煤粉鍋爐超低負(fù)荷運行的技術(shù)問題和應(yīng)對措施

關(guān)朋遠(yuǎn)

（國能寶清煤電化有限公司）

0 引言

近年來，我國新能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，為實現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，我國逐漸增加對風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源的投資和支持，風(fēng)電和光伏發(fā)電在我國總發(fā)電量中的占比顯著增加。然而，考慮到我國擁有豐富的煤炭資源和火力發(fā)電對穩(wěn)定性和調(diào)峰能力的需求，火力發(fā)電仍然在我國能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用，發(fā)展火電是必然趨勢[1]。為了優(yōu)化火電深度調(diào)峰期間的鍋爐燃燒效率，國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)整和技術(shù)改造，東北地區(qū)是重點區(qū)域。通過對多家電廠實施“低負(fù)荷”穩(wěn)定生產(chǎn)的制約因素的研究，發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷條件下，大部分鍋爐機組均有爐膛燃燒不穩(wěn)定以及催化還原（SCR）煙氣溫度不足的問題[2]。

本文分析了低負(fù)載運行下鍋爐的一些技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的解決方案，可為實現(xiàn)深度調(diào)峰、快速變負(fù)荷等高彈性的火力發(fā)電技術(shù)提供參考。

1 超低負(fù)荷運行問題

隨著風(fēng)電與光伏發(fā)電迅速發(fā)展，加強電源側(cè)調(diào)峰能力的建設(shè)以及深化調(diào)峰措施，能夠有效提高新能源的消納水平，并緩解當(dāng)前嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光問題。為了支持高比例的新能源發(fā)電建設(shè)，火電機組的深度調(diào)峰已經(jīng)成為常態(tài)。而過低的負(fù)荷會對鍋爐機組正常運行造成不良影響。在低負(fù)荷工況下，入爐燃料量降低，爐溫下降，煤粉顆粒進(jìn)入爐內(nèi)不能迅速燃燒，易發(fā)生鍋爐滅火等嚴(yán)重事故，以無煙煤或貧煤為燃料的鍋爐燃燒不穩(wěn)定問題更加顯著。同時爐溫降低還會造成出口煙氣溫度降低，導(dǎo)致鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)無法正常運行。為解決目前低負(fù)荷運行的問題，通常采用鍋爐精細(xì)化調(diào)整、燃燒系統(tǒng)改造、助燃系統(tǒng)穩(wěn)定燃燒以及改造鍋爐結(jié)構(gòu)等方式來確保鍋爐在低負(fù)荷下穩(wěn)定運行。

2 超低負(fù)荷運行問題的應(yīng)對措施

2.1 鍋爐精細(xì)化調(diào)整

鍋爐低負(fù)荷狀態(tài)下的精細(xì)化調(diào)整主要針對風(fēng)煤系統(tǒng)的調(diào)整來實現(xiàn)低負(fù)荷狀態(tài)下的穩(wěn)定燃燒與低排放要求。相關(guān)研究表明，某600MW 四角切圓鍋爐通過墻式風(fēng)射流技術(shù)，爐內(nèi)高溫腐蝕和結(jié)渣問題得到減輕，爐膛出口NOx排放量降低，低負(fù)荷狀態(tài)下效果更佳[3]。調(diào)節(jié)煤粉顆粒粒徑與磨煤機出口溫度也能對改善爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性起到積極作用[4]。磨煤機出口溫度提升有助于提高煤粉細(xì)度，增大煤粉入爐后與空氣的接觸面積。

通常來說，燃料的著火熱越高，低負(fù)荷工況下燃燒越不穩(wěn)定。相對于對沖燃燒和四角切圓煤粉爐，W 火焰鍋爐通常使用燃點更高的無煙煤作為燃料，這使得W 火焰鍋爐負(fù)荷變化范圍較小。某機組的W 火焰鍋爐通過合理調(diào)整一次風(fēng)與三次風(fēng)、制粉系統(tǒng)、水泵等輔助設(shè)備，確保了鍋爐在低負(fù)荷工況下的燃燒效率[5]。但受制于燃料特性等問題，W 火焰鍋爐通常情況下僅能維持在50%額定負(fù)荷。山西國投晉城熱電有限公司通過對磨煤機系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)控制和對鍋爐狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，成功實現(xiàn)了300MW 的W 火焰鍋爐在超低負(fù)荷下的穩(wěn)定運行，在不投油穩(wěn)燃狀態(tài)下，鍋爐最低負(fù)荷達(dá)到了30%[6]。

2.2 燃燒系統(tǒng)改造

鍋爐負(fù)荷降低時，給煤機與風(fēng)機的運行狀態(tài)也隨之改變，同時爐內(nèi)溫度降低，使得煤粉顆粒進(jìn)入爐內(nèi)后著火更加困難。

為解決上述問題，中科院工程熱物理研究所提出了預(yù)熱燃燒技術(shù)，該技術(shù)可通過預(yù)熱燃燒器將燃料溫度預(yù)熱至800℃，該溫度下燃料被熱解為煤氣與半焦的混合物，進(jìn)入爐內(nèi)后可快速燃燒，在高著火熱燃料穩(wěn)定燃燒和低污染物排放方面有明顯優(yōu)勢[7-8]。

馬達(dá)夫等[2]為改善煤粉爐在低負(fù)荷運行狀態(tài)下制粉系統(tǒng)對燃燒狀態(tài)的影響，在磨煤機出口處接入小粉倉，其改造后的流程圖如圖1 所示，改造后的煤粉著火特性提升，并有效地解決了低負(fù)荷狀況下煤粉系統(tǒng)易堵的問題。

圖1 制粉系統(tǒng)改造示意圖

林雪健[9]等從燃燒器入手，將最上層燃燒器改造為兩個小噴口的雙層燃燒器。在鍋爐負(fù)荷降低時，入爐燃料量降低，爐溫下降，煤粉入爐后著火困難，燃燒器分層布置后單只噴口的煤粉量降低，同時增大了煤粉與空氣的接觸面積，更有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。

2.3 助燃系統(tǒng)

助燃是煤粉鍋爐低負(fù)荷運行時保持爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒的常用手段，常見的鍋爐機組助燃方式主要分為爐內(nèi)噴油助燃與等離子點火助燃。

爐內(nèi)噴油助燃是一種應(yīng)用廣泛且穩(wěn)定的助燃技術(shù)，燃料油火焰溫度高，足夠點燃無煙煤與貧煤，且著火穩(wěn)定。但該技術(shù)油耗較高，投油期間靜電除塵系統(tǒng)不能投入運行，并且會帶來污染氣體排放量過高與爐內(nèi)結(jié)焦等問題。近年來，微油點火技術(shù)逐步發(fā)展成熟，該技術(shù)是利用壓縮空氣將燃油霧化成油滴的方式入爐燃燒，該技術(shù)與普通點火技術(shù)相比油耗量更低，并保留了噴油助燃可靠性高，燃燒溫度高等優(yōu)點。相關(guān)研究表明微油點火技術(shù)可實現(xiàn)300WM 鍋爐冷爐點火，在鍋爐30%額定負(fù)荷工況下仍可滿足需求，且油耗量降低95%以上[10]。

等離子體點火技術(shù)是利用直流電流將陰極陽極之間的載體風(fēng)電離后獲得定向的高溫高密度等離子體，煤粉入爐接觸后揮發(fā)分析出加劇燃燒，從而實現(xiàn)無油點火的目的[11]。相較于投油點火，等離子體點火溫度更高，可達(dá)到5000℃左右，且不會造成污染和結(jié)焦等問題。

對比分析可知，兩種助燃技術(shù)各有優(yōu)劣。噴油助燃煤種適應(yīng)性更強，等離子體點火技術(shù)不適應(yīng)揮發(fā)分較低的無煙煤與貧煤。且等離子發(fā)生器壽命較低，維護(hù)成本高，初期建設(shè)費用也遠(yuǎn)高于噴油點火技術(shù)。等離子體點火技術(shù)主要目的是降低高品位燃料的消耗，滿足建設(shè)條件的情況下可同時建設(shè)兩種點火助燃設(shè)備，根據(jù)實際需求搭配使用。

2.4 寬負(fù)荷脫硝改造

為滿足環(huán)保需求，我國投運的燃煤機組大多加裝選擇性催化還原技術(shù)（SCR）設(shè)備進(jìn)行脫硝，然而在機組低負(fù)荷運行時，爐內(nèi)溫度降低，出口煙溫難以達(dá)到SCR 設(shè)備的工作溫度，正常脫硝催化劑工作溫度范圍大概在320～400℃[12]，煙溫降低會影響設(shè)備的脫硝效果。目前，寬負(fù)荷脫硝鍋爐側(cè)改造主要有以下幾種技術(shù)路線，分別為省煤器分級布置、省煤器煙氣旁路及省煤器給水旁路等。

2.4.1 省煤器分級布置

省煤器分級布置原理為將部分省煤器受熱面移至脫硝裝置后的煙道中，脫硝裝置前布置了比一般設(shè)計相對較少的省煤器面積，從高負(fù)荷到低負(fù)荷，進(jìn)入脫硝裝置的溫度都有一定幅度的提高。

移至脫硝裝置后的省煤器可以繼續(xù)降低從脫硝裝置排出的煙氣溫度，從而保證空預(yù)器出口煙溫不變，保證鍋爐效率。該技術(shù)兼顧了提溫效果和安全可靠性，并且不需額外控制調(diào)節(jié)，對鍋爐效率影響較小。故低負(fù)荷條件下經(jīng)濟性較好，但改造后無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，對煤種、工況變化的適應(yīng)性不強，高負(fù)荷時容易超溫，且改造難度大，成本較高。

2.4.2 省煤器煙氣旁路技術(shù)

省煤器煙氣旁路原理為引一路高溫?zé)煔馔ㄈ隨CR進(jìn)口煙道混合，提高SCR 煙氣溫度，省煤器煙氣旁路示意圖如圖2 所示。煙氣引出點一般在省煤器前的煙道。該技術(shù)的特點是可以通過煙氣旁路擋板調(diào)節(jié)旁路煙氣量，從而可以根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)省煤器出口煙氣溫度，負(fù)荷適應(yīng)性好，提溫幅度較大?？梢詽M足并網(wǎng)投脫硝的煙溫需求。

圖2 省煤器煙氣旁路示意圖

但也存在若干問題，如存在煙氣擋板密封性較差（積灰、卡澀）的問題，可能在高負(fù)荷時有部分高溫?zé)煔鈴呐月窡煹佬孤苯舆M(jìn)入脫硝裝置，會對催化劑帶來致命的破壞。另外如果冷熱煙氣混合不均可能導(dǎo)致催化劑遭遇過高、過低兩種現(xiàn)象，對催化劑的活性、壽命極為不利。

2.4.3 省煤器水旁路技術(shù)

省煤器水旁路技術(shù)原理為通過降低省煤器換熱面管內(nèi)的水流量，從而降低省煤器的換熱量使省煤器出口煙氣溫度提高，技術(shù)示意圖如圖3 所示。該技術(shù)的特點是，可以通過調(diào)節(jié)給水旁路的流量，從而動態(tài)調(diào)整脫硝裝置入口煙氣溫度。機組高負(fù)荷運行時，可將旁路管道上的閘閥關(guān)閉，給水旁路系統(tǒng)完全切除，鍋爐效率不變，省煤器水旁路技術(shù)可以通過閥門調(diào)節(jié)給水旁路的流量，從而動態(tài)調(diào)整脫硝裝置入口煙氣溫度。

圖3 省煤器水旁路技術(shù)示意圖

針對某300MW 燃煤鍋爐機組的省煤器給水旁路改造研究顯示，該方案可有效提升進(jìn)口煙氣10℃以上，并且對空預(yù)器出口煙溫影響很小，對旁路中給水氣化問題也有一定改善作用[13]。

根據(jù)上述內(nèi)容對比分析可知，省煤器分級技術(shù)和煙氣旁路技術(shù)能實現(xiàn)較高范圍的煙氣溫度調(diào)節(jié)，但改造投資較高，且會對機組效率造成影響，在進(jìn)行改造時，可優(yōu)先考慮省煤器水旁路技術(shù)[14]。

3 結(jié)論與展望

近幾年來，在“雙碳”背景下，燃煤鍋爐的發(fā)電份額逐漸被風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源取代，其參與深度調(diào)峰帶來的超低負(fù)荷運行問題有必要進(jìn)一步分析。本文通過對比分析煤粉鍋爐超低負(fù)荷運行優(yōu)化的精細(xì)調(diào)整方案、助燃方案與寬負(fù)荷脫硝改造方案得出以下結(jié)論：

1）不同鍋爐的低負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍不同，精細(xì)化調(diào)整的方案也不同，應(yīng)在日常生產(chǎn)過程中不斷積累經(jīng)驗，根據(jù)機組特性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以最大程度上挖掘鍋爐超低負(fù)荷調(diào)峰的能力。

2）燃燒器與煤粉系統(tǒng)對鍋爐機組超低負(fù)荷運行有著重要作用。合理選擇燃燒器類型與煤粉粒徑可以最大程度上保證煤粉入爐后穩(wěn)定燃燒。

3）助燃系統(tǒng)是保障煤粉鍋爐超低負(fù)荷運行的重要保障，噴油助燃與等離子體點火助燃各有優(yōu)劣，可根據(jù)燃料性質(zhì)與實際情況選擇。

4）為保證脫硝設(shè)備正常運行提出三種不同的改造技術(shù)，省煤器水旁路技術(shù)可滿足鍋爐機組脫硝設(shè)備的正常運行，且建設(shè)投資低，對鍋爐影響較小。

近年來關(guān)于儲能系統(tǒng)的研究不斷深入，燃煤機組在解決超低負(fù)荷運行問題的同時也可考慮鍋爐機組與儲能系統(tǒng)耦合的可行性。同時，生物質(zhì)耦合燃煤機組的方案正在受到關(guān)注，未來將在鍋爐超低負(fù)荷運行領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。