350 MW 機組鍋爐大比例摻燒高硫褐煤試驗研究

李宏巖 王永 葛成用 徐漠北 蒲建業(yè) 梁辰

（1 吉林電力股份有限公司四平第一熱電公司 吉林四平 136001 2 中電投東北能源科技有限公司 遼寧沈陽 110179）

0 引言

隨著經(jīng)濟增速放緩及電力市場深化改革的推進，燃煤發(fā)電企業(yè)成本競爭日趨激烈。為了控制燃料成本，電力系統(tǒng)內(nèi)各燃煤電廠持續(xù)推出配煤摻燒工作，配煤摻燒的能力和水平已經(jīng)成為企業(yè)的核心競爭力［1］。為了強化燃料成本控制、最大限度挖掘摻燒潛力、提升企業(yè)的經(jīng)濟運行水平，需要加快深度配煤摻燒的步伐。市場上高硫煤（特指白音華礦高硫褐煤，霍林河高硫褐煤）相對寬松［2-3］。為了緩解燃料來源供應(yīng)緊張的問題，希望可以通過此項研究，提升高硫煤摻燒比例，增強設(shè)備對高硫煤的適應(yīng)能力，防止大比例燃用高硫褐煤出現(xiàn)鍋爐屏過嚴重結(jié)焦，排煙SO2含量大幅升高等問題［4-6］，在安全燃燒條件下提高高硫煤的混配比例，實現(xiàn)降本增效的目的。

1 鍋爐概況及煤質(zhì)分析

1.1 鍋爐概況

某350 MW 機組鍋爐為哈爾濱鍋爐制造公司制造的HG-1165/17.5-HM3 型鍋爐，亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐。

1.2 煤質(zhì)分析

該機組鍋爐煤源主要為內(nèi)蒙古霍林河露天煤礦褐煤，摻燒部分遼源礦務(wù)局金保屯煤礦和東遼縣興達煤炭有限公司的燃煤。配5 臺MPS212HP-Ⅱ中速磨煤機，正壓直吹式制粉系統(tǒng)，擺動式直流燃燒器、四角布置、切向燃燒方式。設(shè)計煤質(zhì)，在最大連續(xù)蒸發(fā)量工況時，4 臺磨煤機運行，1 臺備用。煤粉細度（R90）為35%。給水調(diào)整采用汽動泵，機組配置2 臺50%B-額定負荷容量的汽動給水泵。

設(shè)計煤質(zhì)和校核煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 鍋爐設(shè)計和校核煤質(zhì)

2 試驗方案

2.1 試驗內(nèi)容

（1）磨煤機出口一次風(fēng)速調(diào)平試驗；

（2）磨煤機出力及煤粉細度試驗；

（3）爐膛溫度場測試試驗；

（4）常規(guī)煤種，75%以上穩(wěn)定負荷優(yōu)化運行方式，燃燒調(diào)整試驗；

（5）不同磨組合的摻燒高硫褐煤試驗（入爐煤不同含硫量試驗）；

（6）最優(yōu)高硫煤（入爐煤含硫量）摻燒工況的驗證試驗；

（7）通過脫硫增效劑進一步提高脫硫系統(tǒng)適應(yīng)性試驗。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

（1）一次風(fēng)速測試及調(diào)平［7］。用經(jīng)過校驗的測速管測量各一次風(fēng)管內(nèi)一次風(fēng)動壓及靜壓，從而求得整個截面的平均動壓值Pd（Pa），并用經(jīng)過校驗的標(biāo)準(zhǔn)T 型熱電偶測量風(fēng)溫。通過式（1）計算一次風(fēng)粉管管道風(fēng)速。

式中：k 為靠背管速度系數(shù)；ρ 為氣流密度，kg/m3；按式（2）計算。

式中：Pa 為當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a；Ps 為所測截面靜壓，Pa；t 為所測氣流溫度，℃；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，取1.293 kg/m3。

（2）一次風(fēng)質(zhì)量流量Qm見式（3）。

式中：A 為一次風(fēng)管通流面積，m2。

（3）風(fēng)速的最大相對偏差見式（4）。

式中：Qmax（min）是4 根管道內(nèi)最大（最小）的風(fēng)量，kg/s；Qave是4 根管道內(nèi)的平均風(fēng)量，kg/s。

3 試驗結(jié)果分析

機組檢修后開始進行高硫煤摻燒試驗。由于試驗時間較長，期間電廠來煤煤質(zhì)有較大變化，白音華高硫褐煤的含硫量也不是很固定，部分車次的霍林河褐煤含硫量相對更高些。試驗期間入爐煤的平均熱值13 155 kJ/kg，平均干基全硫1.03%，收到基灰分19.26%，煤的平均全水分31.65%，平均干燥基灰分28.12%，平均干燥無灰基揮發(fā)分49.124%。部分霍林河褐煤的干基硫分含量也比較高，與白音華褐煤接近。如果高硫霍林河褐煤與白音華煤同時燃用，高負荷工況脫硫系統(tǒng)壓力較大，因此上煤時需要預(yù)測機組負荷率，同時做好配煤摻燒工作，防止2 種高硫煤同時燃用。

3.1 制粉系統(tǒng)煤粉細度測試

試驗期間保持試驗?zāi)ッ簷C穩(wěn)定運行，給煤量與風(fēng)量保持不變，維持磨煤機出口風(fēng)粉混合物溫度在60 ℃～65 ℃。煤粉取樣化驗分2 次進行。對比2 次取樣的煤粉細度情況。ABC 磨為白音華高硫褐煤，DE 磨為霍林河褐煤。

2 次煤粉取樣都在滿負荷工況下進行，磨出口溫度、給煤量等參數(shù)基本一致。結(jié)果如圖1 和圖2 所示：磨煤機最大出力在43 t/h～45 t/h 出力時，2 個工況相同磨的煤粉細度相差不大。煤粉均勻性指數(shù)較檢修前均有很大好轉(zhuǎn)。D、E 磨煤機煤粉細度偏細，有利于飛灰的燃盡和降低飛灰含碳量，對于緩解折焰角積灰結(jié)焦是有利的。總體看煤粉細度較好，滿足當(dāng)前煤質(zhì)的燃燒情況。鑒于低負荷工況鍋爐折焰角部位有積灰的情況，本次試驗煤粉系統(tǒng)不做調(diào)整。

圖1 各臺磨煤機平均煤粉細度（R90）

圖2 各臺磨煤機粉管煤粉均勻性指數(shù)

3.2 一次風(fēng)速測試

ABC 磨為白音華高硫褐煤，DE 磨為霍林河褐煤。各臺磨出口粉管風(fēng)速測試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 各臺磨煤機平均風(fēng)速

圖4 各臺磨煤機粉管風(fēng)速偏差

從測試結(jié)果看，磨煤機在40 t/h～45 t/h 左右出力的情況下，E 磨平均風(fēng)速27.71 m/s，最大偏差是4 號粉管-3.68%，磨煤機入口風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)0.947 7；D 磨平均風(fēng)速26.28 m/s，最大偏差是2 號粉管6.55%，磨煤機入口風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)0.987 4；C磨平均風(fēng)速27.09 m/s，最大偏差是2 號粉管7.31%，磨煤機入口風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)0.808 0；B 磨平均風(fēng)速27.06 m/s，最大偏差是4 號粉管5.20%，磨煤機入口風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)0.629 6；A 磨平均風(fēng)速28.06 m/s，最大偏差是4 號粉管-5.43%，磨煤機入口風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)0.891 1。各別粉管風(fēng)速偏差超過±5%，需要通過可調(diào)縮孔調(diào)節(jié)到風(fēng)速偏差在±5%范圍。

3.3 不同摻燒比例爐膛溫度測試

試驗測試AB 2 臺磨摻燒白音華褐煤和ABC 3 臺磨摻燒白音華褐煤時不同負荷的爐膛溫度。機組沒有供熱時，電負荷300 MW 對應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量在880 t/h 左右；機組帶供熱時，電負荷最高到320 MW，鍋爐蒸發(fā)量最高970 t/h。

摻燒試驗主要測試爐膛出口位置、火焰中心位置、燃燒器下部區(qū)域和冷灰斗區(qū)域。從測試結(jié)果看，同層標(biāo)高爐膛溫度分布比較平均，偏差較小，E 層燃燒器上部附近，測試#3 角和#4角爐膛溫度比同層#1 和#2 角稍高，高負荷工況主燃燒器上部觀火孔均有少量結(jié)焦。

爐膛溫度測試結(jié)果如圖5 和圖6 所示，AB 磨摻燒白音華高硫褐煤最高負荷下爐膛出口1 230 ℃，鍋爐火焰中心位置測試最高溫度1 460 ℃，冷灰斗溫度920 ℃，爐膛溫度最高的區(qū)域在主燃燒器區(qū)域上部到燃盡風(fēng)噴口附近，普遍在1 400 ℃左右。不同的配風(fēng)方式和煤種對鍋爐爐膛溫度最高的區(qū)域影響較大。從煤質(zhì)分析看，白音華褐煤的灰熔點T2 在1 300 ℃左右，霍林河褐煤灰熔點T2 在1 260 ℃～1 420 ℃，扎哈褐煤的灰熔點T2 在1 120 ℃左右，因此，除非大量燃用扎哈褐煤，否則在爐膛出口屏區(qū)基本不會結(jié)焦。在鍋爐主燃燒區(qū)域上部到燃盡風(fēng)噴口位置容易出現(xiàn)結(jié)焦情況，測試期間鍋爐觀火孔的結(jié)焦情況也說明這一點。其中，鍋爐E4、E3 燃燒器上部觀火孔結(jié)焦的情況相對多些，但是不影響鍋爐運行。

圖5 AB 磨白音華高硫煤不同負荷爐膛溫度測試

圖6 ABC 磨白音華高硫煤不同負荷爐膛溫度測試

ABC 3 臺磨摻燒白音華褐煤爐膛溫度分布和AB 2 臺磨摻燒白音華褐煤比較變化不大。從長時間低負荷深調(diào)看，在折焰角部位有積灰現(xiàn)象發(fā)生。隨著運行時間延長，積灰有緩慢增加的趨勢。因此，不建議4 臺制粉系統(tǒng)摻燒低熱值、高灰分的白音華褐煤。

3.4 鍋爐配風(fēng)調(diào)整試驗

由于鍋爐送風(fēng)機選型偏大，在鍋爐800 t/h 蒸發(fā)量出力時，風(fēng)機動葉開度為0。此時運行氧量2.5%～3.5%，排煙中一氧化碳小于200 μg/g，飛灰含碳量小于0.6%，主燃燒器區(qū)域二次風(fēng)門開度小于10%，燃盡風(fēng)用于調(diào)整煙溫偏差和汽溫偏差，開度較小，多數(shù)處于關(guān)閉狀態(tài)，SCR 脫硝系統(tǒng)入口NOx 在400 mg/Nm3左右。

在鍋爐800 t/h 蒸發(fā)量以下出力時，送風(fēng)機動葉開度為0，只能通過關(guān)小燃燒器區(qū)二次風(fēng)擋板開度和關(guān)小燃盡風(fēng)區(qū)風(fēng)門擋板開度來降低運行氧量，盡量減少NOx 的生產(chǎn)，降低排煙熱損失，此時，缺少送風(fēng)的調(diào)節(jié)手段。一次風(fēng)調(diào)節(jié)，根據(jù)煤量和入爐煤質(zhì)情況，選擇最少的制粉系統(tǒng)運行，在不堵磨的情況下，降低一次風(fēng)壓力。

本次配風(fēng)調(diào)整試驗主要在滿負荷工況進行，重點考察鍋爐爐膛煙氣溫度分布，試驗在300 MW 負荷、鍋爐蒸發(fā)量940 t/h下進行。試驗測試不同配風(fēng)方式下的具體煙氣溫度如圖7 所示。預(yù)熱器入口氧量如圖8 所示，預(yù)熱器出口煙氣溫度如圖9 所示。

圖7 不同配風(fēng)方式下爐膛溫度測試

圖8 配風(fēng)方式調(diào)整前后預(yù)熱器入口氧量變化

圖9 配風(fēng)方式調(diào)整前后預(yù)熱器出口溫度變化

配風(fēng)調(diào)整前后爐膛溫度變化情況：下爐膛出口位置，煙氣溫度降低明顯。主燃燒器區(qū)域上部，煙氣溫度變化不明顯。A 層噴口下煙氣溫度有所升高。再熱蒸汽溫度呈下降趨勢。這種配風(fēng)方式下，對于灰熔點偏低的褐煤有防止結(jié)焦的作用。對于灰熔點較高的煤建議按原始配風(fēng)方式運行。

3.5 不同負荷鍋爐燃燒優(yōu)化運行指導(dǎo)

通過不同負荷工況和不同煤種變化的鍋爐燃燒調(diào)整試驗測試，鍋爐AB 鍋爐磨摻燒白音華高硫褐煤和ABC 磨摻燒白音華高硫褐煤均不會對鍋爐燃燒產(chǎn)生太大的影響，配煤摻燒的原則是分磨摻燒，不建議在煤場混煤摻燒。另外，摻燒白音華褐煤時把入廠煤的灰熔點作為混煤摻燒的依據(jù)，防止摻燒導(dǎo)致爐膛結(jié)焦。低負荷工況，灰分含量較大的褐煤不宜多摻燒，防止鍋爐折焰角斜坡積灰。推薦不同負荷工況鍋爐運行氧量及風(fēng)門開度調(diào)整如圖10 所示。其中II、HH、GG 開度始終為0，EE 風(fēng)門開度在10%～20%，根據(jù)具體負荷而定，負荷高取上限值，SOFA 擺角始終保持50%。

圖10 不同負荷工況鍋爐運行氧量及風(fēng)門開度調(diào)整

3.6 高硫煤摻燒工況NOx 排放

AB 磨摻燒白音華褐煤，試驗期間沒有供熱，機組最高帶300 MW 負荷，鍋爐880 t/h 出力，測試不同負荷下NOx 排放情況。試驗結(jié)果如圖11 所示，鍋爐860 t/h 蒸發(fā)量以下負荷，SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx 排放值相差不大，排放值較高，低氮燃燒的效果不明顯，運行氧量偏高，燃盡風(fēng)開度較小，只有調(diào)整氣溫偏差時#2 角和#3 角燃盡風(fēng)開度在20%左右。

圖11 AB 磨摻燒白音華褐煤NOx 排放情況

脫硝催化劑不變的情況下，高硫煤摻燒SO2/SO3轉(zhuǎn)化率基本沒有增加，轉(zhuǎn)化量會有所增大。脫硝劑用量沒有明顯變化，氨逃逸沒有明顯變化。

ABC 磨摻燒白音華褐煤，試驗期間機組帶有供熱，機組最高帶320 MW 負荷、鍋爐980 t/h 出力，測試不同負荷下SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx 排放情況。試驗結(jié)果如圖12 所示，與AB磨摻燒白音華褐煤相比，鍋爐出力相差不大的工況，SCR 脫硝系統(tǒng)入口NOx 排放相差不大，最大負荷工況，運行氧量相對低些，NOx 排放相對減少。同樣，燃盡風(fēng)開度較小，低氮燃燒的效果不明顯，運行氧量偏高。

圖12 ABC 磨摻燒白音華褐煤NOx 排放情況

3.7 高硫煤摻燒工況SO2 排放

本次試驗分兩個階段進行。機組檢修前主要是少量摻燒，煤場混煤，摻燒比例在30%左右，運行歷史曲線表明，此時脫硫入口SO2濃度最高2 500 mg/Nm3。機組檢修后，通過分磨摻燒的方式進行大比例高硫煤摻燒試驗，首先進行AB 磨摻燒白音華高硫褐煤試驗，然后進行ABC 磨摻燒白音華高硫褐煤試驗，結(jié)果表明300 MW 負荷工況白音華高硫褐煤摻燒比例最高達到60%。如果ABCD 4 臺磨運行，摻燒比例可以達到75%，不推薦ABC 3 臺磨運行的100%摻燒模式。試驗期間機組300 MW 負荷工況，脫硫入口SO2濃度最高達到3 400 mg/Nm3，在不投入脫硫增效劑的情況下，已經(jīng)超出脫硫塔的最大設(shè)計上限，此時，脫硫塔出口SO2濃度接近環(huán)保排放的上限值。試驗期間的運行歷史曲線表明：隨著入爐煤含硫量的不同，脫硫塔入口SO2濃度相差較大。

4 結(jié)論

（1）AB 2 臺磨和ABC 3 臺磨摻燒高硫煤的效果較好，在氧量控制合適、配風(fēng)合理的情況下，沒有結(jié)焦。最佳的摻燒方式是ABC 3 臺磨摻燒白音華高硫煤，這種磨組合方式運行比較靈活，滿負荷或者大負荷工況4 臺～5 臺制粉系統(tǒng)運行，ABC 3 臺磨可以全燒白音華高硫煤；中間負荷工況4 臺制粉系統(tǒng)運行，可以采用ABCD、ABDE、BCDE、ABCE 等磨組合方式；低負荷工況，3 臺制粉系統(tǒng)運行，兼顧再熱蒸汽溫度偏低的問題，可以停A、B、C 任何一個制粉系統(tǒng)，磨組合方式靈活，有調(diào)整的余地。

（2）不建議4 臺制粉系統(tǒng)摻燒高硫煤運行，另外不推薦DE 磨摻燒高硫煤，尤其是灰熔點較低、灰分含量較大的白音華高硫褐煤。從試驗結(jié)果看，在3 臺磨摻燒高硫煤的時候，到脫硫塔入口SO2濃度達到3 400 mg/Nm3，雖然這個時候還有1臺漿液泵備用（故障），但是引風(fēng)機全壓已經(jīng)接近失速區(qū)，系統(tǒng)阻力的任何擾動都可能導(dǎo)致引風(fēng)機失速。

（3）白音華高硫褐煤摻燒試驗結(jié)果表明滿負荷工況白音華高硫褐煤摻燒比例達到60%。如果ABCD 4 臺磨運行，摻燒比例達到75%，不推薦ABC 3 臺磨運行的100%摻燒模式。3臺磨摻燒試驗期間脫硫入口SO2濃度最高達到3 400 mg/Nm3，在不投入脫硫增效劑的情況下，已經(jīng)超出脫硫塔的最大設(shè)計上限，脫硫塔出口SO2濃度在環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的上限運行。

（4）爐膛溫度測試表明2 臺磨摻燒高硫褐煤和3 臺磨摻燒高硫褐煤差別不大。滿負荷工況下爐膛出口1 240 ℃左右，爐膛火焰中心測試最高溫度1 440 ℃左右，冷灰斗溫度970 ℃左右。鍋爐爐膛溫度最高的區(qū)域在主燃燒器區(qū)域上部到燃盡風(fēng)噴口附近，普遍在1 400 ℃左右。從長時間低負荷深調(diào)看，在折焰角部位有積灰現(xiàn)象發(fā)生，隨著運行時間延長，積灰有緩慢增加的趨勢。因此，不建議4 臺制粉系統(tǒng)摻燒低熱值、高灰分的白音華褐煤。

（5）試驗表明不同比例摻燒白音華高硫褐煤對SCR 脫硝系統(tǒng)出口NOx 排放影響不大，脫硝催化劑不變的情況下，高硫煤摻燒SO2/SO3轉(zhuǎn)化率基本沒有增加，轉(zhuǎn)化量會有所增加。