1000MW对冲燃烧锅炉配煤掺烧优化试验研究

国家电投集团河南发电有限公司沁阳分公司 李延伟 刘亚平 王霄霄 郝秉迎 邢旭光

上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 赵 旭

根据国家能源局/国家发改委的多项政策，深度挖掘火电调峰潜力、提高机组灵活性成为当前火电机组的重要任务，而燃料灵活性作为火电灵活性的重要组成部分，在当前煤炭市场价格波动剧烈、电厂燃用煤源复杂的情况下，具有降低燃料成本、提高电厂收益的重要意义[1]。目前火电机组目前多采用配煤掺烧的方式掺烧低价劣质煤，深度调峰下有效控制发电成本。但由于往往配煤的情况和设计煤种偏差较大、所掺烧低价煤的水分/灰分/硫分等较高，导致机组运行时锅炉稳燃、结焦、SOx/NOx 排放等特性会发生变化，严重时甚至会发生灭火、非停等严重事故[2]。因此通过配煤掺烧试验，研究经济合理的掺烧方案以及掺烧煤种对制粉系统、锅炉燃烧的影响，并通过调节配风等燃烧优化手段指导调节锅炉安全、经济运行。

表1 锅炉主要设计参数

以某1000MW燃煤发电机组作为配煤掺烧试验对象，锅炉采用东方锅炉股份有限公司设计的DG3063.81/29.3-Ⅱ1型高效超超临界参数变压运行直流炉，一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架，锅炉采用∏型布置方式，前后墙对冲燃烧方式，采用微油点火系统，燃烧器采用外浓内淡型低NOx 旋流煤粉燃烧器，制粉系统采用采用6台ZGM133-II 中速磨煤机，锅炉的主要参数如表1。

1 配煤特性研究

1.1 混煤混熔点特性研究

本次试验的电厂现阶段配煤主要由人工计算完成，主要考虑煤中挥发分和硫含量，煤场对于堆放的现状同样也主要基于煤挥发分和硫含量，分四大类（高挥高硫、高挥低硫、低挥高硫、低挥低硫）进行堆放以便取用。经过工业分析、元素分析、发热量检测，得到6种原煤的煤质信息分别为：收到基水分Mar（%）5.0/5.5/9.2/9.9/5.5/1.9、挥发分Var（%）11.19/11.20/22.35/20.65/12.04/16.54、灰分Aar（%）32.06/27.18/20.29/18.06/18.84/45.6 8、低位发热量Qnet.ar20.24/21.80/21.42/22.15/25.8 8/15.95、硫Sar（%）0.46/1.51/0.81/1.20/0.95/0.71、碳Car（%）54.24/59.34/56.78/58.88/68.56/43.6 8、氢Har（%）2.73/2.79/3.42/3.26/3.28/2.57、氮Nar（%）0.83/0.85/0.75/0.81/0.88/0.65、氧Oar（%）4.68/2.83/8.75/7.89/1.99/4.81。

可以看出，1号煤属于低挥低硫煤、2号煤属于低挥高硫煤、3号煤属于高挥低硫煤、4号煤属于高挥高硫煤、5号煤属于低挥中硫煤、6号煤属于中挥低硫煤。基于这六种原煤制备混合煤样，采用空气干燥状态下各原煤两两混合，质量取1:1比例制备，制得15种混合煤样（表2）。煤的灰熔点温度是衡量煤质好坏、影响锅炉结焦的重要因素。为研究配煤掺烧对于锅炉结渣特性的影响，对于所制备的21种煤样进行灰熔融特性试验，试验选取粒径小于0.2mm 的21种煤样在815℃的温度下分别进行燃烧制灰（表3）。

表2 混合煤样编号

按照ST 指数来看，6种原煤中2号煤、5号煤、6号煤属于弱结渣倾向，1号煤、3号煤、4号煤为中等结渣倾向；混合煤样中7～11号煤的软化温度相较于其未掺配时两种原煤的软化温度都有所增加，特别是8、9号煤，未掺配时两组原煤都是中等结渣倾向，掺配后变成弱结渣倾向，软化温度有较大的增加。14～17号煤和21号煤的软化温度相较于其未掺配时两种原煤的软化温度有所降低。可见1号煤与其他五种煤掺配都有提高配煤的灰熔点的作用。

1.2 混煤燃烧特性研究

基于上述的21中混煤样本选取粒径小于0.1mm的煤粉，使用热重分析仪分别进行燃烧特性试验，得到原煤与混煤的燃烧特性，包括平均燃烧速率、最大燃烧速率、着火温度、燃尽温度、综合燃烧特性指数、稳燃特性指数等。由试验结果可得，六种原煤中3号煤的综合燃烧特性指数最高，其次为4号煤，这主要是因为3、4号煤挥发分产率高，导致其着火、燃尽温度低，从而提高了综合燃烧特性。2号煤的挥发分产率最低，其着火温度、燃尽温度高，导致其综合燃烧特性较差。6号煤固定碳含量低，燃烧速率低导致综合燃烧特性较差；六种原煤中稳燃指数最高的是3号煤，其次为4号煤；稳燃性能最差的为2号煤，其次为6号煤。

从综合燃烧特性指数角度考虑，16号煤的综合燃烧特性指数最高，其次为12号煤。16号煤由原煤中综合燃烧特性最好的3、4混合后得到，然而其综合燃烧指数有所降低，11号混煤也有类似结论。15号煤由原煤中综合燃烧特性最差的2、6混合后得到，其综合燃烧指数有所上升，同样情况发生在14号煤样。其余煤样的综合燃烧特性指数介于其组成原煤的综合燃烧特性指数之间。

从稳燃特性指数研究，混合煤样中稳燃性能最好的是12号煤和16号煤，最差的是7号煤和11号煤，15种混合煤样中，10、11、17号煤的稳燃性能比未掺配时的原煤都低，其他12种煤的稳燃指数都介于未掺配时两种原煤的稳燃指数之间。

综上可得出结论，配煤掺烧的燃烧性能并不是简单的线性叠加，相对于原煤燃烧特性来说，配煤掺烧改变混煤燃烧特性多数情况下会使其燃烧特性介于二者之间，但也会出现性能综合上升下降的情况，具体情况需要按试验判断分析。

表3 灰熔融特性试验结果

1.3 制粉系统试验

制粉系统系统试验主要研究动态分离器转速、分离器出口温度、磨煤机出力及通风量对煤粉细度、均匀性和经济性的影响，试验结果显示煤粉整体的R90低于国标推荐值，高硫煤泥的R90高于其他煤，但细煤粉占比很大。煤粉平均含水率为0.22%，说明各煤种含水量较小且磨煤机干燥出力情况较好，其中煤泥煤粉的含水率最高，为0.51%。由于整体煤粉较细，可以适当降低动态分离器转速，经过试验发现以下规律。

当给煤量增加时：当风煤比较高且分离器转速较高，此时细煤粉少，增加给煤量填补了研磨空隙，煤粉整体会变细。当风煤比较低且分离器转速较低时，由于研磨出力不足，给煤量较大时煤粉会变粗；当一次风量的增加量较小时细煤粉会被更容易带走，R90变化不明显。当一次风量较大时较细的煤粉更容易被带走，煤粉整体略有变粗，R90略有增加；随着液压加载力增加煤粉先变细后变粗，是因为当磨辊与磨盘的空间被逐渐填满后更多的颗粒无法参与研磨，但较大的加载力会导致磨煤机振动，需要选取合适的液压加载力值，保证磨煤机的安全。

表4 目前锅炉配煤情况表

2 燃烧调整

2.1 配煤掺烧现状

本次试验电厂采用配煤掺烧（表4），700～850MW 运行1、2、3、5、6号磨，600～750MW 运行2、3、5、6号磨，440～600MW 运行2、3、6号磨。总之，起磨优先起前墙磨，停磨优先停后墙磨。3号磨的象山煤与6号磨的高挥高硫煤为440～1000MW 全负荷稳燃用；1号磨的市场煤、2号磨的混煤与5号磨的煤泥都属于低价煤种，可考虑多掺烧；4号磨的高热低挥低硫煤价格较高，为带满负荷用。

440MW以下负荷采用配煤掺烧，较为稳定的方式为底层两台磨投用高挥、中层磨投用一台中挥，该方法至400MW也能保证燃烧，但该方案燃用的煤价格较高，就燃煤的成本来说并不合理。同时采用配煤掺烧后，在高负荷和低负荷下均出现火检不稳定，炉膛温度左右偏差等一系列问题，针对以上问题，结合对于煤质、混煤、磨煤机运行的相关规律，对于1000MW 超临界机组进行燃烧调整优化。

2.2 低负荷下燃烧调整

低负荷下主要出现的问题在于2号磨火检不稳定的情况，靠近左侧，SCR 前NOx 值偏高。就地测量看火孔温度，2层燃烧器左侧温度偏低，初步分析认为与2号磨投用贫煤挥发分低有关，炉膛温度低使其着火延迟有关，针对上述问题，就地加大内二次风开度、降低一次风压和风量以加强中层燃烧器的卷吸，使煤粉能够短时间内得到充分的着火热；同时减小磨煤机分离器转速和减小分离器转速加载压，根据制粉系统试验的规律总结，该措施能够加大煤粉出力、提升煤粉细度，有利于着火。经过多次验证，采用这样的措施火检明显好转。

在上述基础上，调节外二次风，结合火检变化以及就地测温，炉膛左侧NOx 高，炉膛左侧温度低，认为与风量有关，猜测左侧风量较低，之后可进行低负荷下风量的标定验证。针对2层燃烧器逐个调节，最终火检状况好转。

2.3 高负荷下燃烧调整

高负荷下出现了底层磨火检变差的情况，通过尝试，发现减小燃尽风开度、加大底层磨外二次风开度，火检会有好转，结合二次风风箱的布置形式，结合以往相关的经验[3]认为出现该情况为高负荷下出现抢风，致使底层燃烧器风量不够，尤其是6号磨，由观火孔观察炉膛也出现了明显的黑色，通过降低磨煤机转速、减小煤粉出力，风量与煤风量相匹配，使得火检有所好转，更加验证了出现抢风的可能性。针对上述现象，可采用提风箱压力、加氧量偏置的措施。为验证高负荷下底层磨火检不稳定的原因，在950MW 负荷下就地测量风量（表5）。

表5 实测二次风风量

950MW 稳定工况下在上述开度进行了就地风量测试，发现对于燃烧器区域的二次风，即使在上层挡板开度关小的情况下，离大风箱最近的1号磨及4号磨风量最大，平均59t/h；而最下层由于开度最大故风量也不小，平均44.3t/h；中层磨风量最小，为34t/h，且前墙风量大于后墙。下层燃尽风风量大于上层燃尽风风量。

高负荷下下层磨火检不好的原因主要是中高挥发分的煤在燃烧初期需要消耗大量的氧气，而底层磨的空气量并不是最多的。挡板开度80～85%已接近最大流量，当运行过程中，如稍微开大1、2、4、5号磨或燃尽风层的层操风门挡板，就会将底层的风抢走很多。

3 结语

本文针对1000MW 超临界锅炉配煤掺烧试验，从煤质、制粉系统试验、燃烧优化调整等方面进行了相关研究和分析，得出以下结论：配煤掺烧多种煤掺混会对煤的煤质、灰熔点、燃烧性质等产生影响，应当结合具体试验来采用合理的掺配方案；制粉系统对于不同煤种、不同混煤有着不同的出力规律，通过试验掌握煤粉出力和磨煤机运行方式之间的联系对于燃烧调整具有重要；由于入炉煤质发生变化，对于燃烧的控制方式需要响应的改变，本次燃烧优化主要解决：低负荷下由于炉膛温度低、一次风量大导致煤粉点火延后造成2层磨火检不稳定，采用加强卷吸、加强点火的措施；高负荷下由于底层磨缺风导致底层火检不稳定，采用减小燃尽风，加强底层磨二次风等措施加强燃烧。