1000MW對沖燃燒鍋爐配煤摻燒優化試驗研究

國家電投集團河南發電有限公司沁陽分公司 李延偉 劉亞平 王霄霄 郝秉迎 邢旭光

上海發電設備成套設計研究院有限責任公司 趙 旭

根據國家能源局/國家發改委的多項政策，深度挖掘火電調峰潛力、提高機組靈活性成為當前火電機組的重要任務，而燃料靈活性作為火電靈活性的重要組成部分，在當前煤炭市場價格波動劇烈、電廠燃用煤源復雜的情況下，具有降低燃料成本、提高電廠收益的重要意義[1]。目前火電機組目前多采用配煤摻燒的方式摻燒低價劣質煤，深度調峰下有效控制發電成本。但由于往往配煤的情況和設計煤種偏差較大、所摻燒低價煤的水分/灰分/硫分等較高，導致機組運行時鍋爐穩燃、結焦、SOx/NOx 排放等特性會發生變化，嚴重時甚至會發生滅火、非停等嚴重事故[2]。因此通過配煤摻燒試驗，研究經濟合理的摻燒方案以及摻燒煤種對制粉系統、鍋爐燃燒的影響，并通過調節配風等燃燒優化手段指導調節鍋爐安全、經濟運行。

表1 鍋爐主要設計參數

以某1000MW燃煤發電機組作為配煤摻燒試驗對象，鍋爐采用東方鍋爐股份有限公司設計的DG3063.81/29.3-Ⅱ1型高效超超臨界參數變壓運行直流爐，一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架，鍋爐采用∏型布置方式，前后墻對沖燃燒方式，采用微油點火系統，燃燒器采用外濃內淡型低NOx 旋流煤粉燃燒器，制粉系統采用采用6臺ZGM133-II 中速磨煤機，鍋爐的主要參數如表1。

1 配煤特性研究

1.1 混煤混熔點特性研究

本次試驗的電廠現階段配煤主要由人工計算完成，主要考慮煤中揮發分和硫含量，煤場對于堆放的現狀同樣也主要基于煤揮發分和硫含量，分四大類（高揮高硫、高揮低硫、低揮高硫、低揮低硫）進行堆放以便取用。經過工業分析、元素分析、發熱量檢測，得到6種原煤的煤質信息分別為：收到基水分Mar（%）5.0/5.5/9.2/9.9/5.5/1.9、揮發分Var（%）11.19/11.20/22.35/20.65/12.04/16.54、灰分Aar（%）32.06/27.18/20.29/18.06/18.84/45.6 8、低位發熱量Qnet.ar20.24/21.80/21.42/22.15/25.8 8/15.95、硫Sar（%）0.46/1.51/0.81/1.20/0.95/0.71、碳Car（%）54.24/59.34/56.78/58.88/68.56/43.6 8、氫Har（%）2.73/2.79/3.42/3.26/3.28/2.57、氮Nar（%）0.83/0.85/0.75/0.81/0.88/0.65、氧Oar（%）4.68/2.83/8.75/7.89/1.99/4.81。

可以看出，1號煤屬于低揮低硫煤、2號煤屬于低揮高硫煤、3號煤屬于高揮低硫煤、4號煤屬于高揮高硫煤、5號煤屬于低揮中硫煤、6號煤屬于中揮低硫煤?；谶@六種原煤制備混合煤樣，采用空氣干燥狀態下各原煤兩兩混合，質量取1:1比例制備，制得15種混合煤樣（表2）。煤的灰熔點溫度是衡量煤質好壞、影響鍋爐結焦的重要因素。為研究配煤摻燒對于鍋爐結渣特性的影響，對于所制備的21種煤樣進行灰熔融特性試驗，試驗選取粒徑小于0.2mm 的21種煤樣在815℃的溫度下分別進行燃燒制灰（表3）。

表2 混合煤樣編號

按照ST 指數來看，6種原煤中2號煤、5號煤、6號煤屬于弱結渣傾向，1號煤、3號煤、4號煤為中等結渣傾向；混合煤樣中7～11號煤的軟化溫度相較于其未摻配時兩種原煤的軟化溫度都有所增加，特別是8、9號煤，未摻配時兩組原煤都是中等結渣傾向，摻配后變成弱結渣傾向，軟化溫度有較大的增加。14～17號煤和21號煤的軟化溫度相較于其未摻配時兩種原煤的軟化溫度有所降低?？梢?號煤與其他五種煤摻配都有提高配煤的灰熔點的作用。

1.2 混煤燃燒特性研究

基于上述的21中混煤樣本選取粒徑小于0.1mm的煤粉，使用熱重分析儀分別進行燃燒特性試驗，得到原煤與混煤的燃燒特性，包括平均燃燒速率、最大燃燒速率、著火溫度、燃盡溫度、綜合燃燒特性指數、穩燃特性指數等。由試驗結果可得，六種原煤中3號煤的綜合燃燒特性指數最高，其次為4號煤，這主要是因為3、4號煤揮發分產率高，導致其著火、燃盡溫度低，從而提高了綜合燃燒特性。2號煤的揮發分產率最低，其著火溫度、燃盡溫度高，導致其綜合燃燒特性較差。6號煤固定碳含量低，燃燒速率低導致綜合燃燒特性較差；六種原煤中穩燃指數最高的是3號煤，其次為4號煤；穩燃性能最差的為2號煤，其次為6號煤。

從綜合燃燒特性指數角度考慮，16號煤的綜合燃燒特性指數最高，其次為12號煤。16號煤由原煤中綜合燃燒特性最好的3、4混合后得到，然而其綜合燃燒指數有所降低，11號混煤也有類似結論。15號煤由原煤中綜合燃燒特性最差的2、6混合后得到，其綜合燃燒指數有所上升，同樣情況發生在14號煤樣。其余煤樣的綜合燃燒特性指數介于其組成原煤的綜合燃燒特性指數之間。

從穩燃特性指數研究，混合煤樣中穩燃性能最好的是12號煤和16號煤，最差的是7號煤和11號煤，15種混合煤樣中，10、11、17號煤的穩燃性能比未摻配時的原煤都低，其他12種煤的穩燃指數都介于未摻配時兩種原煤的穩燃指數之間。

綜上可得出結論，配煤摻燒的燃燒性能并不是簡單的線性疊加，相對于原煤燃燒特性來說，配煤摻燒改變混煤燃燒特性多數情況下會使其燃燒特性介于二者之間，但也會出現性能綜合上升下降的情況，具體情況需要按試驗判斷分析。

表3 灰熔融特性試驗結果

1.3 制粉系統試驗

制粉系統系統試驗主要研究動態分離器轉速、分離器出口溫度、磨煤機出力及通風量對煤粉細度、均勻性和經濟性的影響，試驗結果顯示煤粉整體的R90低于國標推薦值，高硫煤泥的R90高于其他煤，但細煤粉占比很大。煤粉平均含水率為0.22%，說明各煤種含水量較小且磨煤機干燥出力情況較好，其中煤泥煤粉的含水率最高，為0.51%。由于整體煤粉較細，可以適當降低動態分離器轉速，經過試驗發現以下規律。

當給煤量增加時：當風煤比較高且分離器轉速較高，此時細煤粉少，增加給煤量填補了研磨空隙，煤粉整體會變細。當風煤比較低且分離器轉速較低時，由于研磨出力不足，給煤量較大時煤粉會變粗；當一次風量的增加量較小時細煤粉會被更容易帶走，R90變化不明顯。當一次風量較大時較細的煤粉更容易被帶走，煤粉整體略有變粗，R90略有增加；隨著液壓加載力增加煤粉先變細后變粗，是因為當磨輥與磨盤的空間被逐漸填滿后更多的顆粒無法參與研磨，但較大的加載力會導致磨煤機振動，需要選取合適的液壓加載力值，保證磨煤機的安全。

表4 目前鍋爐配煤情況表

2 燃燒調整

2.1 配煤摻燒現狀

本次試驗電廠采用配煤摻燒（表4），700～850MW 運行1、2、3、5、6號磨，600～750MW 運行2、3、5、6號磨，440～600MW 運行2、3、6號磨?？傊鹉炏绕鹎皦δ?，停磨優先停后墻磨。3號磨的象山煤與6號磨的高揮高硫煤為440～1000MW 全負荷穩燃用；1號磨的市場煤、2號磨的混煤與5號磨的煤泥都屬于低價煤種，可考慮多摻燒；4號磨的高熱低揮低硫煤價格較高，為帶滿負荷用。

440MW以下負荷采用配煤摻燒，較為穩定的方式為底層兩臺磨投用高揮、中層磨投用一臺中揮，該方法至400MW也能保證燃燒，但該方案燃用的煤價格較高，就燃煤的成本來說并不合理。同時采用配煤摻燒后，在高負荷和低負荷下均出現火檢不穩定，爐膛溫度左右偏差等一系列問題，針對以上問題，結合對于煤質、混煤、磨煤機運行的相關規律，對于1000MW 超臨界機組進行燃燒調整優化。

2.2 低負荷下燃燒調整

低負荷下主要出現的問題在于2號磨火檢不穩定的情況，靠近左側，SCR 前NOx 值偏高。就地測量看火孔溫度，2層燃燒器左側溫度偏低，初步分析認為與2號磨投用貧煤揮發分低有關，爐膛溫度低使其著火延遲有關，針對上述問題，就地加大內二次風開度、降低一次風壓和風量以加強中層燃燒器的卷吸，使煤粉能夠短時間內得到充分的著火熱；同時減小磨煤機分離器轉速和減小分離器轉速加載壓，根據制粉系統試驗的規律總結，該措施能夠加大煤粉出力、提升煤粉細度，有利于著火。經過多次驗證，采用這樣的措施火檢明顯好轉。

在上述基礎上，調節外二次風，結合火檢變化以及就地測溫，爐膛左側NOx 高，爐膛左側溫度低，認為與風量有關，猜測左側風量較低，之后可進行低負荷下風量的標定驗證。針對2層燃燒器逐個調節，最終火檢狀況好轉。

2.3 高負荷下燃燒調整

高負荷下出現了底層磨火檢變差的情況，通過嘗試，發現減小燃盡風開度、加大底層磨外二次風開度，火檢會有好轉，結合二次風風箱的布置形式，結合以往相關的經驗[3]認為出現該情況為高負荷下出現搶風，致使底層燃燒器風量不夠，尤其是6號磨，由觀火孔觀察爐膛也出現了明顯的黑色，通過降低磨煤機轉速、減小煤粉出力，風量與煤風量相匹配，使得火檢有所好轉，更加驗證了出現搶風的可能性。針對上述現象，可采用提風箱壓力、加氧量偏置的措施。為驗證高負荷下底層磨火檢不穩定的原因，在950MW 負荷下就地測量風量（表5）。

表5 實測二次風風量

950MW 穩定工況下在上述開度進行了就地風量測試，發現對于燃燒器區域的二次風，即使在上層擋板開度關小的情況下，離大風箱最近的1號磨及4號磨風量最大，平均59t/h；而最下層由于開度最大故風量也不小，平均44.3t/h；中層磨風量最小，為34t/h，且前墻風量大于后墻。下層燃盡風風量大于上層燃盡風風量。

高負荷下下層磨火檢不好的原因主要是中高揮發分的煤在燃燒初期需要消耗大量的氧氣，而底層磨的空氣量并不是最多的。擋板開度80～85%已接近最大流量，當運行過程中，如稍微開大1、2、4、5號磨或燃盡風層的層操風門擋板，就會將底層的風搶走很多。

3 結語

本文針對1000MW 超臨界鍋爐配煤摻燒試驗，從煤質、制粉系統試驗、燃燒優化調整等方面進行了相關研究和分析，得出以下結論：配煤摻燒多種煤摻混會對煤的煤質、灰熔點、燃燒性質等產生影響，應當結合具體試驗來采用合理的摻配方案；制粉系統對于不同煤種、不同混煤有著不同的出力規律，通過試驗掌握煤粉出力和磨煤機運行方式之間的聯系對于燃燒調整具有重要；由于入爐煤質發生變化，對于燃燒的控制方式需要響應的改變，本次燃燒優化主要解決：低負荷下由于爐膛溫度低、一次風量大導致煤粉點火延后造成2層磨火檢不穩定，采用加強卷吸、加強點火的措施；高負荷下由于底層磨缺風導致底層火檢不穩定，采用減小燃盡風，加強底層磨二次風等措施加強燃燒。