锅炉混煤燃烧配比优化

芦海庆

（宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司，宁夏青铜峡751607）

锅炉混煤燃烧配比优化

芦海庆

（宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司，宁夏青铜峡751607）

针对电厂实际燃煤大多不再采用单一设计煤种，逐渐采用混煤掺烧解决煤炭资源及煤炭价格带来的局限性，采用合理的配煤满足锅炉燃烧需要。根据不同动力煤的掺混方式及不同掺混比例，对混煤的燃烧特性进行了热重实验及一维沉降炉实验研究。根据实验室数据结果，提出了锅炉混煤燃烧现场掺配的方案，并确定出了最佳的掺配比例。混煤掺烧比例的确定依据均来源于实验数据，并已得到现场实践的检验，达到了预期的效果。

混煤；燃烧特性；结焦特性；配比优化

0 引言

发电厂设计煤源不足，燃煤质量下降，煤的来源复杂，入厂煤各项指标与设计值差异较大。若直接入炉燃烧，将给机组的正常运行造成严重的影响，出现诸如燃烧器喷口烧坏，炉内结焦严重等问题，轻则导致机组能力下降，影响机组的运行经济性，重则导致停炉停机。在实验室条件下，对原煤和不同配比得到的混煤进行煤质特性分析、灰熔点测定等，研究不同的混配方法对混煤组成成分和性质的影响。对于不同的煤质，能针对特定锅炉的设计煤种提出与之相对应的合适的动力配煤方法，并对燃用混煤的电站锅炉及其燃烧器的设计、运行及改造提出指导性意见。

宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司2×600MW机组锅炉为东方锅炉（集团）股份有限公司设计制造的亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架悬吊结构、紧身封闭的∏型汽包炉。锅炉设计煤种为灵武羊场湾矿烟煤。采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，前后墙上各布置3层，每层5只旋流式轴向低NOx煤粉燃烧器和相应的油点火器。在燃烧器上方布置1层燃烬风，前后墙各5只。

制粉系统配6台HPS型磨煤机，每台磨带1排燃烧器。在额定负荷时5台磨运行，1台备用。煤粉细度通过各台磨出口所对应的旋转分离器进行调节。

实际运行中，存在设计煤种和校核煤种的煤灰软化温度较低，而有些实际燃用煤的灰熔点则低于1 100℃。高负荷运行时，炉膛温高，煤灰粒呈熔融状态，当负荷降低后，炉膛温度下降，附着在受热面上的焦块收缩脱落，造成锅炉掉大焦。虽然通过技术人员的调整已经有效地缓解了炉膛结焦，但是单纯依靠燃烧调整不能从根本上解决这个问题，因此采用混煤掺烧技术来缓解该电厂锅炉受热面严重的结焦趋势，并且通过掺配降低燃料成本。

1 混煤优化目标的选取

配煤优化问题是典型的多目标决策问题，各目标之间往往相互冲突，各变量之间很难进行客观的评价。根据电厂实际情况，选择挥发分、低位发热量、着火温度、燃烬温度、燃烧特性指数作为研究目标。

1.1 标煤单价

随着“厂网分开，竞价上网”政策的出台，电力企业的生产成本压力越来越大。由于我国煤炭资源分布不均，煤价上涨和运输压力的增大，电厂不得不在保证锅炉机组安全运行的情况下，尽可能降低发电成本。

宁夏燃煤发电厂采购市场煤按照地域划分为银南煤、银北煤，2013全年采购银北煤195万t，银北煤价格为256.5元/t，银南煤价格为302.4元/t，银北煤到厂价格降低了45.9元/t（折算标煤单价71.4元/t），影响全年标煤单价降低15.88元/t。因市场煤炭行情变化，2013年入厂标煤单价较2012年降低110.36元/t，在此降价中仅通过掺烧银北煤影响了标煤总价降低的14.39%，可见掺配银北煤有效地提高了企业的盈利能力。

1.2 结焦状况

电站锅炉结焦一旦形成，渣块就会越积越厚，破坏炉内工况，使炉内燃烧恶化。由于灰渣导热系数低热阻大，使炉内吸热降低，严重影响锅炉出力，从而破坏炉内总体热平衡过程。结焦还会使排烟温度升高，降低锅炉效率。锅炉结焦直接影响着锅炉运行的安全性、经济性和可靠性。采用软化温度（t2）作为评断结焦强弱的指标。

1.3 低位发热量

发热量决定满足锅炉负荷所需要的入煤量，是设计锅炉的一个重要参数，也是燃烧好坏的一个重要标志。煤的发热量与其燃烧特性没有定量的关系，相同发热量的两种煤可能在燃烧特性方面差异很大。如果燃烧用的发热量比原设计选煤低，理论燃烧温度必然下降，炉内温度水平降低，将引起燃烧不稳定，影响锅炉热效率。发热量直接影响到锅炉燃烧安全和磨煤机的出力安全，而低位发热量是影响锅炉燃烧状况的最直接的因素。

1.4 干燥无灰基挥发分

混煤挥发分含量是锅炉运行最重要的煤质参数之一，其含量的变化显著地影响炉内的燃烧过程。通常，锅炉燃烧设计是根据挥发分、煤的发热量等确定火焰的温度和火焰的稳定性。在低挥发分煤掺烧高挥发分煤时，会因挥发分的增加而提高火焰稳定性，强化着火和燃烧；相反，如果在高挥发分煤中掺烧较多的低挥发分煤而导致挥发分显著降低时，则可能出现燃烧稳定性问题。

2 混煤掺配方案分析

根据实验研究所得数据，包括煤质特性参数、热重实验及沉降炉实验数据，对宁夏地区银南（羊肠湾二矿煤、枣泉煤、灵新煤、内蒙新井矿煤）、银北（乌海市场煤）典型煤种进行掺配优化分析，确定出最佳的掺混比例，其具体掺配方式如表1所示。

表1 混煤的掺配方式

2.1 新井煤与乌海煤掺烧

新井煤与乌海煤掺烧在实验室所得的主要数据如表2所示。从表2中可以看出，当新井煤与乌海煤掺混时，混煤的燃烧特性随配比的变化并不大。因此，在保证混煤正常燃烧的情况下，需要注重考虑混煤的发热量与煤灰的结焦要求。可以看出，随着乌海煤掺混比例的增加，混煤的煤灰软化温度逐渐升高，越来越不容易结焦；而混煤的低位发热量却呈现出逐渐降低的趋势，可能会导致锅炉的出力不足。当混煤的煤灰软化温度大于1 390℃时，结焦程度为轻微，同时考虑到发热量对锅炉出力的影响，建议使用新井煤与乌海煤的掺混比例为1∶1的混煤。

表2 新井煤与乌海煤掺混实验数据

渗混比例挥发分Vdaf/%低位发热量Qnet,ar/（MJ·kg-1）着火温度/℃燃烬温度/℃煤灰软化温度t2/℃燃烧特性指数S/1091∶236.3320.12470.5610.81 4707.14 1∶538.3919.52470.5607.81 4957.06 0∶140.0018.78469.3605.5＞1 5006.87

2.2 枣泉煤与乌海煤掺烧

枣泉煤与乌海煤掺烧在实验室所得的主要数据如表3所示。从表3中可以看出，混煤的燃烧特性指数随着乌海煤掺混比例的增加逐渐降低，因此需要考虑配比对混煤燃烧性能的影响。混煤的低位发热量之间的差别不是很大，所以，当枣泉煤与乌海煤掺混时，需要同时考虑混煤的燃烧特性和煤灰的结焦情况。可以看出，随着乌海煤的掺混比例的增加，混煤的煤灰软化温度逐渐升高，越来越不容易结焦；而混煤的燃烧性能却呈现出逐渐降低的趋势。当煤灰的软化温度大于1 390℃时，结焦程度为轻微，同时考虑到乌海煤掺混比例对混煤燃烧特性的影响，建议使用枣泉煤与乌海煤的掺混比例为1∶1的混煤。

表3 枣泉煤与乌海煤掺混实验数据

2.3 灵新煤与乌海煤掺烧

灵新煤与乌海煤掺烧在实验室所得的主要数据如表4所示。从表4中可以看出，随着乌海煤掺混比例的增加，混煤的着火温度与燃烬温度逐渐升高，综合燃烧特性指数大幅下降。因此，可见乌海煤的添加对混煤的燃烧性能有着非常大的影响。灵新煤与乌海煤的低位发热量相差不大，两者掺混而成的混煤的低位发热量之间的差别也很小，可以不必考虑。混煤的煤灰软化温度随着乌海煤的掺混而大幅提高。所以，当灵新煤与乌海煤掺烧时，必须同时考虑乌海煤的掺混对燃烧性能与结焦情况的影响。当煤灰的软化温度大于1 390℃时，结焦程度为轻微，同时考虑到乌海煤的掺混比例对混煤燃烧特性的影响，建议使用灵新煤与乌海煤的掺混比例为5∶1的混煤。

表4 灵新煤与乌海煤掺混实验数据

2.4 羊肠湾二矿煤与乌海煤掺烧

羊肠湾二矿煤与乌海煤掺烧在实验室所得的主要数据如表5所示。从表5中可以看出，随着乌海煤掺混比例的增加，混煤的着火温度与燃烬温度逐渐升高，综合燃烧特性指数大幅下降。因此，可见乌海煤的添加对混煤的燃烧性能有非常大的影响。羊肠湾二矿煤与乌海煤的低位发热量相差不大，两者掺混而成的混煤的低位发热量之间的差别也很小，可以不考虑。还可看出，随着乌海煤掺混比例的增加，混煤的煤灰软化温度就会得到明显的提高。所以，当羊肠湾二矿煤与乌海煤掺烧时，必须同时考虑乌海煤的掺混对燃烧性能与结焦情况的影响。当煤灰的软化温度大于1390℃时，结焦程度为轻微，同时考虑到乌海煤的掺混比例对混煤燃烧特性的影响，建议使用羊肠湾二矿煤与乌海煤的掺混比例为2∶1的混煤。

表5 羊肠湾二矿煤与乌海煤掺混实验数据

2.5 灵新煤与新井煤掺烧

灵新煤与新井煤掺烧在实验室所得的主要数据如表6所示。从表6中可以看出，随着新井煤掺混比例的增加，混煤的着火温度与燃烬温度逐渐升高，综合燃烧特性指数大幅下降。灵新煤与新井煤的低位发热量相差较大，因此，当两者掺烧时必须考虑锅炉对燃料发热量的要求。从表6中可以明显看到，易结焦的灵新煤与新井煤掺混后，混煤的煤灰软化温度均低于1260℃。当煤灰的软化温度低于1260℃时，其结焦程度为严重。因此，为了保证锅炉的安全运行，不建议使用灵新煤与新井煤进行混烧。

表6 灵新煤与新井煤掺混实验数据

3 混煤掺烧技术实际应用

3.1 混煤的掺混最佳比例

从表7可以看出，锅炉目前的燃烧煤种是属于低灰熔点煤，由前期的实验研究结果可知，在低灰熔点煤中掺混高熔点煤可以明显降低低灰熔点煤燃烧的结焦倾向，所以在结焦严重的锅炉中掺烧高灰熔点的银北煤可以从根源上解决锅炉受热面严重的结焦状况。由于目前的燃用煤种和掺烧煤种的挥发分含量和低位发热量比较接近，因此，在燃用煤中掺配高熔点的银北煤不会对锅炉的燃烧及出力造成太大的影响。通过实验研究发现，当燃用煤种与银北煤的掺混比例为2∶1时，混煤的煤灰软化温度大于1 500℃，属于不易结焦的煤种。所以使用燃用煤种与银北煤的掺混比例为2∶1的混煤。

表7 设计煤种、燃用煤种与预掺烧煤种参数

燃用煤种与银北煤首先在煤场完成掺配，再将掺配好的混煤输送到制粉系统，其间经过碎煤机、煤仓、磨煤机的混合，基本上能够混合均匀，将混煤的比例控制在2∶1左右。这样进入锅炉的煤种便为灰熔点超过1 500℃的难结焦煤种。

3.2 混煤燃烧的结果与分析

混煤着火的稳定性。运行实践表明，混煤在炉膛内的着火稳定性很好，有足够的安全保障。由于掺烧煤种的挥发分含量与原燃用煤种非常接近，混煤燃烧时的着火特性与没掺烧之前也很相似。

结焦特性。由于混煤的结焦特性涉及复杂的化学反应过程，因此只能通过实际分析和现场运行来观察得出结论。由于混煤的煤灰软化温度大于1 500℃，属于不易结焦倾向，在炉内结焦的可能性比较小。实际运行观察表明，混煤在炉内燃烧时，燃烧器附近受热面上的结焦状况得到了明显改善。

过热器、再热器的安全性。运行实践表明，混煤燃烧对锅炉各段受热面的换热量没有明显的影响，基本与原燃用煤种一致。过热与再热汽温均能维持正常，没有出现局部超温、热偏差恶化等问题。各受热面的烟温、排烟温度也没有明显变化。

对制粉系统的影响。由于掺混后煤种可磨性指数小于设计煤种可磨性指数，可磨性低、磨损性增大，因此会影响磨煤机的出力。

对排灰、除渣系统的影响。由于所掺混煤种的灰分含量比较高，掺烧之后锅炉底渣和飞灰的生成量都会增加，造成锅炉排灰、除渣系统设备出力增大。

4 结语

掺配煤并不是单一煤种的简单叠加，由于煤种的组成及特性不同，掺烧时不同煤种煤粒相互影响，只有在实验中根据煤燃烧特性确定合理掺烧比例，且在炉外尽量掺配均匀，科学掺配低热值煤降低发电成本，避免了单一煤炭采购渠道的依赖，在锅炉燃烧中很好的缓解了受热面结焦，这样才能对锅炉等燃烧设备带来良好的安全运行与企业的经济效益。近年来环保指标要求越来越高，掺烧中还需要对不同煤种硫分、灰分等综合考虑，最大限度满足环保排放要求。

［1］默会龙.基于不同掺混方式的混煤燃烧特性研究［D］.长沙：长沙理工大学，2009.

［2］姚强，岑可法，施正伦，等.多煤种配煤特性的试验研究［J］.动力工程，1997，17（2）：1-6.

［3］聂其红.褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究［J］.燃烧科学与技术，2001，7（1）：1-5.

［4］李永华.混煤热重试验研究［J］.锅炉技术.2003，34（1）：1-4.

［5］王永征.山东动力用煤掺混燃烧特性的热分析［J］.山东大学学报（工学版），2006，36（2）：1-7.

Coal Mixing Ratio Optimization for Boiler Combustion

LU Haiqing
（Ningxia Datang International Power Generation Co.Ltd，Qingtongxia 751607，China）

As actual coal-fired power plants no longer adhere to single design coal，coal blending is gradually adopted to deal with the limitations of coal resources.In order to meet the requirements of boiler combustion，it is vital to adopt reasonable coal blending methods.For different power coal blending methods and different blending ratios，combustion characteristics of mixed coal furnace are under research by means of thermogravimetric deposition experiment and one-dimensional experiment. According to the results of laboratory data，the scene blending scheme of blending coals combustion boiler is proposed and the best blending ratio is selected.Coal blending ratio is determined on basis of experimental data and has been verified by field practice.Anticipated effect has been successfully achieved.

mixed coal；combustion characteristics；coking properties；the ratio of optimized

TK16

B

1007－9904（2015）02－0076－05

2014-12-06

芦海庆（1973），男，工程师，主要从事发电厂运行管理工作。