1000MW锅炉掺烧低挥发分煤研究

2022-08-16铜山华润电力有限公司葛强强

电力设备管理 2022年13期

铜山华润电力有限公司葛强强

燃料成本在电厂生产成本的占比最高，而我厂装机容量较大，年度煤炭消耗量巨大。随着煤炭市场价格的不断攀升，低挥发分煤与烟煤价差明显，价格优势越来越大。低挥发分煤不易着火，掺烧后飞灰及炉渣含碳量大幅上升、锅炉效率下降。如何在保障锅炉安全、经济运行的前提下，提高劣质煤的掺烧率这一课题亟待开展。如何合理掺烧低挥发分煤种，保证锅炉燃烧安全和经济性，我们开展了大量研究试验。研究低挥发煤特性，针对其特性制定对应措施，取得了显著成果。

1 低挥发分煤掺烧影响

我厂2×1000MW超超临界机组锅炉采用上海锅炉厂有限公司设计制造的3044t/h超超临界压力直流锅炉，型号为SG-3044/27.46-M535，超超临界参数、直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、切圆燃烧方式塔式锅炉。锅炉采用冷一次风正压直吹式制粉系统，配备6台型号为ZGM133G的中速磨煤机，是一种中速辊盘式磨煤机，其碾磨部分是由转动的磨环和三个沿磨环滚动的固定且可自转的磨辊组成，采用动静组合式旋转分离器，用以调整煤粉细度。额定负荷下设计五用一备，正常运行时为上层磨煤机运行。

煤粉燃烧器为四角布置、切向燃烧，采用低NOx同轴燃烧系统（LNTFS）。锅炉布置12层一次风喷嘴，每台磨煤机引出4根一次风管，在炉前分为两根，分上下喷嘴喷入炉膛；燃烧器分两组布置，每组布置6层一次风喷嘴。在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置有1层燃油辅助风喷嘴。每相邻两层煤粉喷嘴的上方布置了1个组合喷嘴，其中预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS）和直吹风喷嘴各占50%出口流通面积。

锅炉设计煤种为挥发分较高的中等热值烟煤。近一段时间我厂锅炉掺烧贫煤、无烟煤的比例扩大，导致锅炉飞灰含碳量大幅升高，达到7～8%，对机组锅炉效率和发电成本存在较显著的影响。低挥发煤种其煤质参数与锅炉设计用煤偏差较大，大量掺烧低挥发煤质势必影响锅炉安全性、经济性。我厂低挥发分煤种热值与挥发分见表1。

表1 低挥发煤质与锅炉设计用煤对比

煤粉颗粒由挥发分、固定碳、水分和灰分4部分组成，由于挥发分能在较低温度下析出和燃烧，因此挥发分含量越高煤粉越容易着火，也越容易燃尽；反之，挥发分含量约低煤粉越不容易着火，也不容易燃尽[1]。我厂部分低挥发分煤质含硫量较高，长期掺烧后导致锅炉各受热面高温腐蚀情况较为严重；部分低挥发煤质含氮量较高，长期掺烧后导致脱硝系统氮氧化物浓度高，喷氨量大、造成氨逃逸偏高，导致烟气中NH3浓度、SO3的浓度比较高，容易导致空预器硫酸氢铵堵塞。

大量掺烧低挥发煤质导致锅炉飞灰含碳量升高较多，影响锅炉效率和供电煤耗较大。我厂磨组为中速辊式磨，磨煤机设计可磨系数（HGI）65，部分低挥发煤可磨系数低，导致磨组磨组研磨困难，磨煤机出力下降、石子煤量增大，易发生堵磨等情况，对制粉系统设备影响较大。

2 低挥发煤质分析

2.1 开展低挥发煤种成分分析

我厂委托相关单位进行煤种成分分析，结果见表2。由表2可知我厂低挥发分煤挥发分低、固定碳即发热量高、可磨性差，大大偏离设计煤种。

表2 我厂煤种成分分析结果

2.2 开展低挥发煤质燃烧特性分析

对我厂煤种进行了热重试验，由空气气氛的等速升温燃烧的热重试验可以得到煤的着火温度参数。试验进行50℃/min升温速率测试，根据测试数据分别做出了三种升温速度的热重曲线，并做出微商DTG曲线，进而得到煤种的着火温度ti、燃尽温度th、最大反应速率点tmax。对烟煤、贫瘦煤、无烟煤进行空气气氛下升温速率50℃/min条件下的燃煤静态着火特性及燃尽规律研究，得到煤的着火温度、燃尽温度和最大反应点的温度。烟煤、贫瘦煤、无烟煤的着火温度、燃尽温度和最大反应点的温度分别见图1、图2和图3。

图1 烟煤着火温度、燃尽温度和最大反应点的温度

图2 贫瘦煤着火温度、燃尽温度和最大反应点的温度

图3 无烟煤着火温度、燃尽温度和最大反应点的温度

试验结果如下：烟煤着火温度ti为480℃，燃尽温度th为783℃，燃烧反应最大反应速率点tmax为629℃；贫瘦煤煤着火温度ti为568℃，燃尽温度th未测出，燃烧反应最大反应速率点tmax为655℃；无烟煤着火温度ti为606℃，燃尽温度th未测出，燃烧反应最大反应速率点tmax为699℃。由试验结果可知，我厂低挥发分煤较烟煤着火、燃尽困难，燃烧反应所需温度高，无法有效燃尽。

2.3 低挥发煤燃烧动力学特性

委托华北电力大学对我厂各煤种进行燃烧动力学试验，确定各类煤质燃尽时间。试验结果见图4。1300℃下恒温热重燃烧动力学特性，各煤种燃尽时间分别为烟煤147s、贫瘦煤252s、无烟煤293s。由热重燃烧动力学特性试验结果可知，我厂低挥发分煤：贫瘦煤、无烟煤燃尽时间长，已超出煤粉在炉膛内停留时间。

图4 1300℃下恒温热重燃烧动力学特性

3 低挥发煤掺烧措施

贫煤、无烟煤挥发分较低，其燃烧速率较烟煤小，需要的燃尽时间较烟煤长，因此最有效的调整方法是降低磨煤机出口煤粉细度，一般燃烧贫煤时煤粉细度R90宜不大于10%。

煤粉在炉膛内燃烧时，煤粉燃尽时间受烟气O2浓度扩散与燃烧温度控制。贫煤、无烟煤属于挥发分偏低的煤种，根据热重分析数据，其着火温度、最大燃烧速率温度与燃尽温度都明显高于烟煤。火焰温度对煤粉燃烧速率的影响大于烟气O2浓度，因此提高火焰温度是配风调整的重点。由于煤粉射流在炉膛中存在强烈的旋转扩散，配风的影响在空间上有限，初期着火稳定与火焰温度影响较大，所以燃烧贫煤的燃烧器应减少一次风速、提高一次风温、减小周界风一次风量。为维持一次风火焰着火初期的燃烧温度，应推迟一次风射流与二次风射流的混合，适当减少掺烧贫煤、无烟煤的喷嘴的上下二次风射流风速。

在掺烧贫煤、无烟煤时制粉系统调整与配风调整的目的都是提高燃烧火焰温度，减少冷却风量，调整的效果是降低主燃烧器区域燃烧过量空气系数，提高主燃烧器区域炉膛火焰温度。因此下炉膛吸热增加，主燃烧器区域生成的烟气NOx浓度有所降低，一级再热器进口烟温下降，对再热蒸汽温度存在下降的影响[2]。

掺烧方式：低挥发分煤掺烧比例为1：1，如果掺烧量大于50%，锅炉安全和经济性很差。为保证锅炉燃烧安全，延长煤粉在炉内的燃烧时间，低挥发煤质加入锅炉下层制粉系统，延长燃烧距离，提高燃烧时间。以CDEF磨运行方式为例，CD掺烧低挥发煤种。

氧量：适当提高氧量设定值，较高的氧量有利于低挥发煤的充分燃烧。但是较高氧量同时带来NOx生成量多以及风机耗电率高。

二次风配风：对于掺烧低挥发煤的制粉系统，对应二次风挡板应适当关小，掺烧低挥发煤磨周界风开度为10%～20%，上下二次风辅助关小15～20%。

制粉系统调整：提高磨煤机出口温度至95～100℃；开展各台磨分离器转速——煤粉细度标定试验，将每台磨煤机分离器转速与煤粉细度进行标定。提高分离器转速，控制煤粉细度R90不大于10%；适当降低一次风压和低挥发煤掺烧磨一次风量，降低风煤比；采用上海外高桥第三发电有限公司首创的广义回热技术来提高热风温度[3]，以解决低负荷下粒径较大，燃烧速率较慢的问题[4]。

其它：对于可磨性系数HGI低于50的低挥发煤种，不应采购进厂；坚持不跨越煤种的原则，即设计燃烧烟煤的锅炉不能掺烧无烟煤；掺烧时不宜采取贫煤与烟煤掺混加仓方式，特别不能采用贫煤和高挥发分烟煤或褐煤掺混加仓方式；对研磨贫煤的磨煤机应适当缩短定期检修周期，可以考虑磨辊、衬瓦堆焊比较耐磨的材料，提高磨煤机的研磨出力和延长磨煤机定检周期[5]。我厂将一台ZGM133G中速磨煤机改造为陶瓷磨辊，该套陶瓷磨辊安全可靠、研磨效率高，耐磨性能远高于原材料，有利于降低低挥发煤种的煤粉细度；长期掺烧贫煤时，宜在合适的时间进行制粉系统调整试验，摸清制粉系统煤粉状况，减小一次风煤粉浓度与细度分布的偏差；在锅炉检修后进行一次风调平试验，减少一次风速分布偏差。

效果对比：锅炉未掺烧低挥发煤时，飞灰及炉渣含碳量量＜2%，掺烧50%量低挥发煤调整前7.3%，调整后3.9%；磨煤机单耗升高了约10%，送风机单耗升高了约5%，引风机单耗升高了约6%；掺烧低挥发煤调整前后液氨单耗降低了约7%。