600 MW机组锅炉深度掺烧褐煤的经济性研究

王军民，苏利辉，闫向东，王 远

（浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722）

0 引言

当前国内煤电市场的供需矛盾突出，高热值动力煤价格一路高涨，但是褐煤却一直供给充足而且相对价格低廉。在这种形势下，越来越多的火电企业采用掺烧褐煤的方式作为提升经济效益的重要手段。但是，褐煤掺烧对经济性的影响因素较多，为了能有效降低发电成本，迫切需要量化掺烧效益。本文对某大型燃煤锅炉掺烧褐煤的经济性进行全面分析，研究褐煤的存储、上煤方式、配煤方式以及掺烧比例对经济性的影响，并提出了相应的可行措施，在确保机组安全、稳定运行的前提下最大化地提高经济性。

1 设备概述及煤种特性

输煤系统来煤由铁路从煤矿运抵黄骅港或秦皇岛港下水，由海轮（3.5万吨级）转运至发电厂专用运煤码头。卸煤系统包括卸煤码头的3台1 500 t/h桥式抓斗卸船机，3套系统可互为备用，也可同时卸船。厂内有6个储煤场，煤场总宽度为339 m，长度约360 m，6个煤场总储煤量36万t。每2个煤场设置1台DQ1600/3600.38型悬臂斗轮堆取料机作为堆取煤设备，3台斗轮堆取料机互为备用，并列布置。输煤皮带系统0—10号皮带共有22条皮带机，其中：5号皮带为3路并列布置，6号皮带为单路布置，其余均为2路布置。

锅炉型号为HG-1890/25.4-YM4，采用π型布置、单炉膛、尾部双烟道、全钢架、悬吊结构、露天布置、燃烧器前后墙布置、对冲燃烧。炉膛断面尺寸为22 m（宽）、15 m（深）。制粉系统采用HP1003中速磨煤机直吹系统，单台炉配6台磨煤机，在5台磨煤机运行时能带额定负荷。前、后墙各布置3层旋流煤粉燃烧器，每层5只。在煤粉燃烧器的上方前、后墙各布置2层燃尽风，每层有5只风口。

锅炉设计煤种为神府东胜烟煤，校核煤种为大同塔山烟煤，煤质特性如表1所示。该发电厂主烧煤种为神华烟煤和塔山烟煤，掺烧煤种为白音华褐煤，煤质特性如表2所示。

表1 锅炉设计煤种及校核煤种煤质特性

表2 锅炉主烧及掺烧煤种煤质特性

2 煤场褐煤存储热值损失分析

煤炭在自然贮存条件下，由于氧化反应发生热值损失，其损失程度取决于煤的内在品质（挥发分、水分、密度）和外界环境（湿度、温度）。贮存时间越长、环境温度越高，热值损失也越大。煤种不同，热值损失也不同，通常情况下，褐煤、烟煤最易自燃，热值损失最大，较高灰分烟煤和高灰分劣质烟煤有中等自燃倾向，而较高灰分贫煤和无烟煤几乎不自燃，热值损失很小。

热值在20.23～23.34 MJ/kg的烟煤，储存半年的热值损失在200～400 J/kg，损失比例在0.91%～1.56%[1]。褐煤变质程度低、易氧化，加之机械强度小，在空气中易风化破碎，粒度变小，吸水性增强，加速氧化速度，导致其热值损失加快。文献[2]给出了褐煤存放损失试验数据：试验褐煤存放15天，收到基低位发热量降低255～293 J/g，降低比例为1.77%～1.99%；存放30天，收到基低位发热量会降低529～607 J/g，降低比例为3.67%～4.13%；存放60天，收到基低位发热量会降低1 075～1 236 J/g，降低比例为7.45%～8.41%。

褐煤存放时间越长，热值降低越多，且基本成比例下降。褐煤存放15天后，热值损失明显加快，存放30天后，已达到4%损失量。 因此，应根据燃料供应市场形势、季节特点、机组每天燃煤量等，合理规划煤场的存煤结构及褐煤的存煤量。褐煤要分堆单独存放，烧旧存新，控制煤场存储时间不超15天。褐煤煤堆要分层碾压，尽可能降低煤堆缝隙率，减少煤堆中空气含量，减缓褐煤氧化速率[2]。要定期监测褐煤煤堆温度，加大测温频率及测温点密度，当煤堆温度超过60℃时，及时翻烧，以减少热值损失。

3 褐煤掺烧方式的经济性分析

3.1 各种掺烧方式的特点

掺烧方式为2种：分磨掺烧和炉外预混。没有专用预混设备的煤场，炉外预混又分为皮带预混方式、煤仓预混方式。这3种掺烧方式有不同的特点：

（1）分磨掺烧方式，即不同煤种由不同磨煤机磨制，各煤种在炉内燃烧过程中混合。分磨掺烧不需专用混煤设备，掺烧比例控制灵活。煤种性能差异较大时，燃烧稳定性易掌握，对于设计燃用烟煤或褐煤的锅炉，应避免下层磨掺烧低挥发分煤和劣质烟煤。

（2）皮带预混方式，即2台斗轮机取不同煤种，经过同一转运站，2种煤同时落入同一条皮带混合，接着落入原煤仓后再次混合。

该方式对混煤设备和混煤控制要求较高，差异较大的煤种经过2次预混后，混合均匀性较高。但是，皮带预混方式的输煤电耗最高，较其他掺烧方式增加了1台斗轮机和1条皮带的电耗，经济性较差。

（3）煤仓预混方式即2台斗轮机取不同煤种，通过2路皮带将2种煤送入原煤仓，在原煤仓内混合。

该方式对混煤设备和混煤控制要求较高，差异较大的煤种仅经过煤仓1次预混，混合均匀性较差，影响锅炉燃烧。其输煤电耗与分磨掺烧方式一致。

3.2 褐煤掺烧方式的分析

白音华褐煤具有热值低、挥发分高、水分高、灰分和硫分低、难磨制（HGI为44）、灰熔点温度低（ST为1 200℃左右）、煤粉气流水露点温度为54℃左右[4]等特点。锅炉掺烧褐煤时，需要综合考虑，选择最优掺烧方式：

（1）由于褐煤水分大、难磨制的特点，在配置中速磨煤机的锅炉掺烧时，磨煤机的干燥出力和研磨出力均受限。为了提高褐煤掺烧量，优先采用皮带预混方式，可以兼顾混煤均匀性。但是，同时增加了输煤电耗。

（2）如果褐煤掺烧比例不高，优先选择分磨掺烧方式，不存在混煤不均匀问题，也降低了输煤电耗。但是，需要采取相应措施提高磨煤机出力。由于褐煤易爆燃，因此需要严格控制磨煤机出口温度在55～65℃，尽可能减少磨煤机启停次数，并规范磨煤机启停操作，防止褐煤爆燃[11]。

（3）掺烧褐煤不建议采用煤仓预混方式。褐煤与烟煤热值相差极大，采用煤仓预混方式，混煤均匀性差，影响锅炉燃烧，导致机组参数大幅波动，存在较大安全隐患。

综上分析，褐煤掺烧方式优先选择皮带预混方式，若褐煤掺烧总比例不大，可以采用分磨掺烧方式。

3.3 炉外预混掺烧方式对燃烧效率的影响

燃尽性能相差较多的煤混烧时，会出现所谓的“抢风”现象，燃烧效率会明显下降。分析其原因，一方面是由于各种煤质的着火温度和燃尽时间不一致，甚至相差很多，着火性能好的煤已经着火并燃尽，而着火性能差的煤还未着火或刚刚开始着火；另一方面，运行中无法同时满足不同燃烧性能的煤对配风的不同要求，从而导致燃烧损失急剧增加，燃烧效率大幅下降。此外，考虑到煤种混合不均匀和可磨性不一致造成煤粉颗粒不均匀的影响，实际的燃烧效率会明显下降[6]。

褐煤挥发分高，着火温度低，燃尽性能要明显好于烟煤。采用分磨掺烧方式时，褐煤和烟煤可分别配风，其初期燃烧互不影响，而且由于褐煤的燃尽特性好，可能对提高燃烧效率有利。当采用炉外预混方式时，由于褐煤和烟煤的燃尽性能有差异，可能会对混煤煤粉气流的燃烧初期有影响， 出现“抢风”现象[5]。

通过试验，研究不同掺烧方式对燃烧效率的影响，试验结果见表3。掺烧褐煤提高了煤粉的燃烧效率，飞灰可燃物均有不同程度的下降。尤其是炉外预混方式，飞灰可燃物降低了1.59%，下降明显，没有出现理论上的“抢风”现象。从燃烧效率分析，炉外预混方式明显优于分磨掺烧。

虽然褐煤与烟煤存在一定程度的燃尽性能差异，但是，采用炉外预混方式不仅没有使得飞灰可燃物提高，相反却降低明显，主要原因有：

（1）褐煤着火温度低，提前着火，提前释放热量，有利于燃烧性能适中的烟温提前着火，延长了煤粉在炉内的燃烧时间，褐煤自身燃尽性能又极好，能提高混煤的燃尽率。

（2）褐煤密度低，中速磨煤机采用离心式分离器，混煤中褐煤的煤粉必然较烟煤粗，可以适当延后褐煤煤粉的着火时间，缓解了褐煤与烟煤着火时间不同步的问题，因此没有出现导致燃烧效率大幅下降的“抢风”现象。

4 提高掺烧褐煤磨煤机最大出力的措施

磨煤机出力包括碾磨出力、通风出力和干燥出力，最终出力取决于三者中最小者。褐煤水分高，磨煤机最大出力主要受限于干燥出力。磨煤机出力低、达不到设计出力时，为了适应机组负荷，需要增加运行1套制粉系统，制粉电耗出力也会增加。

表3 褐煤不同掺烧方式试验结果对比

为了提高磨煤机掺烧褐煤的最大出力，在600 MW负荷下，开展了3个工况的掺烧褐煤磨煤机最大出力试验：工况1为分磨掺烧方式，单烧褐煤；工况2为皮带预混方式，烟煤与褐煤按1:1掺配；工况3为分磨掺烧方式，单烧褐煤，改变静态分离器折向挡板角度。

为了避免煤粉气流结露堵塞粉管，磨煤机出口温度控制在不低于55℃，若达到55℃，则磨煤机出力达到最大。试验详细数据如表4所示。

（1）试验工况1，分磨掺烧方式，单烧褐煤，磨煤机最大出力为43 t/h。随着机组负荷下降，一次风温度降低，一次风母管压力下降，磨煤机干燥出力降低，在50%额定负荷时磨煤机最大出力降为38 t/h。

（2）试验工况2，皮带预混方式，烟煤与褐煤按1:1掺配，磨煤机在磨制混煤时，原煤可磨性指数升高，原煤水分下降，磨煤机最大出力增加至51 t/h。

（3）试验工况3，分磨掺烧方式，单烧褐煤，将静态分离器折向挡板位置由5调整至3（位置编号越小，单板角度越小，煤粉越粗），煤粉细度由20%增加至25%，磨煤机最大出力提高至46 t/h，提高了3 t/h。通过调节磨煤机出口折向挡板，提高煤粉细度，减少了磨煤机内煤粉循环倍率，既减少了折向挡板的阻力，也减少磨碗煤层厚度，降低磨煤机总体阻力，增大了入磨一次风量，增加干燥剂热量，提高磨煤机最大出力。褐煤燃尽性能好，煤粉细度变化对燃烧特性影响不明显，灰渣可燃物变化不明显。

5 褐煤不同掺烧比例对锅炉效率及辅机电耗的影响

在300 MW，450 MW，600 MW负荷工况下，开展了褐煤不同掺烧比例的锅炉性能试验及主要辅机电耗测量试验，详细数据见表5。

5.1 褐煤不同掺烧比例对锅炉效率的影响

300 MW负荷下，掺烧58%比例的褐煤，锅炉效率（以下简称“炉效”）下降0.97%。450 MW负荷下，掺烧50%比例的褐煤，炉效下降0.99%。如图1所示，在600 MW工况下，褐煤掺烧比例由0%升至32%，炉效下降0.52%，降幅较为平缓。褐煤掺烧比例由32%升至42%，炉效快速下降0.41%，降幅明显增大，最低炉效降至92.53%，较不掺烧褐煤降低0.93%。在3个典型工况下，掺烧褐煤均导致炉效下降，且随着掺配比例的增大，炉效下降的幅度也相应增大，掺烧比例在40%～60%时，炉效平均下降约0.9%。

图1 600 MW工况下褐煤不同掺烧比例对炉效影响

掺烧褐煤导致炉效下降的主要因素有：

（1）锅炉烟气流量增大。褐煤全水分高（白音华褐煤约33%），较常用烟煤高出一倍左右，随着褐煤掺烧比例的增大，入炉煤的全水分也相应增加，烟气中水蒸气的体积分数增大，虽然干烟气量变化不大，但是总烟气量增大明显。

（2）锅炉排烟温度升高。同一工况下，在设计过量空气系数下，掺烧褐煤时，需用理论空气量变化较小，而总烟气流量增大明显，冷空气吸收烟气热量的份额减少，对空预器的冷却效果降低，锅炉排烟温度升高。如表5所示，不同掺烧比例工况下的排烟温度均有不同程度升高。

5.2 掺烧褐煤对锅炉重要辅机电耗的影响

图2为600 MW工况下锅炉重要辅机电耗随褐煤掺烧比例的变化趋势。从图2可以看出，随着褐煤掺烧比例增大，引风机电耗相应增大。掺烧比例为42%时，引风机电耗较无掺烧工况增大0.12%，磨煤机、一次风机电耗也相应增大。掺烧比例为32%时，较无掺烧工况，磨煤机电耗增大0.06%，一次风机电耗增大0.05%，制粉总电耗增大0.11%。锅炉掺烧褐煤，烟气流量增加，排烟温度升高，必然导致引风机容积流量增加，烟道阻力增大，引风机电耗必然随着掺烧比例增大而增大。掺烧褐煤时，入炉煤平均热值降低，相同工况下总煤量必然增加，每台磨煤机的煤量相应增加，或者增加1台磨煤机运行，磨煤机功率增加，一次风量增加，因此磨煤机电耗和一次风机电耗均升高，也随着掺烧比例增大而增大。

掺烧褐煤对锅炉总风量影响较小，理论上由于炉效降低，燃料量必然增加，在保证相同过量空气系数下，总风量相应少量增加，因此送风机电耗变化不大，不同掺烧比例下送风机电耗均为0.2%，无变化。

5.3 掺烧褐煤对输煤电耗、环保成本的影响

掺烧褐煤，入炉煤热值降低、水分增加，相同工况下燃用的总煤量增加，输煤皮带运行时间增长，输煤电耗必然升高[1]，且随着掺烧比例的增加，输煤电耗相应增加。

图2 600 MW工况不同褐煤掺烧比例重要辅机电耗

褐煤含氮量低、灰分低、硫分不高，对脱硝、除尘及脱硫系统影响很小，不会增加环保成本。

6 掺烧褐煤的经济性分析

以某发电厂600 MW机组为例，负荷率75%，掺烧褐煤比例50%。褐煤在煤场存放15天，收到基低位发热量降低约1.8%[3]，折合炉效降低约0.9%，供电煤耗增加2.7 g/kWh。锅炉掺烧50%比例的褐煤，入炉煤热值由22 250 kJ/kg降低至18 830 kJ/kg，炉效下降约0.99%，总煤量增加25 t/h（见表5），输煤电耗增加0.016%，供电煤耗增加4.38 g/kWh，重要辅机电耗增加0.3%。

不考虑增加的设备维护和检修费用，掺烧褐煤增加供电煤耗7.08 g/kWh，按单台600 MW机组年发电量30亿kWh计算，每年多耗标煤2.12万t。按每吨标煤800元计算，因掺烧褐煤增加成本1 696万元，即为掺烧褐煤的利润边界点。

表5 各工况褐煤不同掺烧比例试验数据对比

7 结论

（1）褐煤的存煤量应根据燃料供应市场形势、季节特点、机组每天燃煤量，合理规划煤场的存煤结构及褐煤存煤量，尽量减少褐煤的存储时间，并采取分层碾压和测温翻烧，减少热值损失。

（2）掺烧褐煤提高了煤粉的燃烧效率，飞灰可燃物均有不同程度的下降，尤其是炉外预混方式，飞灰可燃物降低了1.59%，下降明显，没有出现理论上的“抢风”现象。从燃烧效率分析，炉外预混方式明显优于分磨掺烧。

（3）掺烧褐煤磨煤机，提高磨煤机最大出力有以下措施：采用炉外预混方式，通过掺入一定比例的低水分煤种，降低入磨原煤水分；通过调节磨煤机出口折向挡板，提高煤粉细度，降低磨煤机总体阻力，增大入磨一次风量，增加干燥基热量。

（4）锅炉掺烧褐煤，随着掺烧比例的增大，锅炉炉效相应降低，引风机电耗、磨煤机电耗、一次风机电耗相应增大，送风机电耗无变化。

（5）不考虑增加的设备维护和检修费用，按掺烧褐煤比例50%、煤场存放时间15天、发电厂掺烧褐煤增加供电煤耗7.08 g/kWh、单台600 MW机组年发电量30亿kWh计算，掺烧褐煤的利润边界点为1 696万元。褐煤标煤单价低，若采购褐煤所降低燃料成本超过利润边界点，则掺烧褐煤有经济效益，否则，发电厂应放弃掺烧褐煤。