1000MW鍋爐摻燒低揮發分煤研究

銅山華潤電力有限公司 葛強強

燃料成本在電廠生產成本的占比最高，而我廠裝機容量較大，年度煤炭消耗量巨大。隨著煤炭市場價格的不斷攀升，低揮發分煤與煙煤價差明顯，價格優勢越來越大。低揮發分煤不易著火，摻燒后飛灰及爐渣含碳量大幅上升、鍋爐效率下降。如何在保障鍋爐安全、經濟運行的前提下，提高劣質煤的摻燒率這一課題亟待開展。如何合理摻燒低揮發分煤種，保證鍋爐燃燒安全和經濟性，我們開展了大量研究試驗。研究低揮發煤特性，針對其特性制定對應措施，取得了顯著成果。

1 低揮發分煤摻燒影響

我廠2×1000MW超超臨界機組鍋爐采用上海鍋爐廠有限公司設計制造的3044t/h超超臨界壓力直流鍋爐，型號為SG-3044/27.46-M535，超超臨界參數、直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、切圓燃燒方式塔式鍋爐。鍋爐采用冷一次風正壓直吹式制粉系統，配備6臺型號為ZGM133G的中速磨煤機，是一種中速輥盤式磨煤機，其碾磨部分是由轉動的磨環和三個沿磨環滾動的固定且可自轉的磨輥組成，采用動靜組合式旋轉分離器，用以調整煤粉細度。額定負荷下設計五用一備，正常運行時為上層磨煤機運行。

煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒，采用低NOx同軸燃燒系統（LNTFS）。鍋爐布置12層一次風噴嘴，每臺磨煤機引出4根一次風管，在爐前分為兩根，分上下噴嘴噴入爐膛；燃燒器分兩組布置，每組布置6層一次風噴嘴。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層燃油輔助風噴嘴。每相鄰兩層煤粉噴嘴的上方布置了1個組合噴嘴，其中預置水平偏角的輔助風噴嘴（CFS）和直吹風噴嘴各占50%出口流通面積。

鍋爐設計煤種為揮發分較高的中等熱值煙煤。近一段時間我廠鍋爐摻燒貧煤、無煙煤的比例擴大，導致鍋爐飛灰含碳量大幅升高，達到7～8%，對機組鍋爐效率和發電成本存在較顯著的影響。低揮發煤種其煤質參數與鍋爐設計用煤偏差較大，大量摻燒低揮發煤質勢必影響鍋爐安全性、經濟性。我廠低揮發分煤種熱值與揮發分見表1。

表1 低揮發煤質與鍋爐設計用煤對比

煤粉顆粒由揮發分、固定碳、水分和灰分4部分組成，由于揮發分能在較低溫度下析出和燃燒，因此揮發分含量越高煤粉越容易著火，也越容易燃盡；反之，揮發分含量約低煤粉越不容易著火，也不容易燃盡[1]。我廠部分低揮發分煤質含硫量較高，長期摻燒后導致鍋爐各受熱面高溫腐蝕情況較為嚴重；部分低揮發煤質含氮量較高，長期摻燒后導致脫硝系統氮氧化物濃度高，噴氨量大、造成氨逃逸偏高，導致煙氣中NH3濃度、SO3的濃度比較高，容易導致空預器硫酸氫銨堵塞。

大量摻燒低揮發煤質導致鍋爐飛灰含碳量升高較多，影響鍋爐效率和供電煤耗較大。我廠磨組為中速輥式磨，磨煤機設計可磨系數（HGI）65，部分低揮發煤可磨系數低，導致磨組磨組研磨困難，磨煤機出力下降、石子煤量增大，易發生堵磨等情況，對制粉系統設備影響較大。

2 低揮發煤質分析

2.1 開展低揮發煤種成分分析

我廠委托相關單位進行煤種成分分析，結果見表2。由表2可知我廠低揮發分煤揮發分低、固定碳即發熱量高、可磨性差，大大偏離設計煤種。

表2 我廠煤種成分分析結果

2.2 開展低揮發煤質燃燒特性分析

對我廠煤種進行了熱重試驗，由空氣氣氛的等速升溫燃燒的熱重試驗可以得到煤的著火溫度參數。試驗進行50℃/min升溫速率測試，根據測試數據分別做出了三種升溫速度的熱重曲線，并做出微商DTG曲線，進而得到煤種的著火溫度ti、燃盡溫度th、最大反應速率點tmax。對煙煤、貧瘦煤、無煙煤進行空氣氣氛下升溫速率50℃/min條件下的燃煤靜態著火特性及燃盡規律研究，得到煤的著火溫度、燃盡溫度和最大反應點的溫度。煙煤、貧瘦煤、無煙煤的著火溫度、燃盡溫度和最大反應點的溫度分別見圖1、圖2和圖3。

圖1 煙煤著火溫度、燃盡溫度和最大反應點的溫度

圖2 貧瘦煤著火溫度、燃盡溫度和最大反應點的溫度

圖3 無煙煤著火溫度、燃盡溫度和最大反應點的溫度

試驗結果如下：煙煤著火溫度ti為480℃，燃盡溫度th為783℃，燃燒反應最大反應速率點tmax為629℃；貧瘦煤煤著火溫度ti為568℃，燃盡溫度th未測出，燃燒反應最大反應速率點tmax為655℃；無煙煤著火溫度ti為606℃，燃盡溫度th未測出，燃燒反應最大反應速率點tmax為699℃。由試驗結果可知，我廠低揮發分煤較煙煤著火、燃盡困難，燃燒反應所需溫度高，無法有效燃盡。

2.3 低揮發煤燃燒動力學特性

委托華北電力大學對我廠各煤種進行燃燒動力學試驗，確定各類煤質燃盡時間。試驗結果見圖4。1300℃下恒溫熱重燃燒動力學特性，各煤種燃盡時間分別為煙煤147s、貧瘦煤252s、無煙煤293s。由熱重燃燒動力學特性試驗結果可知，我廠低揮發分煤：貧瘦煤、無煙煤燃盡時間長，已超出煤粉在爐膛內停留時間。

圖4 1300℃下恒溫熱重燃燒動力學特性

3 低揮發煤摻燒措施

貧煤、無煙煤揮發分較低，其燃燒速率較煙煤小，需要的燃盡時間較煙煤長，因此最有效的調整方法是降低磨煤機出口煤粉細度，一般燃燒貧煤時煤粉細度R90宜不大于10%。

煤粉在爐膛內燃燒時，煤粉燃盡時間受煙氣O2濃度擴散與燃燒溫度控制。貧煤、無煙煤屬于揮發分偏低的煤種，根據熱重分析數據，其著火溫度、最大燃燒速率溫度與燃盡溫度都明顯高于煙煤。火焰溫度對煤粉燃燒速率的影響大于煙氣O2濃度，因此提高火焰溫度是配風調整的重點。由于煤粉射流在爐膛中存在強烈的旋轉擴散，配風的影響在空間上有限，初期著火穩定與火焰溫度影響較大，所以燃燒貧煤的燃燒器應減少一次風速、提高一次風溫、減小周界風一次風量。為維持一次風火焰著火初期的燃燒溫度，應推遲一次風射流與二次風射流的混合，適當減少摻燒貧煤、無煙煤的噴嘴的上下二次風射流風速。

在摻燒貧煤、無煙煤時制粉系統調整與配風調整的目的都是提高燃燒火焰溫度，減少冷卻風量，調整的效果是降低主燃燒器區域燃燒過量空氣系數，提高主燃燒器區域爐膛火焰溫度。因此下爐膛吸熱增加，主燃燒器區域生成的煙氣NOx濃度有所降低，一級再熱器進口煙溫下降，對再熱蒸汽溫度存在下降的影響[2]。

摻燒方式：低揮發分煤摻燒比例為1：1，如果摻燒量大于50%，鍋爐安全和經濟性很差。為保證鍋爐燃燒安全，延長煤粉在爐內的燃燒時間，低揮發煤質加入鍋爐下層制粉系統，延長燃燒距離，提高燃燒時間。以CDEF磨運行方式為例，CD摻燒低揮發煤種。

氧量：適當提高氧量設定值，較高的氧量有利于低揮發煤的充分燃燒。但是較高氧量同時帶來NOx生成量多以及風機耗電率高。

二次風配風：對于摻燒低揮發煤的制粉系統，對應二次風擋板應適當關小，摻燒低揮發煤磨周界風開度為10%～20%，上下二次風輔助關小15～20%。

制粉系統調整：提高磨煤機出口溫度至95～100℃；開展各臺磨分離器轉速——煤粉細度標定試驗，將每臺磨煤機分離器轉速與煤粉細度進行標定。提高分離器轉速，控制煤粉細度R90不大于10%；適當降低一次風壓和低揮發煤摻燒磨一次風量，降低風煤比；采用上海外高橋第三發電有限公司首創的廣義回熱技術來提高熱風溫度[3]，以解決低負荷下粒徑較大，燃燒速率較慢的問題[4]。

其它：對于可磨性系數HGI低于50的低揮發煤種，不應采購進廠；堅持不跨越煤種的原則，即設計燃燒煙煤的鍋爐不能摻燒無煙煤；摻燒時不宜采取貧煤與煙煤摻混加倉方式，特別不能采用貧煤和高揮發分煙煤或褐煤摻混加倉方式；對研磨貧煤的磨煤機應適當縮短定期檢修周期，可以考慮磨輥、襯瓦堆焊比較耐磨的材料，提高磨煤機的研磨出力和延長磨煤機定檢周期[5]。我廠將一臺ZGM133G中速磨煤機改造為陶瓷磨輥，該套陶瓷磨輥安全可靠、研磨效率高，耐磨性能遠高于原材料，有利于降低低揮發煤種的煤粉細度；長期摻燒貧煤時，宜在合適的時間進行制粉系統調整試驗，摸清制粉系統煤粉狀況，減小一次風煤粉濃度與細度分布的偏差；在鍋爐檢修后進行一次風調平試驗，減少一次風速分布偏差。

效果對比：鍋爐未摻燒低揮發煤時，飛灰及爐渣含碳量量＜2%，摻燒50%量低揮發煤調整前7.3%，調整后3.9%；磨煤機單耗升高了約10%，送風機單耗升高了約5%，引風機單耗升高了約6%；摻燒低揮發煤調整前后液氨單耗降低了約7%。

4 結語

低揮發分煤摻燒初期，飛灰含碳量、液氨單耗大幅升高，鍋爐效率降低，機組煤耗上升。通過多次對低揮發分煤種進行聯合檢測研究，掌握其特性，并針對其特性制定多項舉措，取得了很大成果。低揮發分煤摻燒比例在50%以下，通過燃燒調整，鍋爐的燃燒安全穩定，經濟性得到很大提升。