1000 MW锅炉燃烧印尼煤和扎煤的研究

裘立春，洪道文，常毅君

（1.浙江省电力试验研究院，杭州 310014；2.华能玉环电厂，浙江 玉环 317604）

0 前言

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。根据国家统计局公布的统计资料，2009年我国能源消费总量为31亿t标准煤，煤炭消费量为30.2亿t。同时，2009年我国进口煤炭量达1.25亿t，比上年增长212%。由此估算煤炭占能源消费总量的68%。根据2009年英国石油公司的资料显示，我国的煤炭资源量为1145亿t，储采比在41年左右。根据海关数据显示，2010年1-4月，来自印尼、澳大利亚、越南的煤炭进口量占进口总量的比重分别为41.1%，22.0%，11.2%。由此可见，经济的持续快速发展，我国大量燃用进口煤是大势所趋。

近年国内大量投产了1000 MW的超超临界机组，对于供电煤耗的降低起到了重要作用。由于2009年国内外煤炭价格的差异，导致沿海发电厂大量燃用进口煤。但国内投产的锅炉设计煤种一般选用国内煤种，如易结渣的神华混煤等。进口的印尼煤，为地质年代更为年轻的煤种，由此带来了煤种适应性等问题。

1 煤种和锅炉特征参数的比较

某火力发电A厂4台1000 MW锅炉为π型布置、单炉膛、八角燃烧。其设计煤种为神府东胜煤，校核煤种为晋北煤。实际燃用煤种主要为印尼煤；另有扎赉诺尔褐煤（简称扎煤）、优混煤等。

印尼煤炭在地质年代分布上主要集中在中新世，其储量中褐煤占57%，次烟煤占27%，烟煤占15%。其中次烟煤和烟煤可划分为如下几个等级：热值（空气干燥基，adb）为17584～20934 kJ/kg，总水分为30%～40%的为C级；热值（adb）为20934～24283 kJ/kg，总水分为20%～30%的为B级；热值（adb）为24283 kJ/kg，总水分小于20%的为A级。印尼煤大部分是由低热值和高水分的C和B级的次烟煤及少量的烟煤构成，大量可采的C级次烟煤是印尼煤的主要组成部分。扎煤产于内蒙古地区，其发热量为14653～17584 kJ/kg。

JB/T 10440-2004《大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器性能设计规范》中没有涉及1000 MW的参数推荐，但提到炉膛特征参数的规律。对于容易结焦的煤种和褐煤，要求锅炉具有较低的炉膛容积热负荷qv，相应下降约25%，即要求炉膛体积扩大约25%。根据美国的研究资料，对于低水分褐煤，要求炉膛容积是一般烟煤的1.3倍，炉膛高度是一般烟煤的1.31倍；对于高水分褐煤，要求炉膛容积是一般烟煤的2倍，炉膛高度是一般烟煤的1.44倍。

同比近年投产的几台1000 MW锅炉最大出力工况（BMCR）结构特征参数，如表1所示。A厂qv相对较高，B厂较A厂低约20.2%，C厂较A厂低约6%，但考虑旋流燃烧特征，可以选取qv相应低约15%，相当于C厂较A厂选取的qv低约21%。选取较高的qv，带来投资低等好处，但煤种适应性相对差。目前A厂燃用的印尼煤和扎煤，均属于高水分褐煤。由于煤种不匹配，容易带来锅炉结焦、排烟温度高等影响锅炉安全性和经济性等问题。

表1 1000 MW机组BMCR炉膛特征参数比对

2 印尼煤、澳煤和扎煤的实验室研究

实验室对澳煤、印尼煤、扎煤进行了详细的研究。

对于这些煤种灰成分的详细综合研究如表2，3所示。分析认为，印尼煤轻微结渣，澳煤不结渣，扎煤的灰成分具有高Na2O （3.1%～8.5%）的特征。灰中钠、钾含量高会促使受热面沾污增强，与其它成分结合会明显降低灰熔融性温度。许多人认为受热面上的结渣主要是沾污引起的，如果没有沾污，就不会结渣。因此煤的沾污倾向也决定了结渣倾向。灰中Na2O及K2O含量高，结渣倾向也高。由于Na2O对应的化合物Na2SiO3灰熔点温度仅为877℃，对于炉膛的结焦构成严重威胁。

图1中可以看出，扎煤和印尼B级煤基本具有相同的燃烧着火温度和燃烬温度。但是扎煤的燃烧发热的峰值15.06 μV/mg，相比印尼B级煤的12.75 μV/mg更大，即火焰更为短促有力。根据热重分析数据，印尼B级煤和扎煤着火温度为200℃，澳煤为280℃。采用热重分析得出的反应开始温度 （或着火温度）最能反映煤的爆炸特性，且其数据可直接应用。文献[4]列出了根据热重分析指标与煤粉爆炸特性间的关系提出的煤粉爆炸特性等级划分，认为扎煤和印尼B级煤具有等级最高的爆炸特性和着火特性。

表2 A厂印尼煤、澳煤、扎煤的元素和工业分析、灰成分比较

3 实际燃烧结果分析

3.1 磨煤机出力

燃用高水分煤种，主要影响磨煤机的干燥出力。根据干燥出力计算研究，影响程度如图2所示。适当降低磨煤机的出口温度，能提高磨煤机出力。降低磨煤机出口温度10℃，可以提升磨煤机的干燥出力约10%。水分对于干燥出力的影响是非常大的。从图2看出，如保持磨煤机出口温度75℃，在其它条件相同情况下，原煤水分由9%上升到16%，计算的干燥出力可以从85 t/h下降到55 t/h。

目前A厂燃用印尼煤的磨煤机出口温度一般在60～65℃，已接近低限。制约负荷的主要因素是磨煤机的干燥出力。机组带额定负荷，需要6台磨运行。

表3 印尼、澳煤和扎煤的灰结渣特性评价

图1 热重分析的比较研究

图2 磨煤机干燥出力和水分、磨出口温度影响

由于扎煤水分高达30%，即使降低磨煤机出口温度至低限55℃，磨煤机的干燥出力仅约40 t/h。同时由于扎煤的低发热量，进一步降低了磨煤机的实际出力。如果再考虑可磨度的影响，出力下降约10%。

根据表4，认为燃用扎煤的干燥出力已经达到极限。此时风煤比数据为2.7，如果回归1.8的设计数据，认为磨煤机出力将仅为40 t/h。磨煤机出口温度62.5℃，已接近运行的下限数据。

3.2 燃烧安全性

表4 磨煤机出力运行数据

由于印尼煤和扎煤的高挥发分，容易导致爆燃等影响制粉系统和锅炉设备安全的后果，实际燃用中采取了以下措施：

（1）加强对燃烧器着火情况的检查。

（2）加强对燃用印尼煤磨煤机出口煤粉管道的监控，发现有漏粉现象应立即进行封堵，并及时清理现场的煤粉。

（3）加强监视磨制印尼煤的磨煤机出口风粉混和物温度及石子煤斗排放情况，当磨煤机出口风粉混和物温度超过90℃，应立即停运。

（4）控制燃用高挥发分的磨煤机出口温度小于70℃，并控制磨煤机入口一次风温小于270℃，启停磨煤机时入口风温小于200℃。

（5）保证磨煤机蒸汽灭火投入热备用，磨煤机出口温度大于90℃或磨煤机着火时，及时投入蒸汽灭火。

（6）磨煤机启停时需延长吹扫时间。

3.3 燃烧经济性

由于实际燃用的印尼煤属于次烟煤和褐煤类别，扎煤属于褐煤类别，引起厂用电量的显著上升。根据美国的相关资料，燃用烟煤和褐煤的机组对于一次风机和送风机的厂用电率可由1.42%上升至2.08%。同时掺烧高水份褐煤和次烟煤后，往往导致排烟温度显著上升和锅炉效率下降。根据600 MW机组的比对研究，掺烧40%的褐煤，引起锅炉效率下降约0.2%～0.3%。掺烧褐煤时使煤质水分升高，锅炉排烟中水分也相应增加，烟气中水蒸气显热增大，锅炉排烟热损失增大。A厂由于全年掺烧60%的高水份褐煤和次烟煤，引起排烟温度上升约15℃，造成锅炉效率下降0.75%，导致煤耗上升约2.1 g/kWh。

锅炉实际运行中掺烧扎煤后，多次造成给煤机堵煤、断煤，引起设备损坏。同时，可能由 于煤灰含钠的特征，在实际运行过程中，时常发生大焦下落情况。

A厂燃用扎煤的效率专项试验后可知，燃用印尼B级煤、澳煤和扎煤的锅炉效率约为93.6%，比其它国内1000 MW锅炉效率低约0.8%。

然而近年来国内外煤炭价格相差较大，以2009年为例，国际上澳大利亚权威的BJ（Barlow Jonker）亚洲市场动力煤现货价格指数约70美元/t，而国内煤炭如山西优混煤平仓价650～700元/t，考虑运输等费用后，进口煤价格较便宜，因此大量燃用印尼等煤种后，虽然锅炉效率略有下降，但发电厂取得了非常巨大的经济效益。

4 结论

横向比较研究1000 MW机组几种炉型的特征参数，认为A厂采用了较经济的炉膛特征参数。对于进口煤种进行了详细研究，发现由于扎煤的高钠含量，导致实际运行容易结焦。热重分析研究认为，印尼煤和扎煤均属于极易着火、极易燃尽，具有较严重的结渣倾向。实际掺烧次烟煤和褐煤后，导致磨煤机干燥出力不足。燃用这些高水分煤种后，导致锅炉效率下降约0.8%。但由于国内外煤炭价格的差异，大量燃用印尼等煤种，将取得了较大的经济效益。

[1] 岑可法.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[M].北京：科学出版社，1994.

[2] Babcock&Wilcox Company.Steam,Its Generation and Use[M].41st ed.2005.

[3] 毛健雄.煤的清洁燃烧[M].北京：科学出版社，2000.

[4] 刘增田，程志强.神华煤燃用技术[M].北京：煤炭工业出版社，2004.