660 MW 机组高热值新疆煤分磨掺烧试验研究

郎 宁，郭玉鑫，杨 威，胡红伟

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，浙江 杭州 311121）

0 引 言

新疆煤炭资源丰富，预测资源量2.09 万亿吨，约占全国预测储备的39.3%[1]。 新疆原煤产量逐年上升，2019 年全区煤炭产量达2.38 亿吨，同比增长24.9%。 根据国家能源战略部署和自治区经济社会发展需要，新疆是我国第十四个现代化大型煤炭基地，同步已逐渐形成以吐哈、准噶尔、伊犁、库拜四大煤田为中心的重要能源接替区和战略能源储备区[2，3]。 随着内地煤炭资源的日益枯竭及国家环保治理力度的不断加大，根据国家《煤炭工业发展“十三五”规划》，明确了全国煤炭开发总体布局调整为：压缩东部，限制中部和东北，优化西部。 新疆煤炭产能随之开始逐步释放，在满足当地市场需求的同时，大幅度提高煤炭的产运量，填补国内市场的缺口[4]。

综合考虑运输成本，在浙江某660 MW 超临界机组电厂进行高热值新疆煤掺烧试验。 本文在对高热值新疆煤的工业分析、元素分析的基础上，结合热重实验分析，对新疆煤的燃烧特性进行初步研究，并在电厂以分磨燃烧的方式进行掺烧试验，了解陆运高热值新疆煤对某660 MW 超临界火电机组的试烧性能。

1 试验设备及方法

试验所用热重（TGA）系统使用瑞士梅特勒-托利多公司的TGA/DSC3 +热重分析仪。 热分析仪的测温范围为室温至1600 ℃，线性升温速率为0.1 ～150 ℃/min 可调。

为研究高热值新疆煤的燃烧特性，利用热重分析仪，分析煤的着火温度、燃尽温度及最大燃烧速率温度，试验采用20 ℃/min 的升温速率，反应气氛为空气，流量为80 L/min，保护气氛为N2，流量20 L/min，煤量为10 mg左右，每个煤样多次试验，减小平均误差所引起的影响。

图1 TGA与DTG着火温度计算方法

根据煤种的热重分析曲线（TGA）和微商热重分析曲线（DTG），本文采取最常用的TG-DTG法，可以分析出煤种的着火温度Ti、燃尽温度Th和最大燃烧速率温度Tmax。 具体方法是在TG-DTG图像中，选取DTG曲线的失重点峰值为A点作垂线，该A点的横坐标为煤的最大燃烧速率温度Tmax，该垂线交于DT曲线于B点处作切线，该切线与失重开始时的平行线相交于C，C点对应的横坐标温度即为煤粉的着火温度Ti，燃尽温度Th选取样品中可燃成分消耗98%时对应的温度[5]。

2 高热值新疆煤煤质分析

2.1 工业分析及元素分析

本次研究选取该电厂的常用煤种蒙混和富动24 号动力煤作对比试验研究，表1 和表2 分别为高热值新疆煤与蒙混、富动24 号的工业分析和元素分析。

表1 试验煤种的工业分析

表2 试验煤种的元素分析

从煤质分析中可以看出，高热值新疆煤相对于其他两种煤灰分较低，固定碳较高，C、H 和S元素也高于对比的试验煤种，因此，热值均大于蒙混煤和富动24 号。

2.2 灰成分分析

在煤灰的沾污特性评价中，一般将煤中当量Na作为沾污判别指标[6]，煤中当量Na指标沾污性判断分级界限如表3 所示。

表3 煤中当量钠沾污性判别分级界限

煤中Na当量如式（1）所示：

式中，Na2O和K2O为煤灰中氧化钠和氧化钾的含量，%；Ad为煤中灰分，%。

煤中钠盐为易挥发物质，在高温挥发后，容易凝结在受热面上形成烧结或粘结性的灰尘积。 煤灰中的碱金属化合物的熔点比较低，当碱金属愈多时，灰的烧结性愈强，受热面就愈容易积灰[7]。本批次高热值新疆煤的灰成分分析如表4 所示，煤中碱金属含量不高，由碱金属引起的结渣倾向并不会太强。

表4 高热值新疆煤灰成分分析

3 热重实验分析

新疆煤、蒙混煤和富动24 号的热重分析曲线（TG）和微商热重曲线（DTG）分别见图2 和图3。

图2 新疆煤、蒙混煤和富动24 的DT曲线

图3 新疆煤、蒙混煤和富动24 的DTG曲线

按照TG-DTG法对新疆煤、蒙混煤和富动24进行燃烧特性分析（见表5），3 种常用煤中蒙混煤的燃烧特性相对较好，着火温度和燃尽温度分别为372 ℃和580 ℃，相比于新疆煤和富动24 均较低。 新疆煤和富动24 的着火温度和最大燃烧速率温度相接近，燃尽温度低705 ℃比富动24 的616 ℃更为滞后。

表5 新疆煤、蒙混煤和富动24 燃烧特性

除了燃尽温度外，煤的燃尽受到受到煤种的挥发分、内水、固定碳以及灰分等因素的影响，是一个复杂的过程，燃尽特性指数Fz的计算方法也有多种。 有学者采用式（2）利用煤的工业分析指标对煤的燃尽指数Fz进行评估[8]。

从表6 可以看出，新疆煤相比于蒙混煤和富动24 的内水很低，但煤中含有较高的固定碳使得燃尽指数为10.31，略高于蒙混煤的9.89 和富动24 的9.49。 虽然新疆煤的燃尽温度较高，但燃尽指数稍高于蒙混煤和富动24 号。

表6 新疆煤、蒙混煤和富动24 号试验煤种燃尽特性

4 660 MW 机组高热值新疆煤掺烧试验

4.1 机组概况

本次掺烧试验在某电厂660 MW 超临界燃煤锅炉上进行。 锅炉本体采用螺旋炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置的∏型锅炉，锅炉配有带循环泵的内置式启动系统。 采用ZGM中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，配置B&W 公司的DRB-4Z超低NOx双调风旋流燃烧器及NOx（OFA）喷口。 尾部设置分烟道，采用烟气分流挡板调节再热器出口汽温。 尾部竖井下设置两台三分仓回转式空气预热器。

4.2 试验工况

本次掺烧试验采用分磨掺烧的试验方式，共进行三个试验工况，其中包括燃用该厂常用煤种的蒙混与优混的基础工况，工况1 为一仓新疆煤，工况2 为二仓新疆煤，其余保持蒙混与优混不变。试验期间保持锅炉汽温汽压稳定运行，控制二次风门开度不变。 试验主要包含掺烧新疆煤的安全性及经济性。

4.3 试验结果

4.3.1 制粉系统评估

试验选取F磨为试验磨组，控制此磨煤机煤量45 t/h，风量投自动模式，磨煤机出口温度85 ℃，在磨制常用煤种优混煤与试验煤种新疆煤稳定运行期间记录各参数（见表7）。 试验结果表明：在磨制优混煤与新疆煤期间，制粉系统均能正常运行，相比磨煤机电流无明显变化，石子煤排放量正常，在磨制新疆煤的时候干燥出力情况比磨制优混要好，这是由于新疆煤水分较低的原因。

表7 新疆煤与常用煤种优混磨煤机运行情况

4.3.2 减温水量投运情况

表8 中对比了三个工况下锅炉过热器与再热器减温水量投运情况，随着新疆煤掺配比例的提高，减温水量有一定增加，应与新疆煤的燃尽温度较高有关，随着新疆煤掺配比例的提高，锅炉燃烧器区域煤粉燃尽越滞后，但整体的减温水量维持在正常可控水平，锅炉各受热面无超温情况。

表8 三个工况下锅炉过热器与再热器减温水量对比（单位：t/h）

4.3.3 炉膛结渣情况

在三个工况下，锅炉不吹灰稳定运行8 小时后，观察炉膛的燃尽风OFA层与屏过区域的结渣情况，随着新疆煤掺配比例的增加，OFA层水冷壁清晰可见，无明显结渣情况，屏过区域位置结渣较少，未见有大面积挂焦情况。 在试验期间，炉膛负压未发生大范围波动，说明试验期间炉膛结渣情况良好，无大渣掉落的情况发生。

4.3.4 锅炉热效率

在基础工况、掺烧1 仓新疆煤、掺烧2 仓新疆煤3 个工况下，当机组负荷处于稳定600 MW 的工况下分别进行了锅炉热效率试验（见表9）。

表9 三个工况下锅炉热效率对比

从表9 可以看出，随着新疆煤的占比增加，飞灰含碳量及CO浓度变化不大，主要是由于排烟温度有所上升，导致锅炉热效率略微下降，应与新疆煤燃尽温度相对偏高、燃烧拖后有关。

5 结 论

（1）高热值新疆煤具有水分低，固定碳高，碱金属含量低、燃尽温度高的特点。

（2）制粉系统在磨制新疆煤时能正常运行，磨煤机各项指标均正常，相同条件下磨制新疆煤时的干燥出力要优于电厂的常用煤种优混。

（3）在进行基础工况、掺烧1 仓、2 仓新疆煤三个工况下，锅炉均可稳定运行。 随着新疆煤比例的增加，减温水量有一定提高，三个工况下锅炉效率分别为93.11%、92.74%、92.73%，修正到设计工况下锅炉效率分别为93.32%、93.28%、92.98%。随着掺烧新疆煤比例增加锅炉效率略有下降，上述两种情况应与新疆煤的燃尽温度较高有关，随着新疆煤掺配比例的提高，锅炉燃烧器区域煤粉燃尽越滞后。

（4）针对新疆煤燃尽温度较高的特性，建议在实际运行中，可采用增加二次风门开度，降低煤粉细度等措施，促进煤粉提前燃尽，提高锅炉热效率。