660 MW超临界塔式炉燃用高钠褐煤实践研究

于鹏峰，黄伟，李文军，杨剑锋，宋清泉

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.神华国能哈密电厂，新疆哈密839000)

660 MW超临界塔式炉燃用高钠褐煤实践研究

于鹏峰1，黄伟1，李文军1，杨剑锋1，宋清泉2

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.神华国能哈密电厂，新疆哈密839000)

对新疆哈密大南湖矿区两种高钠褐煤进行了结渣特性分析，介绍了哈密某电厂塔式锅炉针对哈密高钠褐煤采取的设计措施、调试及运行中发现的问题以及采取的预防及处理措施，并对燃用高钠煤锅炉设计及运行提出了建议，结合机组调试及燃烧优化试验实践证明采取科学措施后燃用该地区高钠煤可实现大比例掺烧。

塔式锅炉；高钠煤；结渣

近年来，随着 “西电东送” 项目的落实，新疆准东地区及哈密地区作为已探明的新疆乃至全国最大煤炭基地，已在逐渐地扩大开发，一批大容量、高参数燃煤发电机组正在陆续建成。该地区煤质着火温度低、燃尽率高、燃烧经济性高、且污染物排放低等优点，特别符合我国节能减排的目标〔1〕。但这两个地区煤灰中碱金属 (钙、钠、钾)含量较高，具有严重的结渣、沾污特性。运行结果显示高比例燃用高碱煤后许多电厂锅炉都发生了严重的结渣、沾污，威胁到锅炉机组的安全和经济运行。随着新疆地区大量新建机组的投产，如不解决高碱煤锅炉燃用问题，未来大量机组投产后将面临严重的运行安全问题。

某集团哈密电厂4×660 MW工程锅炉为上海锅炉厂针对哈密地区高碱煤设计生产的首批2 236 t/h超临界参数变压运行螺旋管圈直流塔式锅炉，4台机组于2015年7月全部投产，这4台锅炉调试及运行中总结的经验将对后期燃用高碱煤锅炉的设计及运行具有重要的意义。

1 设备概况及燃用煤质

某电厂4×660 MW工程锅炉为上海锅炉厂生产的2 236 t/h超临界参数变压运行螺旋管圈直流锅炉，单炉膛塔式布置、四角对称正反切向燃烧、摆动喷嘴调温、一次再热〔2〕，平衡通风，全钢架悬吊结构，固态排渣，同步安装脱硫、脱硝装置。

该电厂主要燃用哈密大南湖矿区一、二矿煤，该矿区已经揭露的上层煤质资料显示，各煤层具有高内在水分 (Mad=10.78%～11.92%)，特低-低灰分 (Ad=9.49%～11.95%)，高挥发分 (Vdaf= 39.7%～41.88%)，低-中-高发热量Qgr.d=(10.11～22.95～28.97 MJ/kg)，特低-高氯 (Cld=0.02%～0.53%)，较低煤灰软化温度 (ST=1 150～1 226℃)，难-易磨 (HGI=49.64～156)，氧化钠、二氧化硅及三氧化二铝含量分布宽特点 (Na2O为2%～11%，SiO2为 20.12%～50.12%，Al2O3为5.01～26.31%)。与新疆准东地区平均煤质比较，哈密地区煤热值低30%、灰分较高，灰分中Na2O，MgO，CaO等碱金属含量水平相当，因此折算成单位热值，单位质量煤的碱金属较准东地区高得多。反映在灰熔点上，哈密煤比准东煤低100℃以上，具有更强的沾污、结焦特性。同时大南湖矿区煤中SiO2，Al2O3含量比新疆其他地区 (如准东地区)高，这是大南湖矿区煤的主要特点之一。表1为该电厂主要燃用的煤质。

表1 大南湖一、二矿煤质分析结果

2 煤质结渣特性分析

煤质特性对结渣的影响主要体现在燃用煤种的熔融特性温度 (DT/ST/FT)以及灰的熔化特性及其与成分的关系上。为判断不同煤种在燃烧时的结渣性能，国内外学者提出了许多判别方法，大致可以分为3个方面，即根据煤灰物理特性、煤灰的成分特性进行评判以及炉内结渣的综合评判。煤灰的物理特性包括煤灰的熔点温度、灰渣粘度、烧结温度、渣形特征等〔3〕。常用的结渣判别方法列举见表2，大南湖一、二矿煤各种计算结果见表3。

表2 煤灰成分结渣倾向性判别指标

表3 大南湖一、二矿煤结渣计算结果

表2中各公式的计算方法如下:

式中

从以上各种结渣指数判别方法看，二矿煤属于严重结渣煤质，一矿煤介于中等结渣与严重结渣之间。无论是在炉膛选型、燃烧器设计，还是在受热面的布置方面都应当给予高度重视。

3 针对高钠煤的设计措施

针对上述燃煤特征，锅炉厂在设计阶段从以下几个方面对锅炉的选型及相关参数的选取进行了优化。

3.1 炉型的选择

煤粉锅炉主要分为π型炉及塔式炉两种，塔式炉主要有以下优点: (1)相同条件下较低的屏底烟温和较小的炉膛出口截面烟温偏差； (2)受热面水平布置，无水平烟道，无折焰角，不易堆灰，有利于受热面吹灰器的布置，无吹灰死角；(3)烟气流速向上，灰粒子受重力作用，部分粘聚的大颗粒可通过重力作用回落至炉膛； (4)与π型布置相比，选用塔式锅炉，更易于尾部受热面布置和蒸汽侧参数匹配，从而大幅度降低结渣、沾污、积灰趋势。基于以上优点，塔式炉更适用烧高碱煤。

3.2 炉膛参数的选取

通过增加炉膛高度来增加炉膛容积，以降低容积热负荷来缓解结渣情况 (塔式布置)。其炉膛高度比同级别的锅炉高10 m以上。

根据 《火力发电厂大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》 (DL/T 831—2002)，切圆燃烧锅炉燃用褐煤其炉膛特性参数推荐上限值:炉膛容积热负荷为68～80 kW/m3；炉膛断面热负荷为4.0～5.0 mW/m2；燃烧器区域热负荷为1.0～1.6 mW/m2；燃尽高度为22～26 m。

表4为哈密地区两种炉型炉膛设计参数对比。从表中看出该塔式炉设计参数均优于π型炉及选型导则要求。

3.3 燃烧器及吹灰器布置

1)燃烧器采用同心正反对冲切向燃烧技术，一次风对冲，通过二次风开度来调整切圆大小，可有效防止煤粉气流冲刷水冷壁。将高温、贫氧、富煤粉的燃烧过程控制在炉膛中心进行，而在水冷壁区域创造低温、富氧、贫煤粉的区域。

2)燃烧器布置采用垂直方向分段布置方案，ABC层与DEF层燃烧器分组布置，拉开间距、降低燃烧器区域热负荷，不仅降低 NOx的生成率，而且可以实现低温燃烧，有效防止结渣。

3)设计8套炉膛水力吹灰器，当炉膛结渣时使用水力吹灰进行除焦。

表4 两种炉型炉膛设计参数对比

4 调试及运行中发生的问题

1)调试及投产初期，在400 MW以下负荷可全燃二矿煤，锅炉的各项主要参数基本正常，锅炉无严重结焦。高负荷下当二矿煤掺烧比例超过50%时，渣量较大，后期调整一二次风比例、优化配风提高吹灰频率后高负荷下掺烧二矿煤比例可达75%。

2)一级过热器区域沾污较快，主要集中在迎风面。图1为从一级过热器取下来的渣样及炉内实际沾污情况。

图1 一级过热器结渣情况

3)干除渣系统排渣不畅。高负荷高比例掺烧二矿煤后，当出现较大渣块且渣快较硬时，碎渣机经常发生卡涩，且由于没有设计旁路，导致无法排渣，因此在渣仓上部开孔进行就地排渣，同时挤渣头设计挤压压力为10 MPa。当炉膛掉大焦时，焦块较硬，挤压不动，需人工进行除焦，劳动强度极大。后期利用停炉机会对除渣系统进行了改造，提高了挤渣压力，增设了碎渣机旁路并将碎渣机电机更换为大功率电机，排渣能力得到明显改善。

4)再热汽温波动大。2号锅炉投产最早，运行时间长，一级过热器及三级过热器处形成了稳定结渣层，再热汽温偏高，尤其是长时间未进行一级过热器吹灰时，再热汽温会比过热汽温高10～20℃。4号机组投产最晚，运行时间短，过热器结渣层薄，低负荷下，尤其是低负荷下过热器吹灰完后，再热汽温较过热汽温低10～20℃。

5 优化运行措施

针对锅炉结焦问题，运行、调试、生产、设计等单位进行了一系列调整，主要采取了以下措施:

5.1 燃烧调整措施

保持适当氧量，合理配风，控制风箱/炉膛差压:根据负荷制定氧量和风箱/炉膛差压控制曲线，根据负荷及磨煤机投运情况制定二次风门开度控制曲线；适当提高风箱差压，增强二次风刚度，减少启旋风 (偏置风)开度，避免一次风刷墙。

调整一次风率、密封风压力:适当减少一次风率，降低一次风风速和刚度。

一次风热态调平:通过调平防止火焰偏斜、炉内热负荷不均。

改变二矿煤掺烧方式:通过试验摸索不同比例、不同磨煤机组合掺烧高钠煤，由原先的分层掺烧改为集中掺烧，即二矿高碱煤放在上层燃烧器(CDE磨组合或BCDE磨组合)集中掺烧，有利于控制炉内结焦〔4〕。

5.2 优化吹灰

采用定期吹灰和重点吹灰相结合的方式。通过观察减温水量、壁温与汽温差、受热面进出口温差进行优化吹灰，通过现场探火孔观察等方式发现结焦时安排进行打焦和局部吹灰，根据水冷壁结焦情况适时投入水冷壁水力除焦装置。

通过以上的调整措施，初步确定了燃烧配风方式、二矿煤掺烧比例、掺烧方式和各受热面吹灰频率，目前二矿煤为比例50%～75%。从锅炉运行情况来看，4台锅炉运行稳定，结焦情况明显改善，炉底掉大焦问题较少发生。锅炉停炉检查，炉膛水冷壁无明显挂着的大焦块，除一级过热器外受热面也无明显沾污现象。

6 对燃用高钠煤的建议

6.1 锅炉设计

解决高钠煤结焦、沾污问题的关键是锅炉设计选型。如果设计选型不当，其它措施无法根本解决问题。选择合适的炉型、燃烧方式、炉膛结构参数和热力参数，燃烧器布置方式尤为重要。主要从降低炉膛容积热负荷、断面热负荷，提高燃烧器间距，延长燃烧器至屏底间距着手，同时针对可能发生的结焦、积灰问题，适当增加吹灰器数量，必要时增设水力吹灰装置可起到缓解作用。

6.2 辅助设备

目前燃用高钠煤锅炉比较突出的问题是炉内一旦结渣渣量较大，结渣时间长时渣块硬度大。必须保证干除渣系统出力，保证排渣顺畅，建议采取以下措施:增大渣斗格栅间距；增大挤渣门、碎渣机出力；干除渣设计成二级除渣 (碎渣机+旁路)；在渣井处设计喷水系统。

6.3 进行燃烧优化调整试验

优化运行氧量和SOFA开度，保持炉内适当的过量空气系数，保证不缺氧的同时降低火焰中心。

进行一次风调整及调平，防止火焰偏斜，炉内热负荷不均。

优化煤粉细度和磨出口一次风温，控制煤粉着火与燃尽。

优化不同负荷下磨煤机的组合方式，通过试验确定掺烧的比例和方式。

优化燃烧器摆角，避免火焰中心过分上移。

优化配风方式，防止水冷壁贴壁处缺氧燃烧。

燃烧稳定前提下降低炉膛温度。

运行中加强对结焦、积灰情况的监视。

针对锅炉不同设计情况，通过优化吹灰使受热面保持合理结渣厚度。

建议增加红外测温、炉内成像观测装置，利用先进的监视手段，对受热面结焦、沾污情况进行定期监测，定向清焦，发现问题及时采取调整和处理措施。

〔1〕王彦林，郭前鑫，翟文东.燃用哈密高钠高氯煤的超临界锅炉设计和运行 〔J〕.中国电力，2014，47(4):60-64.

〔2〕上海锅炉厂有限公司.锅炉设计说明书 〔S〕.2014.

〔3〕艾静，秦裕琨，朱群益，等.国内外煤灰结渣判别指数的探讨 〔J〕.电站系统工程，1994.10(2):1-4.

〔4〕西安热工研究院有限公司.神华国能哈密电厂2号锅炉配煤掺烧试验报告 〔R〕.2015.

〔5〕湖南省湘电试验研究院有限公司.神华国能哈密电厂1、2号锅炉整套启动调试报告〔R〕.2015.

Practice and research of high sodium lignite combustion characteristics in 660 MW subcritical pressure updraft boiler

YU Pengfeng1，HUANG Wei1，LI Wenjun1，YANG Jiangfeng1，SONG Qingquan2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Electric Power Research Institute，Changsha 410007，China；2.Shenhua Guoneng Hami Power Plant，Hami 839000，China)

This paper analyzes the slag characteristics of high sodium lignite of south lake mine in Hami of Xinjiang Province，introduces the design measures，commissioning and operation situation of the tower boiler of Hami power plant，and puts forward some suggestions on the design and operation of high sodium coal boiler.The practice has proved that it can realize the large proportion of co-comubustion with high sodium coal in the region after the scientific measures are taken.

updraft boiler；high sodium lignite；slag

TM227.1

B

1008-0198(2016)04-0066-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.017

2015-11-20