300MW CFB锅炉基于流态重构技术的煤种适应性探讨

张光望

（神华福建能源公司雁石电厂，福建省龙岩市，364001）

神华福建能源公司雁石电厂 （以下简称 “神福雁石电厂”）2×300 MW 机组配备了东方锅炉 （集团）股份有限公司自主研发制造的1025t／h 亚临界、中间一次再热、单炉膛、汽冷式旋风分离器、露天布置的循环流化床锅炉，锅炉型号为DG1025-17.4-Ⅱ18型；该电厂位于福建内陆闽西革命老区龙岩市新罗区雁石镇，距厦门约230km；锅炉以燃用当地无烟煤为主，但近年来随着资源的逐渐枯竭，当地无烟煤已无法满足电厂需求，2013年该电厂神华烟煤和印尼褐煤的采购量占其煤炭采购总量的70%，故该电厂对燃用3 个煤种的差异开展了专题试验。

清华大学在近20年的CFB燃烧技术研究与开发过程中，较为完整地发展了CFB 的理论体系和设计理论体系，其基于流态重构的CFB 节能运行技术在该电厂得到了广泛的应用，3个煤种的专题试验均以该技术为指导，以有效避免锅炉运行工况及参数控制的差异对试验结果的影响。

1 煤质概况

基于流态重构的锅炉节能运行技术的关键是优化炉膛内床料的质量，煤种适应性试验运行调整技术的重点是对煤种的元素分析、工业分析、煤的粒径分布、飞灰的粒径分布及可燃物情况等方面进行分析，以确保循环流化床质量并分析锅炉燃用不同煤种差异的因素所在。

图1 各煤种元素分析对比

1.1 元素分析对比

与无烟煤相比，神华烟煤、褐煤的含氧量高7%～9%，含氢量高1.8%～3%；褐煤的含硫量高0.5%。对不同煤种的锅炉效率进行计算时需选择相应煤种元素分析，见图1。

1.2 入炉煤粒径对比

与无烟煤相比，神华烟煤、褐煤小于0.2mm粒径低20%以上，细颗粒少易于分离器捕捉，有利于提高燃烬度，见图2。

1.3 工业分析对比

与无烟煤相比，神华烟煤、褐煤全水分高4%～10%，灰分低6% ～15%，挥发分高21% ～33%，着火点低，易于燃烬。各煤种工业分析对比见表1。

图2 各煤种入炉煤粒径对比

2 适应性试验之经济指标分析

验证CFB基于流态重构节能技术对不同煤种的适应性，针对褐煤、神华烟煤的成灰特性，控制入炉煤粒径，在保证炉膛悬浮差压的同时，合理控制料层厚度，风室压力仍维持在燃用无烟煤时水平，实现流态重构技术在不同煤种上的拓宽。

重点比对分析无烟煤、神华烟煤、褐煤100%全烧工况下的经济性、安全性以及对污染物排放的影响。

2.1 不同出力系数机械不完全燃烧损失对比

2.1.1 飞灰的粒径分布

图3 飞灰的粒径分布

如图3所示，3个煤种的粒径分布特性基本一致，说明了飞灰的粒径主要与分离器切割粒径有关，与煤种关系不大。通过对粒径分布规律及炉内温度场变化的分析，3个煤种均具有良好的成灰特性。

2.1.2 飞灰含碳量对比分析

燃用神华烟煤与褐煤时的不同负荷工况下，飞灰含碳量呈平稳趋势；燃用无烟煤时的不同负荷工况下，飞灰含碳量则变化较大，随负荷的升高而降低。不同出力系数飞灰含碳量对比见图4。

图4 不同出力系数飞灰含碳量

2.2 不同出力系数排烟温度对比分析

各煤种排烟温度随负荷增加而升高，燃用神华烟煤排烟温度最低，燃用无烟煤排烟温度最高。不同出力系数排烟温度对比见图5。

图5 不同出力系数排烟温度

2.3 不同出力系数经济性对比分析

2.3.1 不同出力系数锅炉效率分析

锅炉效率：

式中：ηgl——锅炉效率，100%；

q2——排烟，100%；

q3——可燃气体未完全燃烧，100%；

q4——固体未完全燃烧，100%；

q5——锅炉散热，100%；

q6——灰渣物理显热热损失，100%。

如表2、图6所示，通过反平衡计算全部燃用神华烟煤／褐煤比全部燃用无烟煤锅炉效率高4.8%～6.3%，但随着负荷增加，增幅略降低0.5%～0.7%。其主要原因是飞灰变化小，机械不完全燃烧损失变化小，而排烟温度随负荷增加而升高导致排烟损失增大；无烟煤机械不完全燃烧损失随负荷变化大，锅炉效率随负荷升高而升高。

图6 不同出力系数锅炉效率

2.3.2 不同出力系数锅炉三大风机耗电率分析

全部燃用神华烟煤／褐煤的三大风机耗电率比全部燃用无烟煤高0.03%～0.23%，负荷越高则越突出，其主要原因是神华烟煤／褐煤的水分比无烟煤高4%～10%。不同出力系数锅炉风机耗电率见表3。

表2 不同出力系数锅炉经济指标

表3 不同出力系数锅炉风机耗电率 %

煤种 250 MW 300 MW一次风机 二次风机 引风机 小计无烟煤一次风机 二次风机 引风机 小计0.63 0.56 0.68 1.87 0.88 0.52 0.85 2.25神华烟煤 0.66 0.55 0.72 1.93 0.89 0.58 0.97 2.44褐煤0.68 0.59 0.82 2.09 0.9 0.59 0.99 2.48

2.3.3 反平衡供电标煤耗分析

供电标煤耗对比见表4。

表4 供电标煤耗对比g· （kW·h）-1

设定同负荷工况下汽机热耗均为同一数值，管道效率以98%计算，则反平衡发电煤耗为：

式中：bf——反平衡发电煤耗，g／kW·h；

q——汽机热耗，kJ／kW·h；

ηbl——锅炉效率，100%；

ηgd——管道效率，取98%；

29.308——标煤热值，MJ／kg。

由式 （3），故燃用神华烟煤／褐煤与无烟煤比，通过反平衡计算综合锅炉效率的提高及厂用电率上升的因素，供电煤耗下降16～24g／kW·h。

3 适应性试验之环保指标分析

3.1 粉尘

无烟煤粉尘浓度为20mg／m3、神华烟煤粉尘浓度为10mg／m3、褐煤粉尘浓度为15mg／m3，其中神华烟煤粉尘排放浓度最低。3个煤种均满足粉尘浓度＜30 mg／m3排放指标要求。不同出力系数粉尘排放指标见图7。

3.2 二氧化硫

250 MW 负荷石灰石用量试验情况见表5。

石灰石计量按仓泵称重进行计量，煤量按炉前带式输送机计量；试验时间为6h，试验时控制二氧化硫在150mg／m3水平。

实际试验数据说明，褐煤因含硫量为1.49%，吨煤耗石灰石比为21.67%，较无烟煤吨煤耗石灰石比高9%，较神华烟煤吨煤耗石灰石比高15.21%，是其1.7～3.3倍。燃用褐煤时，石灰石耗量较大，与神华烟煤相比，每燃用百吨褐煤需多消耗石灰石15.21t，石灰石价格以108元／t计算，与燃用神华烟煤相比，每燃用1t褐煤，仅由于石灰石的因素成本增加16.4元。

表5 250 MW 石灰石耗量统计

图7 不同出力系数粉尘排放

3个煤种通过调节石灰石投用量，均可控制SO2达标排放。

无烟煤、神华烟煤、褐煤含硫率分别按0.98%、0.43%和1.49%计算，3个煤种试验校核钙硫比分别为2.5、2.8和3。

3.3 NOX

无烟煤NOx排放在100 mg／m3以下，神华烟煤NOx排放最高，满负荷时达到224.8 mg／m3，已超过＜200mg／m3排放指标要求。不同出力系数NOx排放指标见图8。

4 适应性试验之安全性分析

4.1 安全性概况

从运行安全性角度考虑，燃用神华烟煤、褐煤初期，采用与无烟煤掺烧方式，神华烟煤 （褐煤）与无烟煤掺烧比例由30%∶70%、50%∶50%、70%∶30%直至100%∶0，从而过渡到全部燃用。

神华烟煤灰熔点最低为1050℃，控制最高点床温不超过1000℃，各运行参数均可控制在合格范围。

图8 不同出力系数NOx排放

神华烟煤与褐煤水分高，运行中煤仓未发生堵煤现象。但水分高于25%时，给煤机下煤口偶有堵煤问题，输煤系统则堵煤频繁，因此神华烟煤（褐煤）需储存、晾干。

尾部烟道未发生二次燃烧，电袋除尘器未发生糊袋、输灰不畅、结焦等现象，可安全运行。

4.2 “翻床”现象

锅炉A、B 侧床压大幅度摆动，呈现为 “湍流”、“节涌”方式，炉内流化工况恶化，极易局部结焦，见图9。

分析其原因，主要是褐煤灰分低，长期燃用排渣量少或者不排渣，底部床料数量不足、质量下降，当前的一次风量不足以满足劣化的床料均衡流化需求，炉内流化不均。

试验统计表明，通过燃用各种不同低灰分褐煤，任一煤种灰分低于9%时，全部燃用3～5d，则炉内即出现 “翻床”现象，且负荷低于80%之后尤为明显；灰分高于9%则不易发生该现象。

运行中短时处理措施为增加一次风量，但增加了风机耗电率且不能彻底解决。有效处理方法为掺烧高灰分无烟煤，进行床料置换，但影响锅炉效率。目前，该电厂采取了向炉内加入床料的方式。

4.3 安全性分析

燃用灰分＜9%的褐煤，易发生 “翻床”现象，不及时处理易导致炉膛局部结焦，目前运行措施为立即加大一次风量，从而及时消除该现象。

神华烟煤或褐煤挥发分高，易自燃，需加强煤场、输煤、给煤系统监视，密切关注尾部烟道烟温，防止火灾及尾部烟道再燃烧事故。

5 结论

5.1 关于经济性

与无烟煤相比，燃用神华烟煤炉效提高5.29%～6.33%，风机耗电率上升0.03%～0.19%，供电标煤耗下降18.56～24.16g／kW·h。

与无烟煤相比，燃用褐煤炉效提高4.84%～6.15%，风机耗电率上升0.15%～0.23%，供电标煤耗下降16.87～23.16g／kW·h。

燃用褐煤经济指标略低于神华烟煤，锅炉效率下降0.18%～0.45%。

机组低负荷时燃用神华烟煤或褐煤，锅炉效率较其他工况增长0.5%，故在年度采购各煤种比例既定、煤场库容允许情况下，电厂生产管理中采取高负荷时段燃用无烟煤，提高无烟煤使用效率；在节假日、雨季等特殊时段低负荷运行期间，各锅炉全部燃用神华烟煤或褐煤，以最大程度地发挥其效益。

5.2 关于环保排放指标

3个煤种均满足粉尘浓度＜30 mg／m3的排放指标要求。

燃用1t褐煤需投入石灰石0.21t，方可控制SO2达标排放，若设备系统出现故障则难以满足，存在风险；燃用无烟煤、神华烟煤则无此风险。

全部燃用神华烟煤满负荷运行时，NOX排放达到224.8mg／m3，超过＜200mg／m3的排放指标要求，脱硝改造未实施前，需掺烧无烟煤。

5.3 关于安全性

基于流态重构的CFB 节能技术对3个不同煤种均适应；全部燃用灰分小于9%的煤种时，易出现 “翻床”现象，需定期置换床料；燃用高挥发分煤种必须始终贯彻防自燃、再燃措施，防止发生各类火灾事故；水分高于25%煤种，需储存、晾干。

5.4 建议

（1）神混2 或神混3，发热量为4800～5200kcal／kg的神华烟煤，为该电厂最适合使用煤种，综合锅炉效率及石灰石用量因素，在价格不超过褐煤价格16～18元／t的情况下，建议优先采购该煤种。

（2）灰分小于9%的褐 （烟）煤需定期置换床料，锅炉效率提高的优势无法持续性体现，建议减少采购该煤种。

（3）硫分含量大于1.5%的褐煤，要控制SO2达标排放，存在风险，建议减少采购该煤种。

（4）建议雨季减少采购船运煤量，以防止水分超标；依据年度购煤计划，在非雨季可予以增加采购船运煤量。

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［3］ 杨海瑞，吕俊复.CFB 锅炉煤成灰特性的6 参数模型研究［J］.热能动力工程，2003 （11）

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