660 MW 超临界压力锅炉混煤掺烧燃烧经济性分析

2020-01-08孙培波

山东电力技术 2019年12期

孙培波

（中国能源建设集团华北电力试验研究院有限公司，天津 300162）

0 引言

煤质特性与锅炉设备的适应性，对机组安全、经济、环保运行至关重要。现阶段，为了适应煤炭市场的变化，拓宽煤炭供应渠道，降低发电企业成本，提升发电企业经济效益，大多数火电厂都在研究使用配煤掺烧技术。但这一技术较为复杂，掺配的煤种以及比例都会对混煤燃烧特性产生较大的影响，从而影响机组的安全性和经济性。因此，无论从机组安全的角度还是机组经济性方面考虑，对锅炉混煤掺烧技术进行研究都是十分必要的［1］。

选择某电厂作为研究对象，对其机组设备以及燃煤特性进行分析，通过相应的试验方法分析印度本地劣质烟煤、澳洲煤、南非煤和印尼煤的混煤掺烧情况，研究在不同掺烧比例对机组经济性所产生的影响。

1 设备概况

某电厂2×660 MW 锅炉型号为HG-2000／25.9-YM 超临界锅炉。该锅炉为变压运行、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架悬吊结构、露天布置的п 型超临界锅炉，采用不带再循环泵的大气扩容式启动系统，采用四角切圆燃烧方式，低NOx燃烧器，32 支燃烧器分8 层布置。采用中速磨直吹式制粉系统，配8 台ZGM133N-II 型中速磨煤机。在BMCR 工况下，6 台运行2 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

表3 为该电厂所用设计煤（印度本地劣质烟煤）、南非煤、印尼煤、澳洲煤的工业分析、元素分析、可磨性及灰熔融温度和灰成分分析数据。混煤掺烧时，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［2］。

对该电厂所用的煤质进行常规分析，可得到各煤种煤质特性初步评价如表4 所示。

通过表4 可知，与锅炉设计煤种（印度本地煤）相比，印尼煤主要有以下几个特点：全水分较高，影响磨煤机干燥出力；挥发分较高，燃煤具有较强的自燃和爆炸倾向，对制粉系统和燃烧系统的安全有较大影响；灰熔点较设计煤略高。南非煤主要有以下几个特点：全水分低、灰分低；哈氏可磨系数较低，对磨煤机制粉出力有较大的影响；灰熔点较设计煤高，灰成分中的CaO 和Fe2O3含量低。澳洲煤主要有以下几个特点：全水分较低、灰分低；灰熔点高，灰成分中的CaO 和Fe2O3含量低。

2.2 入炉煤燃烧特性评价

煤粉燃烧特性评价指标有很多，如：动力学三因子［3］、稳燃指数R［4］、燃尽特性指数［5］、傅张指数、综合燃烧特征指标［6］等，但大多指标在对现场混煤掺烧指导的直接性、有效性方面略显不足。将影响煤粉燃烧特性的因素分解为2 个指标讨论：着火温度和燃尽温度。前者评价煤粉着火燃烧的安全性和稳定性，后者评价煤粉燃烧的经济性［7］。

4 种煤样的着火温度和燃尽温度如表5 所示。

从表5 可见：从着火特性看，印尼煤的着火特性最好（着火温度353.6 ℃），设计煤（印度本地煤）、澳洲煤的着火特性较好（着火温度介于410～430 ℃），南非煤的着火特性相对较差（着火温度440.1 ℃）；从燃尽特性看，设计煤、印尼煤、澳洲煤的燃尽特性较好（燃尽温度介于618～651 ℃），南非煤的燃尽特性相对较差（燃尽温度685.5 ℃）。

3 混煤掺烧研究

不同煤种的混烧会影响煤粉气流燃烧稳定性以及燃尽情况，同时也会对锅炉受热面温度分布、结渣积灰以及烟气污染物的排放等指标造成直接影响，因此研究混煤掺烧着火过程具有非常重要的意义。其中入炉煤中的挥发分、水分和灰分对燃料的燃烧会产生较大的影响。挥发分越低，煤粉越不易点燃，当进入炉膛后需要更多的热量使煤粉加热到着火温度，着火时间相对延迟，着火点距离燃烧器喷口较远。挥发分越高，煤粉着火则较容易，但是要注意不要过早着火，否则会造成燃烧器结渣或者烧损。水分大的煤，着火需要的热量较多，同时水分的蒸发吸热还会使炉内的烟温降低，对着火和燃尽会产生不利的影响。灰分含量多的煤，着火的速度相对较慢，同时在燃烧的时候灰壳对焦炭核的燃尽也起到一定的阻碍作用。

表3 印度纳佳电厂燃煤煤质常规分析数据

表4 煤质特性初步评价

表5 4 种煤样着火温度和燃尽温度 ℃

一般情况下，在燃烧混煤时，混烧后的燃尽指数更倾向于单个煤种中燃尽指数较低的那种煤，其着火特性更趋向于易着火的单煤。但是，当掺烧的煤种存在较大的性能差异时，容易出现明显的抢风现象，使得不易着火的煤种因缺氧而燃烧不充分，导致这种工况下的混煤燃尽特性要比各煤种单烧时的燃尽性能相差较大。因此，混煤掺烧过程中，需要对混煤掺烧进行试验研究，全面分析各掺配煤种的燃尽特性，根据入炉煤的特性，做出相应的调整，从而提高燃煤的燃烧经济性。

4 混煤掺烧现场试验及掺烧经济性分析

从印度本地煤、印尼煤、南非煤、澳洲煤的着火、燃尽指标来看，这4 种煤的着火、燃尽性能相差不大，因此，燃烧经济性成为掺烧的制约因素。

4.1 混煤掺烧现场试验

负荷为660 MW 工况下，退出AGC 和一次调频；保持运行磨煤机相同、运行氧量相同、配风方式相同；试验采用“分磨掺烧”方式，以印度本地煤为设计煤种，分别在印尼煤、南非煤、澳洲煤掺烧比例0%、20%、40%、60%下与设计煤种进行分磨掺烧试验（具体配煤方案见表6—表8），对不同煤种、不同掺烧比例下的锅炉热效率进行测量、计算；同时，为了便于全面比较各掺烧方案的经济性，进行了南非煤、澳洲煤掺烧试验，南非煤、澳洲煤、印尼煤掺烧试验（配煤方案见表9）。

锅炉热效率计算标准采用ASME PTC4.0—2013《锅炉机组性能试验规程》，以燃料高位热值为计算基准。

表6 660 MW 掺烧印尼煤锅炉效率比较（基于燃料高位发热量计算）

4.2 混煤掺烧结果分析

在机组负荷660 MW 工况时，基于煤质高位热值计算基准下，对掺烧不同比例的印尼煤、南非煤、澳洲煤的锅炉热效率进行了计算、分析，具体见表6—表8。

由表6 可见，随着印尼煤掺烧比例加大，锅炉排烟温度逐渐升高，飞灰可燃物也逐渐增大。这主要是因为印尼煤水分、挥发分较高，为了保证磨煤机出力且防止煤粉在磨煤机内爆燃，使得磨煤机冷风通风量增加，经由空预器的总风量减少，与烟气的换热量降低。同时，磨煤机出口温度随着印尼煤的增多而逐渐降低，温度低的煤粉进入炉膛后造成燃烧延迟，最终导致锅炉排烟温度及飞灰可燃物的升高。同时，由于印尼煤水分及氢元素较高，以燃料高位发热量为锅炉热效率计算基准下，燃料中的水分损失及氢燃烧热损失随着印尼煤掺混的比例的增大而逐渐增大。以上因素导致锅炉整体热效率随着印尼煤的掺混而逐渐降低，印尼煤掺混比例每增加20%，锅炉热效率约降低0.7%。

由表7 可见，南非煤水分及燃料中氢元素含量不高，燃料中的水分损失及氢燃烧热损失相对不大；南非煤热值较高，挥发分相对较低，燃尽性能相对较差，飞灰可燃物、排烟温度随着南非煤混入比例的增加而逐渐升高；但是，南非煤热值远大于设计煤种，干烟气热损失、未燃尽碳热损失反而随着南非煤掺混比例的增加而逐渐降低；南非煤掺混比例每增加20%，锅炉热效率增加0.5%～0.7%。

由表8 可见，澳洲煤水分含量不高，燃料中的水分热损失不大；澳洲煤热值、挥发分较高，灰分较小，着火及燃尽性能较好，随着澳洲煤掺混比例的增加，锅炉排烟温度及飞灰可燃物逐渐降低；澳洲煤掺混比例每增加20%，锅炉热效率增加0.8%～1.2%，锅炉效率提升较明显。

由表9 可见，南非煤、澳洲煤两种煤掺烧时，锅炉效率较高，达到89.58%；当印尼煤掺入时，排烟温度升高1～1.5 ℃，飞灰可燃物降低0.72%，锅炉效率降低0.72%，锅炉效率降低幅度同设计煤种与印尼煤掺烧时锅炉效率降低幅度基本一致。在排烟温度略有上升，飞灰可燃物一定程度下降的情况下，锅炉效率降低幅度较大的原因主要是基于燃料高位发热量计算锅炉热效率时，燃料中水分热损失及氢燃烧热损失占比较大，而印尼煤水分及氢元素含量较大，导致基于燃料高位发热量计算锅炉热效率时，锅炉热效率随着印尼煤的掺配而大幅度较低。不同掺烧工况下锅炉效率比较如图1 所示。