超(超)临界烟煤锅炉掺烧印尼褐煤问题研究

(广东大唐国际潮州发电有限责任公司，广东 潮州 515723)

近年来，随着经济增速放缓以及电力市场化改革的深入推进，燃煤发电企业成本竞争日趋激烈，配煤掺烧的能力和水平已经成为企业的核心竞争力。为强化燃料成本控制，多数煤电企业开展深度配煤掺烧工作，最大限度挖掘掺烧潜力。印尼褐煤煤质严重偏离烟煤锅炉设计煤种，具有明显的价格优势，合理掺烧可有效降低火电企业燃料成本。某电厂经过大量的研究、探索、实践，在掺烧印尼褐煤方面，积累了丰富的经验，在追求经济效益的同时，确保了机组安全、稳定的运行。

1 主要设备简介

1.1 锅炉主要参数

某电厂目前在役容量为3 200 MW，分别为一期工程2×600 MW国产超临界和二期工程2×1 000 MW国产超超临界燃煤发电机组。

一期两台锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的600 MW超临界变压运行直流锅炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全悬吊结构Π型锅炉。

二期两台锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的1 000 MW超超临界变压运行直流锅炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全悬吊结构Π型锅炉。

1.2 锅炉主要设备特点

一期锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧，前后墙各布置3层中心给粉旋流低NOx燃烧器，每层各有5只，共30只。在最上层煤粉燃烧器上方，前后墙各布置2层燃烬风口，每层布置5只，共20只燃烬风口。前墙最下层5只燃烧器为等离子燃烧器，其余各层每只燃烧器配有1只油枪，用于点火和助燃。制粉系统为6台HP1003型中速磨煤机一次风正压直吹式，排渣系统采用刮板式捞渣机。

二期锅炉燃烧方式为无分隔墙的八角反向双火焰切圆燃烧，每台锅炉共设有48只直流燃烧器。燃烧器共分6层，每层设8只燃烧器。每层燃烧器由同一台磨煤机供给煤粉，采用PM型主燃烧器、上部燃烬风(OFA)及AA分级风的MACT燃烧系统。每台锅炉共设有24只油枪，用于点火和助燃。最下层8只燃烧器配置等离子点火装置。制粉系统为ZGM133G型液压变加载中速磨煤机一次风正压直吹式，排渣系统采用钢带干式排渣。

1.3 设计燃料

锅炉燃煤设计煤种为神府东胜煤，校核煤种为晋北烟煤，煤质参数如表1所示。

表1 设计燃煤成分及特性

2 印尼褐煤特性及对锅炉影响

2.1 煤质特性

印尼褐煤特点是热值低、挥发分高、水分高、灰分低、灰熔点低、易磨、易结焦[1]，经统计，热值仅相当于设计煤种的65%，干燥无灰基挥发分大于50%，水分均大于设计煤种的2.5倍，褐煤与设计煤种对比如表2所示。

表2 设计燃煤与褐煤煤质对比

2.2 掺烧方式

2.2.1 炉外预混掺烧方式

炉外预混掺烧方式对防止结渣较为有效，也对防止制粉系统爆炸有效，但是印尼褐煤挥发分偏高，着火特性较好，而烟煤挥发分适中，当采用炉外预混掺烧方式时，褐煤和烟煤的燃尽性能差异会对混煤煤粉气流的燃烧初期有影响，由此产生“抢风”现象，使烟煤煤粉缺氧而无法燃烧完全[2]。掺烧试验表明，当印尼褐煤与可磨性系数偏低、煤粉颗粒度大的烟煤炉外预混掺烧时，飞灰可燃物升高明显，锅炉效率下降，影响配煤掺烧的微观经济性。

2.2.2 分磨掺烧方式

直吹式制粉系统可采用分磨掺烧方式。分磨掺烧方式不需专用混煤设备，易实现。针对不同负荷工况，可做到掺烧实时灵活，煤种性能差异较大时，燃烧稳定性易掌握[3]。

2.2.3 掺烧方式选择

由于印尼褐煤存在锅炉结焦、制粉系统着火和粉管堵塞等安全问题，某电厂最初掺烧褐煤时，选择炉外预混掺烧方式，后通过燃烧调整、运行优化和设备改造，彻底解决了以上安全问题，实现了褐煤分磨掺烧。综合比较炉外预混掺烧方式和分磨掺烧方式的优缺点，分磨掺烧更有利于锅炉经济性，故电厂选择以分磨掺配为主，炉外预混掺配为辅的掺烧方式。正常采用分磨掺烧方式，当来煤煤质特殊，如热值、硫分、灰分或水分明显偏高或偏低时，采用炉外预混或炉外预混、分磨组合掺烧方式。

2.3 掺烧褐煤对锅炉安全性影响

2.3.1 锅炉结焦

锅炉燃用设计煤种为烟煤，褐煤的着火和燃烬特性与烟煤相差较大，褐煤具有高挥发分、低灰熔点的特点，混煤易造成锅炉结焦。某电厂600 MW锅炉旋流燃煤器设计热负荷较高、螺旋水冷壁易挂焦，掺配褐煤初期，曾多次出现锅炉严重结焦、掉焦现象。其焦渣特点是松散、易碎、呈灰色，如图1所示。

图1 褐煤焦渣示意图

2.3.2 制粉系统着火

褐煤干燥无灰基挥发分高达50%以上，极易着火。露天存放的褐煤，超过1周以上，煤层表面温度就可能超过50 ℃，煤场会局部出现冒烟、阴燃现象。原煤进入磨内被磨成极细的煤粉，磨煤机运行过程中，若磨中存有积煤、积粉，风煤比控制不当，极有可能出现磨煤机着火的问题。HP型磨煤机由于存在结构缺陷，所以在掺烧褐煤初期，磨煤机多次出现着火现象，这给锅炉运行安全带来极大威胁。

2.3.3 粉管堵塞

褐煤全水分高达35%以上，磨煤机干燥出力受限，磨煤机出口温度偏低，煤粉流动性变差，由于二期1 000 MW锅炉PM型燃烧器为垂直浓淡分离型式，每台磨出口引入炉膛的粉管多达16根，粉管管径小、距离长，极易引起一次风不均、粉管浓度不均。1 000 MW锅炉在磨煤机单烧褐煤初期，出现多次粉管堵塞问题。

2.4 掺烧褐煤对环保参数影响

褐煤挥发分高，更容易着火，在炉膛燃烧的着火点也会提前，同时燃料中氮元素含量低。掺烧试验表明，掺烧褐煤有利于降低热力型NOx和燃料性NOx的生成量，褐煤掺烧比例增加时，NOx浓度随之降低。满负荷工况时脱硝SCR入口NOx含量与褐煤比例之间的关系曲线如图2所示。

图2 NOx浓度与褐煤比例关系

2.5 掺烧褐煤对锅炉经济性影响

2.5.1 飞灰可燃物高

烟煤与印尼褐煤特性相差太大，褐煤挥发分偏高，着火特性较好，而烟煤挥发分适中，二者若采取炉外预混，掺配后从同一燃烧器喷出，会出现褐煤先着火，继而“抢风”，使烟煤煤粉缺氧而无法燃烧完全。某电厂的基本煤种为塔山煤，该种煤可磨性系数偏低，煤粉颗粒度大，与印尼褐煤炉外预混掺烧时，飞灰可燃物明显升高，使锅炉效率下降，进而影响配煤掺烧的微观经济性。

2.5.2 供电煤耗升高

由于褐煤发热量低、煤中水分大，所以掺烧时锅炉效率下降，厂用电率上升，进而导致供电煤耗升高。根据热力性能试验结果和数据计算，得出褐煤不同掺烧比例对厂用电率以及供电煤耗的影响值，如表3所示。

表3 褐煤比例对厂用电率以及供电煤耗的影响值

3 采取的措施及对策

3.1 防止锅炉结焦

针对锅炉结焦，主要从燃烧调整、合理配煤、炉膛测温、加强吹灰、变负荷甩焦等多方面做工作：①积极进行制粉系统性能试验，将磨煤机一次风调平、煤粉浓度调平，严格控制煤粉细度，褐煤R90控制在25%～30%；②合理控制褐煤与烟煤的掺烧比例，采用变比例方式改变燃烧器热负荷，采用分磨掺烧方式，避免炉外预混引起的燃烧缺氧；③增加吹灰次数，确保炉膛受热面清洁度；④避免机组长期低负荷运行，采用变负荷甩焦；⑤优化氧量调整曲线、提高掺配褐煤的磨煤机风煤比；⑥定期利用测温装置测量燃烧器喷口及炉内大屏等处的温度，分析炉内温度场变化；⑦通过受热面壁温变化、减温水量的变化综合分析炉内结焦情况等，保证及时发现炉膛局部温度高、燃烧器出口火焰紊乱等异常，及时采取相应的措施，做到锅炉结焦可控、在控。

3.2 防止磨煤机着火

煤粉着火的3个基本条件是着火源、合适的煤粉浓度、合适的氧量。通过重点控制磨煤机启停过程中的风煤比，启停磨煤机过程中通入消防蒸汽，增大煤粉浓度，减少风粉混合物中氧量，消除煤粉着火的边界条件。严格按以下要求控制：①风煤比小于2.3；②启磨前投入消防蒸汽，直至煤量达30 t/h以上，停磨煤量达30 t/h时投消防蒸汽，整个启停磨过程中，缩短低煤量运行时间；③给煤机停止运行后，磨煤机保持运行，对磨煤机大风量吹扫不少于5 min，磨煤机停运后，继续大风量冷却吹扫不少于5 min，直至磨出口温度降至55 ℃以下。

3.3 防止磨煤机粉管堵塞

针对二期一次风粉管流动性差问题采取以下措施：①通过一次风调平，不对称关小磨煤机出口静态分离器折向挡板，提高部分粉管的煤粉细度，提高粉管内风粉均匀性，避免煤粉颗粒沉降；②增加粉管温度监测点和报警机制，加强对运行中的粉管压力偏差、温度的监视，通过压力、温度变化趋势，提前发出粉管可能堵塞的预警，判断粉管堵塞时停磨大风量吹扫；③对可磨性系数偏低的煤种及时发出运行预警，采用炉外掺配；④掺配褐煤的磨煤机出口温度必须大于褐煤结露温度2 ℃以上，避免煤粉在粉管内结露粘结。

3.4 进行设备改造，消除掺烧瓶颈

为彻底消除磨煤机内部积粉点，对磨煤机进行了制粉系统防爆燃改造，主要通过缩小一次风室容积，将风环改造为“机翼”性风环，调节罩与一级分离器相应工作面改为斜面等来实现，机翼性风环如图3所示。同时，石子煤排渣装置改造为封闭式，粉管缩孔全部更换，对磨煤机出口粉管进行了加保温改造。设备改造后一期HP型磨煤机实现单烧褐煤，为大比例掺烧褐煤创造了技术条件。

3.5 优化掺烧方式，力争效益最大化

针对掺烧褐煤期间飞灰可燃物偏高问题，将最初的炉外预混改为分磨掺烧，飞灰可燃物明显下降，经统计和计算，1 000 MW锅炉飞灰可燃物下降约1.5%，降低煤耗约0.86 g·kW-1·h-1，600 MW锅炉飞灰可燃物下降约1.0%，降低煤耗约0.5 g·kW-1·h-1。

图3 改造后风环示意图

掺烧褐煤可产生巨大的宏观经济效益，但是不同的掺配方式对锅炉排烟温度、飞灰可燃物、锅炉出口NOx浓度、风机耗电率影响较大，采用分磨掺烧时还可以进一步优化掺配方式，力争效益最大化。试验证明，最下层磨煤机掺烧烟煤，中、上层磨煤机掺配褐煤，可有效降低飞灰可燃物和锅炉出口NOx浓度，同时磨煤机出力小于额定出力的75%以下时及时停运，严控磨煤机运行台数，可最大限度地控制排烟温度和风机耗电率。

3.6 建立掺烧效益核算模型，做到经济掺烧

针对掺烧印尼褐煤对供电煤耗和厂用电率的影响，建立配煤掺烧综合效益核算模型。计算模型除了核算基本煤种和掺烧煤种差价带来的收益外，还需综合考虑厂用电率变化、供电煤耗变化、环保增支等带来的不利因素。掺烧效益核算模型的建立，可为当前电煤市场下配煤掺烧的来煤计划提供依据。当印尼褐煤有明显的价格优势时，虽然掺烧会导致供电煤耗升高，但是综合效益可观，可最大比例掺烧。掺烧效益核算模型计算公式如下：

月配煤掺烧经济效益=月掺烧量×(基本煤价格-掺烧煤价格)×掺烧煤热值/29.308-月发电量×供电煤耗增加量÷1 000×29.308÷煤种月均热值×煤种月均价格-环保材料耗费增加量

说明：①供电煤耗增加量根据试验数据得出；②环保材料耗费增加量根据每月石灰石、液氨耗量统计得出；③计算模型忽略设备磨损折旧费用增加量。

2017年，由于印尼褐煤价格优势明显，某电厂深度掺烧印尼褐煤，掺烧比例达到61.8%，经核算，年掺烧综合效益达1.89亿元。

4 结论

印尼褐煤具有高挥发分、高水分、低热值等特点。烟煤锅炉在掺烧印尼褐煤过程中，存在锅炉结焦、制粉系统着火、粉管堵塞等安全性问题，但通过采取有效的控制措施和设备改造，可完全解决以上难题，可实现印尼褐煤分磨掺烧、安全掺烧和深度掺烧。

掺烧印尼褐煤会导致锅炉效率下降、厂用电率上升，进而导致供电煤耗升高，对锅炉经济性存在不利的一面，但通过建立掺烧效益核算模型，可确定印尼褐煤最佳的掺烧比例和利润平衡点。根据当前煤炭市场形势，印尼褐煤依然有明显的价格优势，宜选择深度掺烧。