大型电站锅炉混煤掺烧试验研究

刘发圣, 谈紫星, 桂良明, 敖光辉, 程文峰, 舒开泰, 陈林国

(1. 国网江西省电力科学研究院， 南昌 330096; 2. 贵溪发电有限责任公司，江西贵溪 335400;3. 中电投江西电力有限公司， 南昌 330006)

大型电站锅炉混煤掺烧试验研究

刘发圣1, 谈紫星1, 桂良明1, 敖光辉2, 程文峰3, 舒开泰3, 陈林国1

(1. 国网江西省电力科学研究院， 南昌 330096; 2. 贵溪发电有限责任公司，江西贵溪 335400;3. 中电投江西电力有限公司， 南昌 330006)

针对某电厂640 MW机组锅炉长期在非设计煤种下运行，严重影响锅炉安全经济运行的问题，对该电厂的常用煤种进行元素分析及热重分析，并进行了分类，确定了参与混煤掺烧研究的煤种。选取3个具有代表性的负荷点，通过掺烧不同比例煤种、不同上煤方式进行热态试验，获得不同负荷下的最佳混煤掺烧方案和锅炉上煤方式，有效提高了该机组锅炉的安全性和经济性。

锅炉； 混煤掺烧； 热重分析； 燃烧特性

2013年以来，江西贵溪电厂640 MW机组锅炉入炉煤质偏离设计值，且燃煤种类多变，为了节省发电成本，电厂必须燃用掺配的混煤，而锅炉及燃烧设备均是依据设计煤种来设计选型的，锅炉选型与实际燃煤不匹配会造成锅炉超温或欠温、结焦、带不起负荷，甚至非正常停机等一系列问题。通过配煤掺烧试验研究，可以提高锅炉运行的安全及经济性，实现高效低污染燃烧。

针对贵溪电厂2号锅炉，笔者采用理论研究和现场试验相结合的方法，首先对该厂的常用入炉煤种进行分类，确定参与混煤掺烧研究的煤种；然后对该电厂掺烧煤种进行不同比例混合、不同上煤方式的热态试验，并在每个混煤方式下进行了变氧量试验，以确定最佳氧量，并获得不同负荷下的最佳混煤掺烧方式，提高该锅炉的安全性和经济性。

1 设备概况

江西贵溪电厂2号机组锅炉是国内某制造厂自主开发研制的HG-1964/25.4-YM17型超临界锅炉。该锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、尾部双烟道结构，利用挡板调节再热汽温、全钢架、全悬吊结构、露天П形布置。采用中速磨煤机直吹制粉系统，每台锅炉配6台HP1003碗式中速磨煤机，燃用设计煤种时5台运行，1台备用。锅炉主要设计参数见表1，锅炉设计煤质分析见表2。

表1 锅炉的主要设计参数

表2 锅炉的设计煤质分析

2 入炉煤质特性

2.1 入炉煤质初步分类

根据大量混煤掺烧试验表明，由不同煤种混合配成的煤，虽然在工业、元素分析的煤质指标上差别不大，但煤的着火、燃烧、燃尽、稳燃等燃烧特性表现各异。通常选择2种或3种单煤进行掺混。如果掺混煤种过多，可能导致成本上升、燃烧情况更复杂。结合电厂实际储煤状况及煤场配煤现状，选取5种代表性煤样进行初选，分别为：澳洲煤、山西大同煤、甘肃华亭煤、神华煤和江西飞燃煤。5种常用的燃煤工业分析、元素分析结果见表3。

表3 煤样的工业分析和元素分析结果

由表3可见：澳洲煤、山西大同煤、甘肃华亭煤、神华煤均属于高挥发分、高发热量煤种，而江西飞燃煤则相反。

2.2 入炉煤质二次分类

虽然根据煤的工业分析及元素分析结果，将澳洲煤、山西大同煤、甘肃华亭煤、神华煤初步划分为同一类，但是这4种煤的燃烧特性可能相差较大，为此采用德国Netzsch公司生产的STA449C型同步热分析仪分别对5个煤样进行单煤种的燃烧特性热重分析，根据有关资料及基于近几年在实验室对多个煤种进行的燃烧特性试验的统计数据和电厂实际燃煤特性，将煤的着火燃尽难易情况划分成三类，见表4、表5[1-3]，5种煤样的着火温度和燃尽温度见表6。

表4 煤粉热重分析着火情况

表5 煤粉热重分析燃尽情况

表6 煤样热重分析结果

从表4、表5及表6可见：

(1) 从着火特性来看，这5种煤大致可划分为两类，即澳洲煤、山西大同煤、甘肃华亭煤、神华煤的着火特性较好，江西飞燃煤的着火特性较差。

(2) 从燃尽特性看，5种煤可划分为三类，即甘肃华亭煤的燃尽特性最好，澳洲煤、山西大同煤、神华煤的燃尽特性较好，江西飞燃煤的燃尽特性较差。

因此，根据煤样燃烧特性及电厂实际储煤状况，该电厂的5种常用煤划分为3类：甘肃华亭煤划分为一类，属于5种煤种最容易着火、最容易燃尽煤种；澳洲煤、山西大同煤和神华煤划分为第二类，属于容易着火、容易燃尽煤种；江西飞燃煤划分为第三类，属于不易着火、不易燃尽煤种。这样混煤工作量由原有的5种煤降低为3种煤，大致下降了40%。

3 混煤掺烧试验分析

3.1 不同混煤掺烧方式的比较

目前，混煤掺烧主要有“炉前掺混、炉内混烧”和“分磨制粉、炉内掺烧”两种方式。

“炉前掺混、炉内混烧”属于传统的混煤掺烧方式，指燃料在进入原煤斗之前，通过煤场堆混、皮带混、筒仓混等按一定的比例混配均匀，之后在磨煤机中一同被磨制成粉，然后再送入炉内燃烧。该方法适用于可磨性相近、煤种掺混手段完备、且管理比较到位的情况[4]。

“炉前掺混、炉内混烧”方式下，不同煤种的煤粉在进入炉膛前已经完全混合，送入每个燃烧器的煤粉成分相同。大量文献表明，该方式有利于煤粉的着火和燃烧的稳定；但当参与混煤的单煤燃烧特性差异较大时，容易出现混煤的“抢风”现象，特别是当煤种的可磨性差异较大时，即使掺混均匀，也难以保证煤粉细度的均匀性，从而导致灰渣可燃物偏高。

对直吹式制粉系统的锅炉，“分磨制粉、炉内掺烧”方式就是不同磨煤机磨制不同种类的原煤，煤粉经各磨煤机一次风管被直接送入炉内进行掺烧。该方法适用于混煤手段欠缺的火电厂，尤其适用于燃烧特性差异较大或可磨性差异较大的煤种掺烧。

综上所述，“炉前掺混、炉内混烧”适用于不同煤种燃烧特性差别较小的情况，且该方式需要较大的配煤设备和场地，投资和运行维护费用也较大；而“分磨制粉、炉内掺烧”方式灵活，设备简单，目前已成为研究的热点。对于贵溪电厂2号锅炉而言，结合电厂实际储煤状况及煤场配煤现状，在热态试验的混煤掺烧方案中选择“分磨制粉、炉内掺烧”方式。

3.2 现场混煤方案的选择

针对贵溪电厂2号锅炉，制定了5个混煤比例，主要考虑了以下因素：(1)结合电厂近期实际储煤状况，本次试验以澳洲煤、甘肃华亭煤和江西飞燃煤进行掺混；(2)出于运行习惯，每台磨煤机的给煤量相差不大，本次试验中，默认每台磨煤机给煤量一致，如混配比例为澳洲煤∶甘肃华亭煤∶江西飞燃煤=2∶2∶2的混煤，表明2台磨煤机上甘肃华亭煤，2台磨煤机上澳洲煤，2台磨煤机上江西飞燃煤；(3)从稳燃和炉渣可燃物含量考虑，最下层A磨煤机应上优质煤，即只上澳洲煤或甘肃华亭煤；(4)从锅炉带负荷能力考虑，不同混煤比例下，必须确保6台磨煤机能带640 MW负荷、5台磨煤机带550 MW负荷、4台磨煤机带450 MW负荷等。

选取3个代表性负荷点(640 MW、550 MW、450 MW)，在同一负荷点下，分别采用不同的混煤掺烧方案对锅炉热效率进行测试。为确保试验结果的代表性，在每个混煤方案下又进行了变氧量试验，以确定该混煤方案下的最佳氧量，进而确定不同负荷下的最佳混煤掺烧方案。现场混煤掺烧试验方案见表7。

表7 现场混煤掺烧试验方案

表7(续)

3.3 混煤掺烧结果分析

不同混煤掺烧方式的经济性差异分析见图1～图6。

在640 MW负荷下，由图1、图2可知：上煤方式改变，飞灰含碳质量分数最低2.42%，最高5.63%，两者相差3.21%；炉渣含碳质量分数最低3.05%，最高5.26%，两者相差2.21%；锅炉热效率最低92.32%，最高93.79%，两者相差1.47%。各种上煤方式下，推荐采用A、B磨煤机华亭煤；C、E磨煤机飞燃煤；D、F磨煤机澳洲煤上煤方式，推荐省煤器出口表盘氧量平均值控制在2.8%。

图1 640 MW负荷混煤工况飞灰、炉渣含碳质量分数

图2 640 MW负荷混煤工况锅炉热效率

在550 MW负荷下，由图3、图4可知：上煤方式改变，飞灰含碳质量分数最低2.87%，最高6.48%，两者相差3.61%；炉渣含碳质量分数最低2.86%，最高5.28%，两者相差2.42%；锅炉热效率最低92.52%，最高93.76%，两者相差1.24%。各种上煤方式下，推荐采用A磨煤机甘肃华亭煤；C、E磨煤机江西飞燃煤；B、D磨煤机澳洲煤上煤方式，推荐省煤器出口表盘氧量平均值控制在3.0%。

图3 550 MW负荷混煤工况飞灰、炉渣含碳质量分数

图4 550 MW负荷混煤工况锅炉热效率

在450 MW负荷下，由图5、图6可知：上煤方式改变，飞灰含碳质量分数最低2.76%，最高6.58%，两者相差3.82%;炉渣含碳质量分数最低2.86%，最高6.78%，两者相差3.92%；锅炉热效率最低91.32%，最高93.06%，两者相差1.74%。在450 MW负荷下，一台磨煤机燃用飞燃煤时推荐采用A磨煤机甘肃华亭煤，C磨煤机江西飞燃煤，B、D磨煤机澳洲煤上煤方式；2台磨煤机燃用飞燃煤时推荐采用A磨煤机甘肃华亭煤，C、D磨煤机江西飞燃煤，B磨煤机澳洲煤上煤方式。

图5 450 MW负荷混煤工况飞灰、炉渣含碳质量分数

图6 450 MW负荷混煤工况锅炉热效率

4 结语

(1) 混煤掺烧试验结果表明：2号锅炉在试验掺烧方案下，机组能满足带负荷要求，锅炉主汽压力和温度、再热蒸汽压力和温度、主汽流量、受热面壁温等均能控制在正常范围内。

(2) 采用理论研究和现场试验相结合的方法，对贵溪电厂2号锅炉开展混煤掺烧试验研究，所提出的相关结论及建议已添加到该厂“混煤掺烧管理办法”中。

(3) 技术改造后未发生燃烧器烧损、炉膛严重结渣等问题，机组安全性得到显著提高。

(4) 在相同负荷、相同混煤比例下，上煤方式的改变可使2号机组在640 MW负荷下锅炉热效率提高1.47%左右，在550 MW负荷下锅炉热效率提高1.24%左右，在450 MW负荷下锅炉热效率提高1.74%左右。所以选择合理的上煤方式，也能提高机组经济性。

[1] 楼波，王小聪. 生活污泥与煤混烧的热重试验研究[J]. 热能动力工程, 2011, 26(1): 114-116.

[2] 沈炳耘，荀华，韩建春. 洗中煤和煤矸石的混合燃烧特性分析[J]. 热能动力工程, 2011, 26(5): 571-575.

[3] 鲜晓红，杜云贵，张光辉. TG-DTG/DTA研究混煤的燃烧特性[J]. 煤炭转化, 2011, 34(3): 67-70.

[4] 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.

Experimental Study on Blended Coal Combustion of Large Power Plant Boilers

Liu Fasheng1, Tan Zixing1, Gui Liangming1, Ao Guanghui2, Cheng Wenfeng3, Shu Kaitai3, Chen Linguo1

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Corporation Research Institute, Nanchang 330096, China;2. Guixi Power Generation Co., Ltd., Guixi 335400, Jiangxi Province, China;3. CPI Jiangxi Electric Power Co., Ltd., Nanchang 330006, China)

To solve the problems occurring in a 640 MW boiler caused by burning non-designed coal for a long period that had led to great impact on the safe and economical operation of the boiler, elemental analysis, thermo-gravimetric analysis and classification were made for various kinds of coal commonly-used in the power plant, after which the coal types to be involved in the research on blended coal combustion were determined. With three characteristic load points selected and through conducting hot tests with coal mixtures in different blending proportions under different feeding modes, an optimal blended coal combustion scheme and coal feeding mode were obtained for the boiler, thus effectively enhancing the safety and economic efficiency of the boiler unit.

boiler; blended coal combustion; thermo-gravimetric analysis; combustion behavior

2014-11-12

刘发圣(1983—)，男，高级工程师，主要从事煤的清洁燃烧、电站锅炉的优化运行试验及调试工作。

E-mail: shengfaliu@163.com

TK227.1

A

1671-086X(2015)04-0248-04