超超临界大型燃煤机组掺烧褐煤试验研究

邢振中，刘 忠，冷 杰

(1.华北电力大学，北京 102206;2.辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

1 设备及煤质概况

1.1 设备

某电厂2×1 000 MW超超临界机组锅炉由东方锅炉 (集团)股份有限公司与东方－日立锅炉有限公司联合设计、制造，型号为DG3000/26.25－Ⅱ1，为超超临界参数、对冲燃烧方式、固态排渣、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、全钢构架、全悬吊П型结构变压直流炉。锅炉炉膛四周为全焊式膜式水冷壁。过热器受热面由顶棚、后竖井烟道四壁、后竖井分隔墙、布置在尾部竖井后烟道内的低温过热器、炉膛上部的屏式过热器和位于折焰角上方的高温过热器组成。制粉系统为6台中速磨配动态分离器直吹式系统。燃烧器为新型DHDB－NR3旋流煤粉燃烧器，前后墙各布置3层燃烧器，每层每面墙8只。在前后墙各布置一层燃尽风喷口，其中每层每面墙2个侧燃尽风喷口，8个燃尽风喷口。

1.2 褐煤和混煤煤质特性

某电厂2×1 000 MW超超临界机组设计煤种为准葛尔2号烟煤，2种校核煤种为准葛尔2号煤和神华煤，设计燃料特性见表1。在燃煤供应紧张、煤价不断上涨的形势下，烟煤供应日益紧张，因此电厂计划掺烧霍林河褐煤。由于褐煤和烟煤特性差异较大，因此掺烧褐煤必将对锅炉安全、经济运行带来影响。根据电厂所用的神华煤掺烧霍林河褐煤的试验，分析神华煤掺烧褐煤后对机组的影响。

表1 设计燃料特性

表2 额定负荷下某电厂混煤的煤质分析

褐煤中含碳量低，其Vdaf≥40%，有利于着火和煤的燃尽，同时也极易自燃。褐煤中水分、灰分和含氧量高，因而发热量较低，Qnet，ar在11 000～15 000 kJ/kg。褐煤的变形温度和软化温度均较低，实际燃烧过程中很容易结焦，因而褐煤燃烧中要解决由于灰熔融温度低而引起的燃烧结渣问题。煤的磨损指数是指煤在研磨的过程中，对研磨设备部件磨损的强烈程度［1］，褐煤的磨损指数较高，一般可达4～7。由于混煤的燃烧特性并不具备可加性，可磨性差异较大的2种煤混烧，其可磨性更趋向于难磨煤种。研究表明，混煤的组分煤在着火过程中各自保持其着火特性［2］。

分别在30%、40%、50%的掺烧比例下，进行锅炉热效率试验，并通过数据对比得出掺烧褐煤对机组的影响。混煤的煤质分析见表2。掺烧褐煤后，煤粉水分比设计煤种高，将影响到磨煤机的出力，相应磨煤机电耗也会升高。由于褐煤的挥发分较高，因此掺烧褐煤后有利于煤粉的燃尽。

2 试验结果分析

2.1 锅炉效率试验

某电厂在不同比例下掺烧褐煤的试验中，参照GB10184—1988《电站锅炉性能试验规程》进行锅炉效率试验。试验结果如表3所示。

由表3可见，在额定负荷下，排烟热损失在30%、40%和50%掺烧比例下，分别为5.679%、5.964%和5.791%。随着掺烧褐煤比例的增大，排烟热损失、锅炉辅机电耗和厂用电率随之增大。在设计煤种下，机组的供电煤耗为294.86 g/kWh。掺烧30%褐煤与设计煤种相比，机组供电煤耗增加0.73 g/kWh;掺烧40%褐煤与设计煤种相比，机组供电煤耗增加0.94 g/kWh;掺烧50%褐煤与设计煤种相比，机组供电煤耗增加1.28 g/kWh。随着掺烧褐煤比例的增大，总给煤量增大，在总风量一定的情况下，导致烟气量增大，从而使排烟热损失q2增大。又由于褐煤本身水分大，导致排烟水蒸气热损失增大，同时烟气量增大会使烟气流速增大，使煤粉颗粒与碳颗粒在炉内停留时间减少，导致固体未完全燃烧热损失q4增大［3］。

2.2 神华煤与褐煤不同掺烧比例下机组最大出力试验

由于霍林河褐煤水分大，随着褐煤掺烧比例的增大，磨煤机最大出力逐渐减小，机组的最大出力也逐渐减小。依据DL/T 5145—2002《火力发电厂制粉系统设计计算规定》进行磨煤机试验［4］，选取1台磨煤机进行最大出力试验，试验结果见表4。在5个工况下，经过理论计算，磨煤机出口露点温度在50～52℃，对于直吹式制粉系统，干燥剂的终端温度应高于露点温度2℃以上，且不能低于60℃。当Vdaf≥40%时，干燥剂的终端温度应小于70℃。因此磨煤机出口温度应控制在60～70℃。

表3 额定负荷下神华煤掺烧褐煤对经济性影响试验结果

表4 神华煤与褐煤不同掺烧比例下单台磨最大出力试验结果

该试验在35号磨煤机上进行，磨煤机的最大出力试验结果见表4。随着褐煤掺烧比例的增大，磨煤机的最大出力逐渐减小。神华煤掺烧30%霍林河褐煤时磨煤机最大出力为84.6 t/h，全烧霍林河褐煤时，磨煤机的最大出力为46.3 t/h。将磨煤机最大出力与掺烧褐煤比例的关系进行拟合为

y=－0.524 7x+98.581

式中 y——神华煤掺烧霍林河褐煤时磨煤机最大出力，t/h;

x——霍林河褐煤掺烧比例，%。

通过试验，当5台磨煤机运行时，掺烧比例小于30%，机组能带满负荷;当掺烧褐煤比例为40%时，5台磨煤机运行时机组最大出力为840 MW，6台磨煤机运行时能带满负荷;当掺烧褐煤比例为50%时，即使6台磨煤机全部运行，机组的最大出力只能达到940 MW。可见，当掺烧褐煤的比例大于50%时，机组的最大出力受到明显影响。

2.3 神华煤掺烧霍林河褐煤的燃烧优化试验

过量空气系数是电站锅炉运行中的重要参数［5］，对其测量通常是通过对空预器进口的烟气烟量的监测间接实现的。过量空气系数的改变对锅炉燃烧、锅炉效率的影响很大［6］。目前，判断锅炉运行经济性指标多以供电煤耗率为主。供电煤耗率在不同负荷下是不同的，随着负荷升高，供电煤耗率降低。但在某一负荷下，可以通过对过量空气系数的调节使供电煤耗率达到最低，此时的过量空气系数为最佳过量空气系数［5，7］。

供电煤耗率是锅炉效率、机组热耗和厂用电率的函数，而锅炉效率和厂用电率为氧量的函数，通过变氧量试验取得不同氧量下的试验参数，拟合出各种曲线并求导，从而得到不同负荷下的最佳氧量［8］。由于在试验中保持热耗不变是不可能的，所以用此方法得出的曲线误差较大，得出的最佳氧量准确性不高。

文中采用实际运行中达到机组最佳性能对应的运行参数作为最佳值。通过在额定负荷和850 MW负荷下，分别掺烧30%褐煤和40%褐煤，对机组进行变氧量试验，结果见图1、图2。

由图1可见，在额定负荷下，当烟气中的含氧量从2.48%升至3.22%时，锅炉热效率从93.05%升至93.31%，排烟热损失、可燃气体未完全燃烧热损失和固体未完全燃烧热损失之和逐渐降低。此时可燃气体未完全燃烧热损失从0.495%降至0.07%，所以可以推断当烟气中含氧量为3.22%时的锅炉效率最大。

由图2可见，在850 MW负荷下，当烟气中的含氧量从2.62%升至3.47%时，锅炉热效率从93.32%升至93.77%，q2、q3、q4之和逐渐降低。烟气中含氧量从3.01%升至3.47%时，锅炉效率的增加幅度明显减缓，根据图2及q3变化，可以推断锅炉热效率在烟气中含氧量为3.47%时最大。因此在850 MW负荷下，掺烧40%褐煤时，含氧量在3.47%附近取值最佳。

2.4 神华煤掺烧霍林河褐煤的燃尽风优化试验

分级燃烧技术 (燃尽风技术)是目前国内使用最普遍的低NOx燃烧技术［9］，在国内外已经成功应用于电站锅炉上。但在实际运行中，分级燃烧技术对NOx的控制受负荷、燃尽风喷入位置、燃尽风率、煤质等因素影响。

燃尽风风量对煤粉的燃尽程度有较大影响。燃尽风比例增大，NOx排放减少，固体未完全燃烧热损失增大，反之燃尽风比例减小，NOx排放增加，固体未完全燃烧热损失减小。针对某电厂3号机组，在神华煤掺烧30%褐煤的额定负荷下，5台磨煤机运行时，进行了燃尽风调整试验，该试验目的是确定最佳燃尽风挡板开度。试验结果见表5。

表5 神华煤掺烧30%褐煤时燃尽风试验数据

由表5可见，在锅炉氧量不变条件下，随着燃尽风率的降低，锅炉热效率逐渐升高，锅炉排放烟气中NOx含量逐渐增大。当燃尽风挡板开度偏置从－10%到10%时，锅炉热效率由93.45%变化到93.32%，省煤器出口烟气中NOx的含量由293.2 mg/Nm3变化到258.9 mg/Nm3。综合考虑锅炉热效率和NOx排放浓度，建议神华煤掺烧30%霍林河褐煤的额定负荷下，燃尽风挡板开度偏置为－10%。

3 神华煤掺烧褐煤存在问题及防范措施

3.1 存在问题

a． 褐煤的灰熔点较低、挥发分高、易着火、热值低、容易引起自燃。进入炉膛后着火容易提前，受热面喷嘴受热，容易结焦。

b． 褐煤水分偏大，容易导致磨煤机干燥出力不足、堵煤、压磨等现象，制粉系统运行时石子煤量较平时明显偏大，造成磨煤机电耗增加。同时，由于褐煤水分大，要求加大进入磨煤机的风量，可能造成磨煤机振动加大。风机原有出力无法满足磨煤机干燥、输送需要，也容易引起一次风机喘振。

c． 大量掺烧褐煤时，褐煤水分大造成烟气量增大，造成炉内各受热面吸热量偏离设计值，影响主汽温度、再热汽温，使排烟热损失增加。此外，掺烧不均匀还容易引起机组运行工况大范围波动，使燃烧优化调整的工作量增大。

3.2 防范措施

a． 由于掺烧褐煤后磨煤机出力受到制约，导致煤粉细度不均匀、煤粉燃烧不充分及灰渣含碳量增加，从而使锅炉燃烧效率下降，锅炉热效率降低。通过试验，发现在掺烧30%褐煤、6台磨煤机运行时，磨煤机出力为85 t/h，磨煤机分离器转速均控制在35 r/min时，通过煤粉细度测试，发现煤粉细度合适。因此建议2台磨煤机运行时，分离器转速控制在35 r/min。

b． 通过神华煤掺烧不同比例褐煤对经济性影响的试验，随着褐煤掺烧比例的增大，锅炉热效率逐渐降低，发电煤耗和供电煤耗相应增加。通过燃烧优化调整试验，神华煤掺烧30%霍林河褐煤时，额定负荷下氧量偏置为+40%时的锅炉效率最高。

c． 由于褐煤灰熔点较低、着火距离短及容易烧毁燃烧器，因此掺烧比例应适当。在实际运行过程中应加强检查，若发现结焦等情况，应立即投入吹灰器。情况较严重的应及时清理。同时，要对停运磨煤机及其管道内残余的煤粉进行排空处理，以防止积粉自燃，制粉系统必须采取防爆措施。

4 结束语

当前电煤煤源供给高度紧张，因此发展褐煤掺烧技术势在必行。根据霍林河褐煤的煤质特性，通过不同比例褐煤掺烧试验，研究磨煤机最大出力和锅炉各方面性能，从而确定能保证机组安全稳定运行的条件。通过试验结果进行合理混配、掺烧和燃烧调整，极大地缓解了因锅炉掺烧褐煤引起的经济性问题。同时应加强褐煤掺烧技术的培训和掺烧管理，为今后大型发电企业全力推进掺烧低价劣质煤积累经验。

［1］ 夏学敏，刘学东．600 MW超超临界锅炉褐煤掺烧分析［J］．华电技术，2011，33(12):18－19．

［2］ 段学农，朱光明，焦庆丰，等．电厂锅炉混煤掺烧技术研究与实践［J］．中国电力，2008，41(6):51－54.

［3］ 宁新宇，梁绍华，张希光，等．1 025 t/h烟煤锅炉掺烧褐煤的可行性试验研究［J］．热力发电，2010，39(12):53－55．

［4］ DL/T 5145—2002，火力发电厂制粉系统设计计算规定［S］．

［5］ 闫顺林，张 斌．电站锅炉最佳过量空气系数的研究［J］．发电设备，2010，24(4):237－240．

［6］ 樊泉桂，阎维平，闫顺林．锅炉原理［M］．北京:中国电力出版社，2004.

［7］ 张振杰，王彦海．掺烧褐煤对350 MW机组烟煤锅炉经济性影响研究［J］．东北电力技术，2011，32(3):17－19．

［8］ 谷俊杰，孔德奇，高大明，等．电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值计算 ［J］．华北电力大学学报，2007，34(6):61－65．

［9］ Thomas L B，Francisco C，Sebastien C，etal．Coal Combustion Modeling of Large Power Plant for NOxAbatement［J］．Fuel，2007，86(14):2 213－2 220．