某锅炉掺烧准东煤的优化试验

武利斌

(华北电力大学 能源与动力工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

随着我国电力行业的快速发展，大容量、高参数的300，600及1000 MW机组日益增多，使得我国电煤供应非常紧张，且由于动力煤的价格急剧上升，有必要对掺煤燃烧进行研究，以降低发电成本、提高电厂经济效益。某电厂为了节约燃料成本，充分利用周边资源，降低优质动力煤的消耗量，采购了价格相对较低的新疆准东煤［1］作为锅炉新燃料来定量掺烧燃用。

与电厂设计煤相比，准东煤具有高水分、低灰分、煤灰中钙、钠、钾含量比较高和灰熔点比较低的特点，且具有严重的沾污结焦特性［2］。与本地井工煤掺烧后，煤燃烧与结渣特性的变化可能会对锅炉安全、经济运行和生产管理造成一定影响，目前国内也没有成熟经验可以借鉴。因此，发电厂在掺烧准东煤时，要进行必要的掺烧试验以分析准东煤掺烧对锅炉燃烧系统的影响，保证电厂的安全、稳定运行。

1 燃煤锅炉概况与煤质特性研究

1.1 燃煤锅炉概况

掺烧试验锅炉为哈尔滨锅炉厂设计制造的亚临界、一次中间再热自然控制汽包炉、平衡通风、正压直吹制粉系统、四角切圆燃烧式、额定蒸发量为1065 t/h的煤粉炉。锅炉设计煤种为乌鲁木齐市附近烟煤，配备5台中速磨煤机，在100%负荷下4台磨煤机运行，1台备用。该锅炉现燃烧基础煤种为乌鲁木齐市附近井工煤，其与设计煤种相差无几，在额定负荷下，其锅炉效率可达93.20%～93.28%。

1.2 准东煤煤质分析

试验煤种为当地煤种与神华准东煤混煤，表1为设计煤和神华准东煤的煤质常规数据，由于当地井工煤与设计煤相差不多，所以以设计煤为准。

表1 设计煤种与准东煤煤种煤质分析

由表1分析可得，与设计煤相比准东煤具有高水分、低灰分、灰熔点较低和低热值等特点，其中Na2O质量分数高达6.05%，在煤灰的沾污结焦特性评价中，一般将当量Na作为沾污判别指标［3］，当煤中当量Na质量分数为0.45%～0.60%时锅炉沾污程度高。准东煤当量Na质量分数为0.494%，属于高结焦煤种。煤中含有低灰熔点的成灰物质也是导致结焦的重要原因［4］。

由以上分析可知，当地井工煤在与准东煤掺烧时，随着掺烧比例的增加，混煤水分有较大幅度的升高，增加磨煤机的干燥出力;灰分有较大幅度的降低，可降低尾部受热面的磨损和灰、渣系统的出力，节省厂用电;灰熔点也有所降低，易在燃烧器区形成结焦，若燃烧调整不当导致火焰中心上移，则屏式过热器和高温过热器等受热面沾污、结焦的可能性将大大增加;挥发分变化不大。

2 准东煤掺烧试验及试验方法

2.1 磨煤机出力特性

掺烧准东煤比例增大后，试验煤的可磨性、水分也会发生一定变化，在磨煤机出力基本不变的情况下，磨煤机的煤粉细度和磨煤单耗将会发生一定变化。试验在C，D磨煤机上进行，试验过程中在磨煤机出口一次风管上利用等速取样装置进行煤粉取样，对各煤种的煤粉细度进行测试并记录，最终确定磨煤机的出力特性。

2.2 变掺烧准东煤比例及技术要点

该电厂掺烧试验采用当地井工煤与准东煤炉前预混的掺烧方式，为了寻找能够使锅炉安全运行的准东煤掺烧比例，掺烧采取4种不同的配比，分别为掺烧前、当地井工煤掺30%准东煤(简称30%准东煤)、当地井工煤掺50%准东煤(简称50%准东煤)、当地井工煤掺70%准东煤(简称70%准东煤)，在每个工况下观察锅炉的结焦情况、测量炉内火焰温度、记录主要运行参数，并对锅炉对各煤种的适应能力进行分析。

准东煤具有高水分、低灰分、低熔点的特点，在与当地井工煤掺烧时可能出现总煤量大、煤粉管道、磨煤机容易着火、磨煤机干燥出力增大及炉膛出口受热面的结焦和沾污等问题，因此在掺烧过程中应严格控制磨煤机内温度不超过65℃，并在掺烧过程中采取分层堆煤、纵向断面取煤的方式进行预混掺配，通过改变煤层的厚度来改变配煤比例。

3 掺烧结果及分析

3.1 准东煤不同掺烧比磨煤机的运行

掺烧试验在#1锅炉C，D磨煤机上进行，将分为掺烧前、30%准东煤、50%准东煤、70%准东煤4个掺烧比例来进行。掺烧准东煤的比例增大后，试验煤的可磨性、水分会发生一定变化，在磨煤机出力基本不变的情况下，磨煤机的煤粉细度和磨煤单耗也会发生一定变化。试验过程中磨煤机出口的一次风管利用等速取样装置进行煤粉取样，对4种比例煤的煤粉细度进行了测试。表2、表3给出了#1锅炉煤种变化对磨煤机各参数的影响。

表2 煤种变化对磨煤机参数的影响(C磨煤机)

表3 煤种变化对磨煤机参数的影响(D磨煤机)

由于准东煤的水分过高，当掺烧准东煤后造成混煤水分提高，磨煤机干燥出力受限［5］。表2、表3数据表明，随着掺烧比例的增加，导致混煤发热量降低，C，D磨煤机的出力增大，掺烧50%准东煤后，煤粉明显偏粗，C，D磨煤机的煤粉细度R90在粗粉分离器挡板不变的情况下，分别增大到60.20%和49.08%，会对其燃尽产生不利影响，可能是引起锅炉灰渣含碳量较高的一个原因。掺烧70%时D磨煤机出口风温也降低至74.31℃，低于设计温度77℃。准东煤的挥发分较当地井工煤低，设计煤粉细度R90为18%，掺烧50%准东煤后挥发分均在36%左右。从煤粉的燃尽角度讲，#1锅炉目前的灰渣含碳量较高，说明煤粉的均匀性指数也相对较低，煤粉中粗颗粒较多，煤粉相对较粗，火炬拖长，粗粉会因惯性作用直接冲刷受热面，形成贴壁燃烧，使得水冷壁表面温度急剧升高;再者，粗煤粉燃烧温度要比烟温高许多，熔化比例高，冲墙后容易引起结焦。

从表2、表3还可以看出，随着准东煤掺烧比例的增加，使得混煤的水分增加，磨煤机出口风温随之下降。掺烧50%准东煤和70%准东煤时，磨煤机入口热风门已全开、冷风门全关，如前所述，磨煤机的的通风量已经比较大，可以说磨煤机的干燥出力已达最大而限制了磨煤机的整体出力。从控制磨煤机出口风温、防止粉管和磨煤机堵塞的角度来说，环境温度高时，短期掺烧70%准东煤，磨煤机的出力是能适应的。气温较低时，原煤全水分要升高4个百分点，为了保证磨煤机出口风温，将当地井工煤与准东煤的混煤比例控制在1∶1比较合适。

3.2 额定工况下改变掺烧比例锅炉运行特性试验

由前面分析可知，当掺烧准东煤后，混煤水分增加，在335 MW工况下机组协调控制运行方式，改变准东煤掺烧比例，升负荷时磨煤机需均匀增加煤量。

随着掺烧准东煤比例的增加，锅炉燃煤量在134.4～144.7 t/h变化，发热量有所下降。试验中烧本地井工煤中，锅炉主、再热蒸汽参数正常，随着准东煤掺烧比例的增加，锅炉过、再热器减温水量呈增加的趋势，在掺烧到70%时的减温水量为最大，说明此时炉内的沾污已经比较严重。主、再热器减温水流量随掺烧比例的变化如图1所示。

图1 主、再热器减温水流量随掺烧比例的变化

3.3 额定工况下改变掺烧比例结焦情况

随着准东煤掺烧比例的增加，渣型由粘聚变为熔融渣，使形成的渣块明显坚硬、致密，如图2～图4所示。从锅炉渣型来看，掺烧30%准东煤时炉渣比较细;50%准东煤时出现大块渣块，渣量也明显增加;70%时基本全是大块焦渣，大量焦渣黏附在水冷壁管道，造成主、再热器温度超标，炉膛换热量下降，大块焦渣的脱落容易砸坏捞渣机链条，致使捞渣机无法正常运行。考虑到锅炉的减温水量较大和磨煤机出口温度较低，碎渣机经常过载运行。在吹灰器正常投入运行试验当中，掺烧30%，50%准东煤情况下可以长时间连续运行，但掺烧70%准东煤情况下，试验进行12 h之后，锅炉结焦严重，致使试验被迫停止。

从以上分析可知，在掺烧70%准东煤掺烧比例下锅炉的结焦状况严重影响锅炉的正常运行。锅炉的减温水量较大和碎渣机不能正常运行是制约准东煤掺烧比例进一步提高的主要因素，为了方便配煤，建议当地井工煤与神华准东煤按50%的比例掺烧。

图2 掺烧30%准东煤渣样

图3 掺烧50%准东煤渣样

图4 掺烧70%准东煤渣样

3.4 掺烧试验经济性分析

随着准东煤掺烧比例的增加，锅炉飞灰可燃物质量分数逐渐升高，在3.93%～5.43%间变化，这是因为煤粉较粗所致，应通过调整粗粉分离器挡板开度，降低煤粉细度。在试验过程中锅炉的排烟温度在137.0～142.8℃变化，固体未完全燃烧损失为0.54%～0.98%，锅 炉 效 率 维 持 在 93.2% ～93.8%，变化不明显。但是由于准东煤毗邻电厂，而且价格相对较低，乌鲁木齐市当地井工煤价格280元/t，准东煤价格为180元/t，1台锅炉每年节约资金4000多万元。由于掺烧70%准东煤锅炉的减温水量以及碎渣机不能正常运行对锅炉的安全性造成影响，所以掺烧50%准东煤有利于提高安全性和经济性。

4 结论

通过掺烧准东煤现场试烧试验，掌握了锅炉在掺烧准东煤时的运行特性，分析了锅炉结焦的原因，提出了掺烧比例调整建议，提高了锅炉运行的安全性和经济性。

(1)神华准东煤为极易着火、燃尽煤种，可磨性较好，但具有严重结焦特性，且灰中钾、钠、钙含量较高，煤灰沾污严重，与设计煤相比，水分高、热值低。

(2)电厂锅炉在掺烧70%准东煤时炉内水冷壁即出现较严重的局部结焦现象，减温水量偏大，主、再热蒸汽温度不易控制，碎渣机不能正常运行，为安全起见，目前电厂按照50%的准东煤掺烧是可行的。

(3)电厂目前掺烧50%准东煤时，结焦部位主要出现在炉膛水冷壁，屏区受热面结焦相对较轻，因此目前运行调整应以控制水冷壁结焦为主，建议适当提高氧量、经常调平一次风、避免锅炉长期连续高负荷运行、适当提高吹灰运行压力等。

(4)掺烧准东煤时，锅炉飞灰可燃物一般为2.68%～5.88%，准东煤的燃尽特性较好，固体未完全燃烧损失为 0.54%～0.98%，排烟热损失为4.97%～5.52%，锅炉效率为93.15%～93.51%。

［1］尹淮新.新疆准东煤田应用煤炭地下气化技术的探讨［J］.中国煤炭，2009(5):79－81.

［2］杨忠灿，刘家利，何红光.新疆准东煤特性研究及其锅炉选型［J］.热力发电，2010(8):44－46.

［3］岑可法.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算［M］.北京:中国科学出版社，1994.

［4］车德福，庄正宁，李军，等.锅炉［M］.2版.西安:西安交通大学出版社，2008.

［5］徐远刚，张成，夏季，等.中速磨煤机煤粉团聚的原因分析［J］.动力工程，2008，28(6):920－923.