高水分褐煤發電技術在我國的發展現狀與分析

王 巍，白 杰，彭紅文，鄔士軍，房海青，王 琳

( 中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120 )

0 引言

基于我國豐富的褐煤資源，高效、清潔褐煤發電技術近年來在我國發展迅速，機組已達到高效超超臨界參數、百萬容量等級。截至2023 年底，我國已投運的高效超超臨界褐煤發電機組超過10 臺，機組能耗水平達到世界領先并成為國內空冷機組標桿。超超臨界鍋爐配中速磨制粉系統技術、高效煙氣余熱深度利用技術以及褐煤提水技術的成功應用，使褐煤發電技術繼續以高效、環保為目標進一步發展。

1 褐煤資源及特點概述

我國內蒙古、東北、云南等地區擁有豐富的褐煤資源，約占我國煤炭總體儲量的六分之一[1]。我國典型褐煤的煤質特點見表1 所列。

表1 我國典型褐煤煤質特點

從表1 可知，我國絕大多數褐煤的全水分在30%以上，部分地區褐煤全水分超過35%，甚至超過40%，屬于高/超高水分煤種，且外水含量較高；干燥無灰基揮發分均在40%以上，屬高揮發分煤種；低位發熱量基本在2 800 ～3 500 kcal/kg，屬中低熱值煤種；灰的熔融溫度普遍較低，結渣特性較為嚴重；哈氏可磨指數基本在40 ～70，屬中等可磨、較難磨的煤種；沖刷磨損指數基本低于2，煤的磨損性不強。

我國褐煤煤化程度較低，具有便于大規模露天開采、硫分低、發電成本低廉等優點，但在直接燃燒發電方面，長期以來存在能耗高、廠用電率大、供電煤耗高、污染物排放量大等缺點[2]，且這種高全水分、低熱值、低灰熔點的煤質特點對鍋爐整體設計、燃燒設備、制粉系統及設備等也提出了更高的要求。

2 褐煤發電技術發展及分析

雖然我國褐煤發電技術起步較晚，但隨著高效超超臨界褐煤鍋爐技術、制粉系統及設備的選型優化技術、煙氣余熱利用技術、褐煤提水技術等方面的突破和快速發展，我國高效褐煤發電機組在機組參數、能耗水平、環保等方面已處于世界領先水平，技術比較見表2 所列。

表2 國內外先進褐煤機組技術比較

2.1 高效超超臨界鍋爐配中速磨制粉系統

目前，國內褐煤鍋爐的制粉系統主要有兩種工藝路線：一是風扇磨直吹式制粉系統；二是中速磨直吹式制粉系統。風扇磨制粉系統特點是干燥出力大，對燃煤水分適應性強，但風扇磨研磨件壽命短、故障率高、檢修頻繁、系統漏風率大、高溫爐煙管道易損壞、廠用電高。中速磨制粉系統特點是系統簡單可靠、操作檢修方便、廠用電低、運行經濟性好、噪音低，但干燥出力受到鍋爐一次風率和熱風干燥劑溫度的限制。

GB 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》[3]第8.2.1 條規定：“1、磨煤機形式的選擇應符合下列規定：1)對于大容量機組，在煤種適宜時，宜優先選用中速磨煤機。2)燃用高水分、磨損性不強的褐煤時，宜選用風扇式磨煤機；當制粉系統的干燥能力滿足要求并經論證合理時，也可采用中速磨煤機。

褐煤鍋爐制粉系統的選擇主要取決于磨制原煤所需要的干燥劑熱量，原煤水分越高、熱值越低，制粉系統所需干燥劑熱量越多，而選擇中速磨制粉系統的關鍵在于如何提高其干燥出力。

2.1.1 高一次風率燃燒器

DL/T 831—2015《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》[4]對褐煤鍋爐燃燒器的一次風率提出了具體的技術要求，見表3 所列。

表3 褐煤鍋爐燃燒器一次風率技術要求

然而由于褐煤水分較高，熱風干燥劑的風量較常規煙煤要大，鍋爐一次風率往往高于35%，甚至40%，這對褐煤組織燃燒和配風是不利的，同時會帶來NOx排放升高。為此，國內各主要鍋爐制造廠均開發了適用于褐煤燃燒的高一次風率、低NOx燃燒技術，其主要技術對比見表4 所列。

表4 各鍋爐制造廠褐煤燃燒技術對比

從表4 看出，國內各主要鍋爐廠均具備了低NOx、高一次風率的褐煤燃燒技術，一次風率適用范圍最高可達到50%，同時NOx均可控制在180 mg/Nm3以內，為擴大中速磨制粉系統適用范圍提供了“量”的保障。

2.1.2 熱風干燥劑再加熱技術

由于鍋爐一次風率受輸送、干燥及燃燒等因素制約，配中速磨制粉系統的褐煤鍋爐要提高制粉系統干燥能力，另一個手段就是進一步提高熱風干燥劑溫度。為保證褐煤鍋爐的鍋爐效率，回轉式空預器出口熱風干燥劑溫度通常不超過370 ℃，還需進一步提高。電廠內可用于進一步加熱熱風干燥劑的熱源主要有高溫煙氣[5]、高品位蒸汽[6]，未來還可能與太陽能、熔鹽蓄熱等耦合。見表5 所列為部分投運和在建褐煤機組熱風干燥劑再加熱系統參數。

表5 部分褐煤機組熱風干燥劑再加熱系統參數

由表5 可知，無論熱源為蒸汽還是煙氣，均可將熱風干燥劑溫度提升至400 ℃以上，為擴大中速磨制粉系統適用范圍提供了“溫”的保障。蒸汽再加熱系統和煙氣再加熱系統各具特點。蒸汽再加熱系統較為簡單、易調節、設備加工制造難度低、嚴密性好、維護工作量少，但低負荷調節性能差、蒸汽管道較長、壓損大、對汽機熱耗不利。煙氣再加熱系統低負荷調節性能強、設備簡單，但一次風側流程較長，阻力增加較大、設備體積較大、布置困難、水平段積灰量大、成本較高。具體方案可根據煤質情況、主機特點等進行技術經濟性比較后確定。

2.1.3 中速磨磨制高水分褐煤技術

由于褐煤鍋爐中速磨制粉系統的干燥需求較高，磨煤機通風量較大，通常高于按碾磨計算選出的磨煤機型號對應的基本通風量。為避免高通風量帶來的磨損問題，近年來，部分磨煤機廠針對磨煤機磨制褐煤熱平衡計算的實際通風量單獨設計噴嘴環、磨煤機筒體和分離器，適當增大噴嘴環流通面積、筒體直徑和分離器直徑，以降低流過噴嘴環、磨煤機筒體和分離器的介質流速，而磨輥、磨盤等碾磨件仍根據碾磨出力計算進行選型。故MPS-HP-II 型、ZGM 型以及MPS 型磨煤機在針對褐煤選型時，往往會選出“殼大芯小”的機型。而HP 型磨煤機則是根據熱平衡計算的通風量來對磨煤機分離器、碾磨件等進行選型，其碾磨件的型號往往比MPS-HP-II 磨、ZGM 磨等要大一到兩個型號，即“殼大芯大”。

磨煤機的耐溫性能主要取決于熱風通路上(包括風箱、噴嘴環、磨輥、筒體、分離器等)的耐溫特性。其中，暴露于熱風干燥劑環境的部件的耐溫性能較高，比如鑄鋼噴嘴耐溫可達500 ℃以上，Q355 風箱和筒體耐溫可達450 ℃，堆焊或鑄鐵的磨輥輥套耐溫也達500 ℃以上，分離器處的干燥劑溫度已經低于100 ℃，各磨煤機制造廠均認為影響磨煤機耐溫性能主要因素是耐溫性能較低的磨輥內部軸承、密封件等，其磨輥內部軸承、密封件正常工作時允許的熱風干燥劑溫度可在420 ℃以上。

2.2 煙氣余熱利用技術

褐煤鍋爐的排煙溫度較高，通常在140 ℃左右，造成了大量的排煙熱損失，鍋爐效率要比煙煤鍋爐低1%～2%，機組熱經濟性較差，這也是阻礙褐煤發電技術發展的制約因素之一。近些年，煙氣余熱利用技術得到廣泛應用，主要包括煙氣余熱加熱凝結水方案、煙氣余熱加熱冷風方案以及空預器旁路煙氣余熱利用方案。各方案的節煤效果、投資成本等比較見表6 所列。目前我國最先進的褐煤機組—烏拉蓋某2×1 000 MW 電廠采用了空預器旁路煙氣余熱利用方案，其設計供電煤耗已低于285 g/kWh，達到了國內煙煤空冷機組標桿水平。

表6 660 MW褐煤機組應用煙氣余熱利用的方案比較

2.3 褐煤提水技術

由于褐煤全水分高，從原煤或燃燒后的煙氣中提取水分具有先天的優勢，也是燃煤電廠運行的重要節水措施之一。通過褐煤提水回收的水可用于電廠脫硫系統的補水、機組補水、灰渣沖洗水等，從而大大降低燃煤電廠對外的耗水量，減少電廠運行對當地水資源的影響及破壞。褐煤提水主要有爐前原煤提水和爐后煙氣提水兩種工藝路線。其中爐后煙氣提水主要是將濕法脫硫吸收塔出口攜帶飽和水蒸汽的凈煙氣，使用低溫水進行間接或接觸冷卻降溫，煙氣中的飽和水蒸汽冷凝析出的技術路線，已成功應用于大型褐煤機組上[7-8]。接觸式和間接式提水技術對比見表7 所列。

表7 接觸式和間接式提水技術比較

典型660 MW 褐煤機組單臺機組每小時可提水70 ～90 t 以上，通過設置調蓄水池還可進一步實現“全廠全年生產零補水”的標準。

3 結語

雖然我國褐煤發電技術發展較晚，但近些年發展迅速，高效褐煤發電機組規模已名列世界前茅。通過高效鍋爐配中速磨制粉系統、高效煙氣余熱深度利用等一些列集成技術，我國褐煤機組供電標煤耗已突破285 g/kWh，達到世界領先和國內煙煤空冷機組標桿水平。褐煤機組在塵、硫、氮等大氣污染物均實現超低排放水平的基礎上，還可采用煙氣提水技術，帶來可觀的節水收益以及生態效益，向著更加高效、綠色的方向發展。