的煤粉鍋爐，其煤粉輸送管道、噴燃器壁、磨煤機等的使用壽命大大降低，影響機組的安全經濟運行。

2.2 高硫煤加劇鍋爐的腐蝕與結渣

煤中全硫含量對鍋爐的腐蝕和結渣有很大的影響，對于煤粉鍋爐，當St,d＜1.5%時，鍋爐尾部受熱面不會產生明顯的堵灰與腐蝕；當含硫量達到1.5%～3.0%時，鍋爐產生明顯的堵灰與腐蝕；當St,d＞3.0時，就會出現嚴重的堵灰與腐蝕情況，會大大縮短空預器的壽命。

鍋爐的結渣與煤中全硫的關系[1]：

式中：ω灰中堿性氧化物為灰中Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O的含量，%；ω灰中酸性氧化物為灰中SiO2、Al2O3及TiO2的含量，%；Rs為鍋爐結渣指數。

當煤灰中的堿性氧化物與酸性氧化物一定時，結渣指數與煤中全硫含量成正比關系，即煤中全硫含量越高，鍋爐結渣指數越高，鍋爐越易結渣。尤其是高硫煤進入鍋爐時由于摻配不均勻，煤中硫會集中在某一部位，造成鍋爐管道結渣，長期運行會發生鍋爐爆管。

2.3 煤粉鍋爐燃燒時熱量利用率降低

煤矸石、無煙煤與原煤混合制成煤粉后，進入爐膛內燃燒，由于不同煤種的煤著火溫度不同，煤矸石、無煙煤及原煤在爐膛內的著火位置存在很大差異。原煤在爐膛的水冷壁位置正常燃燒，無煙煤由于揮發分較小，在風力作用下到過熱器的位置才達到著火溫度，使火焰上移，導致過熱器蒸汽溫度過高，增加減溫水進行減溫，鍋爐內這部分的熱量屬于無用功。煤矸石的比重遠遠大于煤的比重，煤矸石進入鍋爐后，它的干燥無灰基揮發分雖然比較高，但是由于灰分含量高達50%以上，干燥無灰基揮發分不能真實反映煤矸石的易燃情況。煤矸石在爐膛內著火燃燒開始時，煤粉已經開始下落進入爐膛底部，大部分的熱量是爐膛外進行，煤粉中的熱量也做了無用功，所以劣質的煤矸石與高硫無煙煤在煤粉鍋爐內的熱量有效利用率比較低。

2.4 劣質煤燃燒后灰分可燃物增加

在入廠煤中摻配大量的煤矸石和高硫無煙煤后，由于煤質的硬度增加，使磨煤機的出力降低，為了提高制粉量，增大一次風量，使磨煤機的煤粉粒度增大。煤粉進入鍋爐后，煤粉粒度增大，在不調整鍋爐運行的情況下，煤粉機械燃燒的效率會大大降低，致使煤灰中的含碳量成倍的增加[2]。如某電廠鍋爐設計飛灰可燃物為3.2%，由于煤中摻燒大量煤矸石和無煙煤，煤灰中的飛灰可燃物達到9.9%甚至更高。

2.5 鍋爐運行工作量及用電量增大

煤矸石與無煙煤在煤粉鍋爐中燃燒時其熱量的利用率低，為了滿足機組運行的要求，在實際工作中，要增加煤量，會使輸煤運行時間增加，磨煤機工作量增加，鍋爐燃燒所需要的煤量增加，輸送煤粉的風量也要增加。如果高灰分煤的摻燒比例達到15%，鍋爐爐渣量也要增加，同時廠用電率也要增加，供電煤耗也升高了。

2.6 鍋爐燃燒不穩定

鍋爐的燃燒性能通常包括煤粉的著火穩定性、煤粒的燃盡性能、爐膛的結渣性能，在原煤中摻燒的煤矸石和高硫無煙煤比例增加，入爐煤在摻配過程中，摻配的均勻程度差，尤其是在煤源緊張、煤場存煤量較少的情況下，入爐煤摻配更加不均勻，在鍋爐中煤矸石與無煙煤著火燃燒遲緩，會使鍋爐燃燒不穩定，甚至發生滅火現象[3]。

3 對煤粉鍋爐的煤質情況建議

鍋爐設計是根據提供的煤質情況而定的，鍋爐設計參數確定后，鍋爐對煤質的要求基本就會確定。電廠運行經濟性受煤價、煤耗指標、機組效率、設備維護費用、運行消耗材料費用以及相應管理費用的影響。燃用低品質煤可以帶來短期的經濟利益，而對于機組長期的運行情況，必然造成機組運行維護成本升高、能耗升高、設備改造費用增加，長期運行經濟利益偏低。建議入廠煤進煤過程中，在鍋爐設計煤種的基礎上，灰分偏離設計值的±5%～±10%的范圍內進行調整，而不應該摻配過度偏離設計的煤矸石和高硫無煙煤。