328 MW煤粉锅炉掺烧石油焦的应用研究

赵振宁, 朱来玉, 于 洋, 张清峰

(1.华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045;2.天津大港发电厂,天津300270)

石油焦是石油化工行业的副产品,其燃烧特性介于无烟煤与烟煤之间,具有低灰分、低挥发分、高热值和高含硫量的特性[1-2].杨亚平等人较早在试验台上进行了烟煤掺烧石油焦的应用研究[3-4];黎水[5-6]等人和杨亚平[7-10]等人分别在循环流化床锅炉和石油化工行业自备电站煤粉锅炉上进行了掺烧研究,但锅炉容量都较小,最大仅为125 MW,在大型煤粉锅炉上掺烧还缺少经验.在大型电站锅炉掺烧石油焦运行时,可利用石油焦的高热值和低灰分特性有效提高入炉煤热值,保证机组带高负荷运行,降低锅炉排灰渣量,减少锅炉受热面飞灰磨损,同时石油焦年产量达2 Mt[9],而小锅炉上消化能力有限,因此,对大型电站锅炉掺烧石油焦的研究具有重要意义.笔者对两台328 MW电站锅炉上掺烧石油焦的应用情况进行了研究,在不改变原燃烧设备的情况下进行燃烧调整,取得了良好的效果.

1 设备概况与燃料分析

试验锅炉为意大利TOSI厂制造的亚临界、强迫循环、辐射中间再热、平衡通风、四角切圆燃烧、直吹式双进双出钢球磨煤机制粉系统燃煤汽包锅炉.过热蒸汽温度由两级减温喷水调节,再热蒸汽温度用燃烧器摆动的方法进行调节,摆动燃烧器可向上、向下倾斜20°,在再热器入口处还装有2台喷水减温装置,作为事故时减温用.

该锅炉燃烧系统为四角布置切向摆动燃烧器,共四层燃烧器,原设计燃用贫煤,后改烧大同烟煤.燃烧器由垂直浓淡分离式改为百叶窗控制分离水平浓淡式,四角切圆直径分别为1 287 mm、1 127 mm(图1),但燃烧器的高度、大小并未改变.该锅炉目前可以很好地适应大同烟煤,但由于国内燃料品质普遍下降,现燃用煤种较杂,主要燃料及石油焦煤质见表1.

图1 燃烧器布置图(单位:mm)Fig.1 Arrangement of burners(unit:mm)

表1 设计煤种、常用煤种及石油焦混煤的基本特性Tab.1 Basic properties of design coal,common-used coal and blended coal with petroleum coke

除表1中数据显示特性外,石油焦还有如下显著特点:

(1)固定碳含量很高,为85%,密度为700 kg/m3,HGI可磨性系数为78.

(2)石油焦中挥发分在230℃开始析出,330℃开始着火,但温度升至1 100℃仍有挥发分析出.

(3)空气中石油焦着火温度为660℃.

由此可见,石油焦整体燃烧特性接近贫煤[4].在本锅炉中掺烧石油焦时,有几个关键因素必须得到解决[9-11]:

(1)采取适当措施保证锅炉着火、燃烧稳定与燃料的燃尽.

(2)适当控制掺烧比例,以避免石油焦高含硫量特性造成锅炉受热面高温腐蚀,并防止造成锅炉SO2排放超标或者超出脱硫系统最大出力.

(3)由于石油焦与烟煤的化学、物理特性差异大,使其混配难度增大:一方面石油焦可磨性较好,易于磨制;另一方面石油焦密度较小容易被早分离,不易于磨细.

(4)以表1中神头/石油焦混煤为例,其28.19%的灰分中只有0.11%来自于低灰熔点的石油焦,因而石油焦的掺入对混合燃料结焦特性影响不大.同时,掺烧后的燃烧器区域温度水平会明显下降[12],也有利于防止结渣.因而,掺烧不用考虑石油焦结渣特性,但必须考虑其燃烧滞后造成的影响.

2 掺烧石油焦运行技术措施

2.1 掺烧方式

石油焦燃烧特性接近贫煤,锅炉燃烧器无法维持其单独燃烧.为保证低负荷时的稳定燃烧要求,必须以炉外掺烧的方式掺入石油焦,即在进入磨煤机前完成石油焦与其他烟煤的掺混过程,并力求掺配均匀,避免石油焦瞬时掺入过多而发生锅炉灭火.

2.2 掺烧煤种选择

根据锅炉燃烧设备与脱硫系统的要求,石油焦与烟煤混合后的混煤的收到基挥发分Var在22%～28%,含硫量低于1.3%,具有较高的灰熔点和中等至轻微的结焦特性,热值应在18～20 MJ/kg.表1中所示的4种烟煤单独与石油焦混配,或几种煤的混煤与石油焦按照4∶1掺烧后,均可满足此要求,生产中这些煤也混合在一个煤场.因此,掺烧时把它们当做同一种烟煤,不作具体区分.

2.3 煤粉细度要求

混煤进入锅炉后,会完成各自的燃烧过程[11],为保证石油焦燃尽,需要根据石油焦的要求来选择混煤煤粉细度.煤粉细度公式为:

式中:n为煤粉均匀性指数,一般接近1.

按此要求,石油焦颗粒的煤粉细度约为7%～8%.由于锅炉采用钢球机制粉系统,煤粉细度可以维持在10%以下,基本满足石油焦颗粒的燃烧要求.

2.4 锅炉水冷壁高温腐蚀

由于石油焦的硫分较高,且有较长的燃烧行程,容易冲刷到水冷壁附近燃烧,使水冷壁表面附近形成局部还原性气氛,易使硫铁矿FeS2分解为原子硫S,并产生腐蚀性气体H 2S与SO3,与水冷壁上的碱金属氧化物共同作用,产生严重的高温腐蚀[13].为此必须在近水冷壁处对烟气含氧量取样分析,评估产生高温腐蚀的可能性,同时在燃烧调整中,可适当增大过量空气系数,降低产生高温腐蚀的风险.

2.5 对锅炉效率的影响

掺烧石油焦后,会使飞灰含碳量增加,造成锅炉效率下降.为尽可能使石油焦燃烧完全,除了要提高煤粉细度外,还要尽可能延长煤粉在炉膛内的停留时间.但试验锅炉原设计煤种为贫煤,炉膛呈瘦高型结构,有利于石油焦的燃尽.另外,石油焦的含灰量低,有利于减少灰渣带走的热量,从而提高锅炉效率.

2.6 配风调整

掺入石油焦后燃料特性变差,使火焰中心位置上移,燃料在炉膛内的停留时间缩短,燃尽率和燃烧效率都明显下降,因此通过配风来调整燃烧中心位置是保证合理燃烧的关键性步骤,主要措施如下.

2.6.1 给燃料点的调整

在总燃料量不变的情况下,将上层燃烧器给煤量部分地转移到中层或下层,使中、下层燃料量所占比例相对增加,大部分混合燃料颗粒便可经过更长的距离离开炉膛,达到延长燃料在炉膛停留时间的效果.

2.6.2 一次风的调整

煤/石油焦混合燃料的挥发分随着掺入石油焦量的增加而减少.为更好地满足混合燃料着火特性,一次风量应比掺烧前低,以便有效地降低混合燃料的着火温度,为着火创造良好条件.一次风量的大小用风煤比表示,掺烧石油焦时风煤比由原1.75降低到1.60,并把磨煤机出口温度由原75℃提高到85℃,以适应燃烧要求[11].

2.6.3 二次风的调整

随着混合燃料大部分转移到中间层或下层部位,二次风采用正塔型配风方式,中下层二次风可以足量、较早地与相应一次风粉火焰混合.燃烧中心区的焦煤分离使该区域燃料气流间的不均匀程度增加,此时集中较多的二次风送入该区域对提高场内气流刚度、增强气流湍流扩散能力、改善这种不均匀性有利.同时,这种配风方式尽早地给予已着火的烟煤和焦粉足够的氧量,可促使燃烧过程加速.强烈燃烧的尽快实现可为石油焦赢得较长的燃尽时间,提高燃烧效率.

2.6.4 炉膛出口过量空气系数的调整

掺烧石油焦后适当地增大过量空气系数对燃尽有一定好处.根据煤、石油焦的物理特性分析,煤和石油焦在炉内旋转燃烧过程中,煤、石油焦颗粒分离是必然的,因此适当地增大过量空气系数,可保证即使有少量的炽热燃料颗粒脱离主射流或进入到高浓度燃料区时,也会有足量的氧气参与燃烧反应,使这部分燃料得到充分燃烧.满负荷时过量空气系数应控制在1.25左右,略高于纯烧烟煤时的过量空气系数.

3 掺烧试验及结果

3.1 单磨煤机掺烧试验

2009年7月1日用4B磨煤机掺烧石油焦,所燃用的烟煤为宋家庄煤、神头煤、怀仁煤与石油焦的混煤,负荷为328 MW,试验结果见表2.

由表2可知,掺烧前、后锅炉各运行参数没有明显变化,说明掺烧量较少时,对锅炉性能没有产生不良影响.

掺烧石油焦后,制粉系统运行正常,但由于一次风量略有减少,使得在磨煤机设备未进行调整的情况下,磨煤机煤粉细度得到改善.同时,由于石油焦具有一定的润滑作用,在掺烧石油焦过程中消除了磨煤机煤斗下煤不畅的现象.

表2 单磨煤机掺烧前后关键参数对比Tab.2 Comparison of parameters before/after petroleum coke blending in single mill

3.2 双磨煤机掺烧试验

在单磨煤机掺烧试验成功的基础上,2009年7月2日18:00开始在4A、4B两台磨煤机上进行了同时掺烧试验,磨煤机掺烧比例为1∶4,锅炉满负荷、四台磨煤机同时运行.试验数据见表3.

表3 双磨煤机掺烧前后关键参数对比Tab.3 Comparison of key parameters before/after petroleum coke blending in two mills

与单台磨煤机掺烧运行情况相同,除了锅炉给煤量下降以外,运行参数没有明显的变化,锅炉飞灰含碳量虽略有升高,但仍处于良好的水平.

掺烧前后火焰燃烧情况有所变化,如图2所示.掺烧前火焰明亮,掺烧后火焰明显发暗并含有少量石油焦燃烧产生的火星,石油焦着火延迟的作用显现出来,但锅炉总体的燃烧稳定.

图2 掺烧前后火焰情况Fig.2 Flame before/after petroleum coke blending

3.3 低负荷两台磨煤机稳燃试验

试验在160 MW负荷下进行,仅有两台磨煤机运行,均掺烧20%的石油焦,持续3 h,试验数据见表4.

表4 低负荷双磨煤机掺烧关键参数Tab.4 Key parameters at low load with two mills blended with petroleum coke

在3 h低负荷稳燃试验期间,锅炉仍处于稳定燃烧状态,喷口亦无结焦现象,炉膛压力未出现波动,火检正常,火焰明显发暗,但仍处于正常状态,飞灰含碳量明显增加,达到7.7%,这说明石油焦的掺入没有使着火大幅恶化,但燃尽程度有所下降.考虑到锅炉未燃尽碳主要来自于石油焦[11],当高热量、低灰分、难燃尽的石油焦掺烧量增加后,必然导致其他高灰分煤量减少,进入锅炉的总灰量降低,也是使飞灰含碳量增加的因素之一.如果只有一台磨煤机掺烧石油焦,即使石油焦的燃尽程度不变好,但由于其产生的未燃尽碳会减少一半,而其代替物带入的总灰量增加,使锅炉飞灰含碳量减少一半以上,小于3.35%.

3.4 多种工况试验

为获得各种磨煤机组合、各种负荷条件下的石油焦掺烧特性,在完成上述试验后,依次按照表5所示的工况顺序进行试验.掺烧期间,观察锅炉各参数变化,取灰样和煤粉样进行飞灰含碳量和锅炉燃煤特性分析.

表5中的负荷煤量比表示1 kg混煤的发电量,用它可以间接地表示煤发热量的高低,从而表示煤质的好坏.由表5可见:飞灰含碳量受火焰中心、掺烧煤种煤质、负荷及掺烧比例的影响很大.

工况1～9都可以保证蒸汽侧的参数,飞灰含碳量造成的未完全燃烧损失对经济性影响很大.因此工况1～4是可以接受的,而工况5～8是不可以接受的,即由下层两台磨煤机掺烧20%的石油焦或仅C磨煤机掺烧20%的石油焦是可行的.

对比工况1和工况3可发现:负荷相近,全炉掺烧比例明显低于工况3的工况1,飞灰含碳量却高很多,可见燃烧器C是石油焦能否燃烧完全的分界高度.满负荷、仅两台磨煤机掺烧的工况6,飞灰含碳量也很高的原因与此相同.

通过对两台磨煤机掺烧运行的工况3和工况4进行对比发现,由A/B磨煤机进入的石油焦颗粒通过上层烟煤燃烧产生的高温区时可以有效降低飞灰含碳量.由于工况3中C/D磨煤机产生的高温区比工况4中C磨煤机产生的高温区更长,因而尽管工况4煤质更好一些,但工况3的飞灰含碳量更低.

表5 各种磨煤机组合、负荷与掺烧比例下的试验结果Tab.5 Test results of different combinations of running-mills,load and blending proportion

工况7～工况9的飞灰含碳量都偏大,原因是掺烧煤质偏差,掺烧比例偏大,且都有上两层磨煤机掺烧.特别是工况8,负荷高达310 MW也无法抵消C磨煤机掺烧的影响.

3.5 水冷壁烟气气氛测定

判断水冷壁近壁气氛是否为还原性气氛,主要是以烟气成分中的O2、CO含量为依据,对于CO的控制值,比较一致的看法是应当控制在0.5%以下,以防止发生水冷壁高温腐蚀.为防止近壁烟气出现还原性气氛,在掺烧量最大的三磨煤机掺烧与四磨煤机掺烧时进行了测量,结果见图3～图5.

通过对各工况的测试结果表明,锅炉水冷壁各部位有明显的O2存在,CO含量低于0.5%,掺烧石油焦并未造成水冷壁附近气氛发生明显变化,高温腐蚀风险较小.

图3 掺烧前300 M W负荷下近壁气氛Fig.3 Atmosphere near furnace wall before petroleum coke blending at 300 MW load

图4 三台磨煤机掺烧328 MW负荷下近壁气氛Fig.4 Atmosphere near furnace wall with three mills blended with petroleum coke at 328 MW load

图5 四台磨煤机掺烧328 MW负荷下近壁气氛Fig.5 Atmosphere near furnace wall with four mills blended with petroleum coke at 328 MW load

4 结 论

(1)掺入20%的石油焦不会对锅炉燃烧的稳定性造成影响,也不会影响蒸汽侧参数.

(2)掺入石油焦后,由于一次风量的减少,煤粉自动变细,有助于石油焦的燃烧.

(3)石油焦的掺入不会影响锅炉水冷壁附近的气氛,不会引起高温腐蚀.

(4)煤/石油焦混烧时存在一个石油焦颗粒可以充分燃尽的分界点,该分界点受炉型、掺烧比例、给入点等因素影响.对于具体锅炉,可通过合适的掺烧比例、降低煤/石油焦混煤的给入点来保证石油焦颗粒有足够的燃烧时间.

(5)该锅炉在现有煤种条件下掺入石油焦的边界与方式为:仅在下两层磨煤机掺入石油焦,上两层磨煤机不掺,可以大幅度提高燃煤热值,锅炉各项运行参数正常,并保持良好的运行安全性和经济性.

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