350 MW 机组锅炉大比例掺烧高硫褐煤试验研究

李宏岩 王永 葛成用 徐漠北 蒲建业 梁辰

（1 吉林电力股份有限公司四平第一热电公司 吉林四平 136001 2 中电投东北能源科技有限公司 辽宁沈阳 110179）

0 引言

随着经济增速放缓及电力市场深化改革的推进，燃煤发电企业成本竞争日趋激烈。为了控制燃料成本，电力系统内各燃煤电厂持续推出配煤掺烧工作，配煤掺烧的能力和水平已经成为企业的核心竞争力［1］。为了强化燃料成本控制、最大限度挖掘掺烧潜力、提升企业的经济运行水平，需要加快深度配煤掺烧的步伐。市场上高硫煤（特指白音华矿高硫褐煤，霍林河高硫褐煤）相对宽松［2-3］。为了缓解燃料来源供应紧张的问题，希望可以通过此项研究，提升高硫煤掺烧比例，增强设备对高硫煤的适应能力，防止大比例燃用高硫褐煤出现锅炉屏过严重结焦，排烟SO2含量大幅升高等问题［4-6］，在安全燃烧条件下提高高硫煤的混配比例，实现降本增效的目的。

1 锅炉概况及煤质分析

1.1 锅炉概况

某350 MW 机组锅炉为哈尔滨锅炉制造公司制造的HG-1165/17.5-HM3 型锅炉，亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢构架的∏型汽包炉。

1.2 煤质分析

该机组锅炉煤源主要为内蒙古霍林河露天煤矿褐煤，掺烧部分辽源矿务局金保屯煤矿和东辽县兴达煤炭有限公司的燃煤。配5 台MPS212HP-Ⅱ中速磨煤机，正压直吹式制粉系统，摆动式直流燃烧器、四角布置、切向燃烧方式。设计煤质，在最大连续蒸发量工况时，4 台磨煤机运行，1 台备用。煤粉细度（R90）为35%。给水调整采用汽动泵，机组配置2 台50%B-额定负荷容量的汽动给水泵。

设计煤质和校核煤质数据见表1。

表1 锅炉设计和校核煤质

2 试验方案

2.1 试验内容

（1）磨煤机出口一次风速调平试验；

（2）磨煤机出力及煤粉细度试验；

（3）炉膛温度场测试试验；

（4）常规煤种，75%以上稳定负荷优化运行方式，燃烧调整试验；

（5）不同磨组合的掺烧高硫褐煤试验（入炉煤不同含硫量试验）；

（6）最优高硫煤（入炉煤含硫量）掺烧工况的验证试验；

（7）通过脱硫增效剂进一步提高脱硫系统适应性试验。

2.2 试验数据处理方法

（1）一次风速测试及调平［7］。用经过校验的测速管测量各一次风管内一次风动压及静压，从而求得整个截面的平均动压值Pd（Pa），并用经过校验的标准T 型热电偶测量风温。通过式（1）计算一次风粉管管道风速。

式中：k 为靠背管速度系数；ρ 为气流密度，kg/m3；按式（2）计算。

式中：Pa 为当地大气压，Pa；Ps 为所测截面静压，Pa；t 为所测气流温度，℃；ρ0为标准状态下的空气密度，取1.293 kg/m3。

（2）一次风质量流量Qm见式（3）。

式中：A 为一次风管通流面积，m2。

（3）风速的最大相对偏差见式（4）。

式中：Qmax（min）是4 根管道内最大（最小）的风量，kg/s；Qave是4 根管道内的平均风量，kg/s。

3 试验结果分析

机组检修后开始进行高硫煤掺烧试验。由于试验时间较长，期间电厂来煤煤质有较大变化，白音华高硫褐煤的含硫量也不是很固定，部分车次的霍林河褐煤含硫量相对更高些。试验期间入炉煤的平均热值13 155 kJ/kg，平均干基全硫1.03%，收到基灰分19.26%，煤的平均全水分31.65%，平均干燥基灰分28.12%，平均干燥无灰基挥发分49.124%。部分霍林河褐煤的干基硫分含量也比较高，与白音华褐煤接近。如果高硫霍林河褐煤与白音华煤同时燃用，高负荷工况脱硫系统压力较大，因此上煤时需要预测机组负荷率，同时做好配煤掺烧工作，防止2 种高硫煤同时燃用。

3.1 制粉系统煤粉细度测试

试验期间保持试验磨煤机稳定运行，给煤量与风量保持不变，维持磨煤机出口风粉混合物温度在60 ℃～65 ℃。煤粉取样化验分2 次进行。对比2 次取样的煤粉细度情况。ABC 磨为白音华高硫褐煤，DE 磨为霍林河褐煤。

2 次煤粉取样都在满负荷工况下进行，磨出口温度、给煤量等参数基本一致。结果如图1 和图2 所示：磨煤机最大出力在43 t/h～45 t/h 出力时，2 个工况相同磨的煤粉细度相差不大。煤粉均匀性指数较检修前均有很大好转。D、E 磨煤机煤粉细度偏细，有利于飞灰的燃尽和降低飞灰含碳量，对于缓解折焰角积灰结焦是有利的。总体看煤粉细度较好，满足当前煤质的燃烧情况。鉴于低负荷工况锅炉折焰角部位有积灰的情况，本次试验煤粉系统不做调整。

图1 各台磨煤机平均煤粉细度（R90）

图2 各台磨煤机粉管煤粉均匀性指数

3.2 一次风速测试

ABC 磨为白音华高硫褐煤，DE 磨为霍林河褐煤。各台磨出口粉管风速测试结果如图3 和图4 所示。

图3 各台磨煤机平均风速

图4 各台磨煤机粉管风速偏差

从测试结果看，磨煤机在40 t/h～45 t/h 左右出力的情况下，E 磨平均风速27.71 m/s，最大偏差是4 号粉管-3.68%，磨煤机入口风量标定系数0.947 7；D 磨平均风速26.28 m/s，最大偏差是2 号粉管6.55%，磨煤机入口风量标定系数0.987 4；C磨平均风速27.09 m/s，最大偏差是2 号粉管7.31%，磨煤机入口风量标定系数0.808 0；B 磨平均风速27.06 m/s，最大偏差是4 号粉管5.20%，磨煤机入口风量标定系数0.629 6；A 磨平均风速28.06 m/s，最大偏差是4 号粉管-5.43%，磨煤机入口风量标定系数0.891 1。各别粉管风速偏差超过±5%，需要通过可调缩孔调节到风速偏差在±5%范围。

3.3 不同掺烧比例炉膛温度测试

试验测试AB 2 台磨掺烧白音华褐煤和ABC 3 台磨掺烧白音华褐煤时不同负荷的炉膛温度。机组没有供热时，电负荷300 MW 对应的锅炉蒸发量在880 t/h 左右；机组带供热时，电负荷最高到320 MW，锅炉蒸发量最高970 t/h。

掺烧试验主要测试炉膛出口位置、火焰中心位置、燃烧器下部区域和冷灰斗区域。从测试结果看，同层标高炉膛温度分布比较平均，偏差较小，E 层燃烧器上部附近，测试#3 角和#4角炉膛温度比同层#1 和#2 角稍高，高负荷工况主燃烧器上部观火孔均有少量结焦。

炉膛温度测试结果如图5 和图6 所示，AB 磨掺烧白音华高硫褐煤最高负荷下炉膛出口1 230 ℃，锅炉火焰中心位置测试最高温度1 460 ℃，冷灰斗温度920 ℃，炉膛温度最高的区域在主燃烧器区域上部到燃尽风喷口附近，普遍在1 400 ℃左右。不同的配风方式和煤种对锅炉炉膛温度最高的区域影响较大。从煤质分析看，白音华褐煤的灰熔点T2 在1 300 ℃左右，霍林河褐煤灰熔点T2 在1 260 ℃～1 420 ℃，扎哈褐煤的灰熔点T2 在1 120 ℃左右，因此，除非大量燃用扎哈褐煤，否则在炉膛出口屏区基本不会结焦。在锅炉主燃烧区域上部到燃尽风喷口位置容易出现结焦情况，测试期间锅炉观火孔的结焦情况也说明这一点。其中，锅炉E4、E3 燃烧器上部观火孔结焦的情况相对多些，但是不影响锅炉运行。

图5 AB 磨白音华高硫煤不同负荷炉膛温度测试

图6 ABC 磨白音华高硫煤不同负荷炉膛温度测试

ABC 3 台磨掺烧白音华褐煤炉膛温度分布和AB 2 台磨掺烧白音华褐煤比较变化不大。从长时间低负荷深调看，在折焰角部位有积灰现象发生。随着运行时间延长，积灰有缓慢增加的趋势。因此，不建议4 台制粉系统掺烧低热值、高灰分的白音华褐煤。

3.4 锅炉配风调整试验

由于锅炉送风机选型偏大，在锅炉800 t/h 蒸发量出力时，风机动叶开度为0。此时运行氧量2.5%～3.5%，排烟中一氧化碳小于200 μg/g，飞灰含碳量小于0.6%，主燃烧器区域二次风门开度小于10%，燃尽风用于调整烟温偏差和汽温偏差，开度较小，多数处于关闭状态，SCR 脱硝系统入口NOx 在400 mg/Nm3左右。

在锅炉800 t/h 蒸发量以下出力时，送风机动叶开度为0，只能通过关小燃烧器区二次风挡板开度和关小燃尽风区风门挡板开度来降低运行氧量，尽量减少NOx 的生产，降低排烟热损失，此时，缺少送风的调节手段。一次风调节，根据煤量和入炉煤质情况，选择最少的制粉系统运行，在不堵磨的情况下，降低一次风压力。

本次配风调整试验主要在满负荷工况进行，重点考察锅炉炉膛烟气温度分布，试验在300 MW 负荷、锅炉蒸发量940 t/h下进行。试验测试不同配风方式下的具体烟气温度如图7 所示。预热器入口氧量如图8 所示，预热器出口烟气温度如图9 所示。

图7 不同配风方式下炉膛温度测试

图8 配风方式调整前后预热器入口氧量变化

图9 配风方式调整前后预热器出口温度变化

配风调整前后炉膛温度变化情况：下炉膛出口位置，烟气温度降低明显。主燃烧器区域上部，烟气温度变化不明显。A 层喷口下烟气温度有所升高。再热蒸汽温度呈下降趋势。这种配风方式下，对于灰熔点偏低的褐煤有防止结焦的作用。对于灰熔点较高的煤建议按原始配风方式运行。

3.5 不同负荷锅炉燃烧优化运行指导

通过不同负荷工况和不同煤种变化的锅炉燃烧调整试验测试，锅炉AB 锅炉磨掺烧白音华高硫褐煤和ABC 磨掺烧白音华高硫褐煤均不会对锅炉燃烧产生太大的影响，配煤掺烧的原则是分磨掺烧，不建议在煤场混煤掺烧。另外，掺烧白音华褐煤时把入厂煤的灰熔点作为混煤掺烧的依据，防止掺烧导致炉膛结焦。低负荷工况，灰分含量较大的褐煤不宜多掺烧，防止锅炉折焰角斜坡积灰。推荐不同负荷工况锅炉运行氧量及风门开度调整如图10 所示。其中II、HH、GG 开度始终为0，EE 风门开度在10%～20%，根据具体负荷而定，负荷高取上限值，SOFA 摆角始终保持50%。

图10 不同负荷工况锅炉运行氧量及风门开度调整

3.6 高硫煤掺烧工况NOx 排放

AB 磨掺烧白音华褐煤，试验期间没有供热，机组最高带300 MW 负荷，锅炉880 t/h 出力，测试不同负荷下NOx 排放情况。试验结果如图11 所示，锅炉860 t/h 蒸发量以下负荷，SCR脱硝系统入口NOx 排放值相差不大，排放值较高，低氮燃烧的效果不明显，运行氧量偏高，燃尽风开度较小，只有调整气温偏差时#2 角和#3 角燃尽风开度在20%左右。

图11 AB 磨掺烧白音华褐煤NOx 排放情况

脱硝催化剂不变的情况下，高硫煤掺烧SO2/SO3转化率基本没有增加，转化量会有所增大。脱硝剂用量没有明显变化，氨逃逸没有明显变化。

ABC 磨掺烧白音华褐煤，试验期间机组带有供热，机组最高带320 MW 负荷、锅炉980 t/h 出力，测试不同负荷下SCR脱硝系统入口NOx 排放情况。试验结果如图12 所示，与AB磨掺烧白音华褐煤相比，锅炉出力相差不大的工况，SCR 脱硝系统入口NOx 排放相差不大，最大负荷工况，运行氧量相对低些，NOx 排放相对减少。同样，燃尽风开度较小，低氮燃烧的效果不明显，运行氧量偏高。

图12 ABC 磨掺烧白音华褐煤NOx 排放情况

3.7 高硫煤掺烧工况SO2 排放

本次试验分两个阶段进行。机组检修前主要是少量掺烧，煤场混煤，掺烧比例在30%左右，运行历史曲线表明，此时脱硫入口SO2浓度最高2 500 mg/Nm3。机组检修后，通过分磨掺烧的方式进行大比例高硫煤掺烧试验，首先进行AB 磨掺烧白音华高硫褐煤试验，然后进行ABC 磨掺烧白音华高硫褐煤试验，结果表明300 MW 负荷工况白音华高硫褐煤掺烧比例最高达到60%。如果ABCD 4 台磨运行，掺烧比例可以达到75%，不推荐ABC 3 台磨运行的100%掺烧模式。试验期间机组300 MW 负荷工况，脱硫入口SO2浓度最高达到3 400 mg/Nm3，在不投入脱硫增效剂的情况下，已经超出脱硫塔的最大设计上限，此时，脱硫塔出口SO2浓度接近环保排放的上限值。试验期间的运行历史曲线表明：随着入炉煤含硫量的不同，脱硫塔入口SO2浓度相差较大。

4 结论

（1）AB 2 台磨和ABC 3 台磨掺烧高硫煤的效果较好，在氧量控制合适、配风合理的情况下，没有结焦。最佳的掺烧方式是ABC 3 台磨掺烧白音华高硫煤，这种磨组合方式运行比较灵活，满负荷或者大负荷工况4 台～5 台制粉系统运行，ABC 3 台磨可以全烧白音华高硫煤；中间负荷工况4 台制粉系统运行，可以采用ABCD、ABDE、BCDE、ABCE 等磨组合方式；低负荷工况，3 台制粉系统运行，兼顾再热蒸汽温度偏低的问题，可以停A、B、C 任何一个制粉系统，磨组合方式灵活，有调整的余地。

（2）不建议4 台制粉系统掺烧高硫煤运行，另外不推荐DE 磨掺烧高硫煤，尤其是灰熔点较低、灰分含量较大的白音华高硫褐煤。从试验结果看，在3 台磨掺烧高硫煤的时候，到脱硫塔入口SO2浓度达到3 400 mg/Nm3，虽然这个时候还有1台浆液泵备用（故障），但是引风机全压已经接近失速区，系统阻力的任何扰动都可能导致引风机失速。

（3）白音华高硫褐煤掺烧试验结果表明满负荷工况白音华高硫褐煤掺烧比例达到60%。如果ABCD 4 台磨运行，掺烧比例达到75%，不推荐ABC 3 台磨运行的100%掺烧模式。3台磨掺烧试验期间脱硫入口SO2浓度最高达到3 400 mg/Nm3，在不投入脱硫增效剂的情况下，已经超出脱硫塔的最大设计上限，脱硫塔出口SO2浓度在环保排放标准的上限运行。

（4）炉膛温度测试表明2 台磨掺烧高硫褐煤和3 台磨掺烧高硫褐煤差别不大。满负荷工况下炉膛出口1 240 ℃左右，炉膛火焰中心测试最高温度1 440 ℃左右，冷灰斗温度970 ℃左右。锅炉炉膛温度最高的区域在主燃烧器区域上部到燃尽风喷口附近，普遍在1 400 ℃左右。从长时间低负荷深调看，在折焰角部位有积灰现象发生，随着运行时间延长，积灰有缓慢增加的趋势。因此，不建议4 台制粉系统掺烧低热值、高灰分的白音华褐煤。

（5）试验表明不同比例掺烧白音华高硫褐煤对SCR 脱硝系统出口NOx 排放影响不大，脱硝催化剂不变的情况下，高硫煤掺烧SO2/SO3转化率基本没有增加，转化量会有所增加。