火電機(jī)組鍋爐摻燒長(zhǎng)焰煤對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響的研究

呂洪炳，華曉宇，徐愛(ài)民，湯敏華，宋玉彩

（1.浙江浙能富興燃料有限公司，杭州 310051；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310052）

火電機(jī)組鍋爐摻燒長(zhǎng)焰煤對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響的研究

呂洪炳1，華曉宇2，徐愛(ài)民1，湯敏華1，宋玉彩1

（1.浙江浙能富興燃料有限公司，杭州 310051；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310052）

為了研究火電機(jī)組鍋爐摻燒不同比例長(zhǎng)焰煤（以麻家梁煤為例）對(duì)機(jī)組運(yùn)行中燃燒、結(jié)渣、脫硫系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，對(duì)某發(fā)電廠開(kāi)展了配煤摻燒試驗(yàn)，分析摻燒不同配比麻煤對(duì)爐膛溫度、鍋爐燃燒器結(jié)渣的影響以及摻燒麻煤使機(jī)組尾部脫硫漿液中毒的根本原因，最后分析計(jì)算了摻燒麻煤對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的改善狀況。結(jié)果表明：摻燒麻煤降低機(jī)組SO2排放量，其中除塵器不能有效地去除的飛灰中微細(xì)顆粒進(jìn)入到脫硫系統(tǒng)造成脫硫漿液中毒現(xiàn)象；摻燒麻煤可有效地改善鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

麻家梁煤；摻燒；結(jié)渣；脫硫；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

長(zhǎng)焰煤是中國(guó)煤炭分類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中煤化度最低的煙煤，揮發(fā)分較高，燃燒時(shí)火焰較長(zhǎng)，例如麻家梁煤（以下簡(jiǎn)稱麻煤），煤礦位于山西朔州市，屬寧武煤田，地質(zhì)學(xué)屬于石炭紀(jì)煤種，其原煤灰分平均26.99%，基本以中灰為主；原煤全硫平均0.46%，屬特低硫或低硫煤；原煤揮發(fā)分平均39.60%，平均發(fā)熱量21.99 MJ/kg，為中高熱值煤。

實(shí)際摻燒長(zhǎng)焰煤發(fā)電的機(jī)組，發(fā)現(xiàn)鍋爐上煤、燃燒系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)遇到若干問(wèn)題，給電站鍋爐的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)諸多不便。以摻燒麻煤的機(jī)組為例，尤為突出的問(wèn)題具體表現(xiàn)為：鍋爐存在燃燒器區(qū)域結(jié)渣、脫硫系統(tǒng)漿液中毒的現(xiàn)象。

以某發(fā)電廠5號(hào)機(jī)組為例，為研究機(jī)組摻配燃用不同比例麻煤對(duì)鍋爐燃燒、結(jié)渣、脫硫、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題的影響開(kāi)展了配煤摻燒試驗(yàn)并進(jìn)行分析總結(jié)，以期為其他類似機(jī)組提供借鑒。

1 鍋爐概況

某發(fā)電廠5號(hào)機(jī)組配套的鍋爐設(shè)備為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG670/140-8型鍋爐，該型鍋爐為超高壓中間再熱、單汽包自然循環(huán)、固態(tài)除渣煤粉鍋爐，采用2臺(tái)鋼球磨煤機(jī)、中間儲(chǔ)倉(cāng)式熱風(fēng)送粉的制粉系統(tǒng)，其中干燥劑再循環(huán)份額為49%，三次風(fēng)約占進(jìn)入爐膛總風(fēng)量的18%，燃燒器四角布置4組直流式煤粉燃燒器，并采用小切圓的燃燒方式。該鍋爐已經(jīng)過(guò)低氮燃燒器改造，配置了燃盡風(fēng)。

2 摻燒試驗(yàn)用煤情況及分析

試驗(yàn)煤種為大同混煤（簡(jiǎn)稱大混）、大混與麻煤的配煤（大∶麻比例分別為3∶1，2∶1，1∶1），試驗(yàn)煤質(zhì)工業(yè)分析、元素分析、灰熔點(diǎn)、微量元素F與Cl含量指標(biāo)如表1所示?？傮w而言從各單煤及混煤的煤質(zhì)指標(biāo)來(lái)看，大混煤與麻煤的基本特性差異較小，F(xiàn)與Cl含量基本處于國(guó)內(nèi)煤平均范圍，除麻煤的硫分含量略低于大混煤之外，其他干燥無(wú)灰基揮發(fā)分含量、灰熔融性溫度等指標(biāo)處于同一水平。摻燒方式是爐前摻混。

表1 試驗(yàn)期間煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

3 摻燒麻煤對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響與分析

3.1 摻燒麻煤對(duì)爐膛溫度影響分析

圖1與圖2分別是不同比例麻煤與大混煤燃燒時(shí)燃燒器出口溫度與爐膛溫度。從圖1可以看出試驗(yàn)期間各工況的下一次風(fēng)噴口溫度最低（900℃左右），除下一次風(fēng)噴口外，其他各層燃燒器出口溫度均在1 050℃左右。與摻燒麻煤相比，全燒大混煤時(shí)中下一次風(fēng)、下一次風(fēng)噴口出口溫度均最低，分析認(rèn)為可能是全燒大混煤熱量釋放較為分散，導(dǎo)致測(cè)量溫度較低[1]。

圖1 不同比例麻煤與大混煤燃燒噴口溫度

5號(hào)爐主燃燒器區(qū)前后墻中間及兩側(cè)均有數(shù)量不等觀火孔，將此部分區(qū)域測(cè)量溫度按照高度作平均值得到圖2。隨著燃燒器高度的增加，主燃燒器爐膛溫度先增加后降低，在中層燃燒器區(qū)域達(dá)到最高值。爐膛平均溫度最低1 200℃，最高1 450℃左右，隨麻混煤摻燒比例的增加，爐膛溫度最高值總體有上升趨勢(shì)。爐膛內(nèi)的火焰溫度較高，燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷偏高[2，3]。5號(hào)爐設(shè)計(jì)容積熱負(fù)荷較高（131.8 kW/m3）。

圖2 不同比例麻煤與大混煤燃燒時(shí)主燃燒器區(qū)爐膛溫度

3.2 摻燒麻煤對(duì)鍋爐結(jié)渣情況影響分析

灰質(zhì)成分和熔化溫度是鍋爐結(jié)渣的內(nèi)因[4]。一般來(lái)說(shuō)，酸性氧化物可以提高灰的熔點(diǎn)和粘度，堿性氧化物在滿足一定條件時(shí)促進(jìn)灰熔點(diǎn)降低并使熔體變得稀薄，各組分含量及相互比例對(duì)灰熔點(diǎn)亦有較大影響?；屹|(zhì)中的酸性氧化物（SiO2，Al2O3，TiO2）的熔融溫度較高、灰熔點(diǎn)較高，其中硅鋁含量越高，越不容易結(jié)渣。堿性氧化物Fe2O3，CaO，MgO，Na2O，K2O的含量在某一范圍時(shí)，煤種呈現(xiàn)出較強(qiáng)的結(jié)焦性，其中鈉鉀鈣含量越高，越易造成結(jié)渣[5]。摻燒不同比例麻煤試驗(yàn)期間，鍋爐水冷壁結(jié)渣情況未見(jiàn)嚴(yán)重結(jié)渣趨勢(shì)。這也與表 2的測(cè)試結(jié)果相符，灰中酸性氧化物（SiO2，Al2O3）的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堿性氧化物的含量，較大程度減少了麻煤灰分對(duì)鍋爐結(jié)渣的影響。

配燒麻煤試驗(yàn)期間測(cè)試噴口溫度同時(shí)觀察噴口著火狀況，發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)噴口存在不同程度的帶火或噴火現(xiàn)象，所有噴口著火狀況如表3所示。從表中統(tǒng)計(jì)狀況可知隨著大∶麻混煤摻燒比例由3∶1增加到1∶1時(shí)，帶火噴口數(shù)量有增加趨勢(shì)，原因在于麻煤摻燒使得煤熱值發(fā)生了改變，而熱值的增加會(huì)引發(fā)一次風(fēng)噴口帶火。而下一次風(fēng)噴口溫度最低，帶火卻最為嚴(yán)重，原因可能是該廠鍋爐燃燒器結(jié)構(gòu)及下一次風(fēng)量太小，使得煤粉氣流的著火距離過(guò)近，引發(fā)下一次風(fēng)噴口帶火。1號(hào)角相對(duì)其他角而言，帶火噴口最多，結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)運(yùn)行人員反映，鍋爐噴口帶火狀況受低NOX燃燒器改造的影響較大，該經(jīng)驗(yàn)與文獻(xiàn)[6，7]中結(jié)論較為一致。摻燒麻煤試驗(yàn)期間可知5號(hào)鍋爐燃燒器區(qū)域出現(xiàn)的結(jié)渣現(xiàn)象很可能是由于一、二次風(fēng)沒(méi)有混合好，推遲燃料燃燒過(guò)程，使得爐內(nèi)火焰中心高度上移，爐膛出口處煤粉燃盡率下降，特別是爐膛出口處局部缺氧，導(dǎo)致灰熔點(diǎn)降低，出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象；而因?yàn)槁槊夯抑兴嵝匝趸锏拇嬖?，摻燒麻煤雖然不能緩解結(jié)渣，但本身并不會(huì)惡化結(jié)渣。

3.3 摻燒麻煤對(duì)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行影響分析

摻燒不同比例麻煤下的脫硫系統(tǒng)SO2排放情況如圖3所示，由圖3可知：隨著大∶麻混煤摻燒比例由3∶1增加為1∶1，SO2排放由最初的1 600 mg/m3逐漸降低到1 300 mg/m3附近，之后又升高到1 500 mg/m3左右。之所以SO2排放有這樣的變化趨勢(shì)，很可能是因?yàn)?∶1配燒麻煤后的含硫量較2∶1配煤后的含硫量有所升高造成。由于麻煤的摻燒，SO2排放整體上呈減輕趨勢(shì)，進(jìn)而緩解了脫硫系統(tǒng)壓力。

表2 燃用不同比例麻煤時(shí)灰成分 %

表3 5號(hào)爐1，2，3，4角噴口帶火情況

有研究[5-11]發(fā)現(xiàn)飛灰中攜帶的氟離子、鋁離子進(jìn)入脫硫漿液中可形成AlFx絡(luò)合物，這些AlFx絡(luò)合物包裹住石灰石顆粒，形成“石灰石屏蔽”，阻礙石灰石溶解及其與SO2之間的反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致脫硫漿液中毒。不同工況脫硫漿液、廢水中的F-與Cl-含量如圖4和圖5所示。隨著麻混煤摻燒比例的增加，漿液和廢水中F-與Cl-含量并沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，說(shuō)明在試驗(yàn)期間摻燒麻煤對(duì)F-與Cl-含量沒(méi)有形成影響作用。試驗(yàn)期間所采集漿液樣品中Cl-含量范圍在8.73～13.77 g/L，F(xiàn)-含量在5 mg/L左右，均在正常可接受范圍內(nèi)。而大∶麻=1∶1工況下漿液氯離子上升可能與廢水排放和工藝水補(bǔ)充頻率波動(dòng)有關(guān)，但兩者濃度均屬于正常范圍內(nèi)，對(duì)脫硫效率的負(fù)面影響較小。

不同工況脫硫漿液、廢水中的鋁離子、鐵離子和鎂離子含量如圖6和圖7所示。漿液中Al3+和Fe3+含量范圍分別在0.14 mg/L和9 mg/L以內(nèi)，Mg2+含量在1 289～1 872 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，三者濃度均屬于正常范圍內(nèi)。然而對(duì)于燃用麻家梁煤時(shí)脫硫漿液表現(xiàn)出的中毒現(xiàn)象，很可能是有大量經(jīng)過(guò)電除塵后的微細(xì)顆粒粉塵不能被電除塵捕捉而進(jìn)入脫硫系統(tǒng)造成的[11]。而這觀點(diǎn)正與表4的數(shù)據(jù)相符，從表4中數(shù)據(jù)可以看出：隨著麻煤摻燒比例的增加，飛灰粒徑有減小的趨勢(shì)，同時(shí)微細(xì)顆粒所占比例增加，表明更多的微細(xì)顆粒粉塵從除塵器中逃逸，最終使?jié){液中毒。

圖3 不同比例麻煤與大混配燒的SO2排放

圖4 漿液、廢水中氟離子含量

圖5 漿液、廢水中氯離子含量

圖6 漿液中Al3+與Fe3+含量

圖7 漿液中Mg2+含量

表4 不同比例麻煤飛灰粒徑和不同粒徑飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)

鈣硫比（MCa/MS）是影響機(jī)組脫硫效率的一個(gè)重要因素，機(jī)組脫硫效率隨MCa/MS改變的變化趨勢(shì)可為爐內(nèi)脫硫劑投入量以及鍋爐最佳運(yùn)行床溫的控制提供一定的依據(jù)[12]。MCa/MS一般指注入吸收劑量與吸收二氧化硫的物質(zhì)的量比值，計(jì)算公式按照式（1）。對(duì)于石灰石濕法FGD（選擇性催化還原），MCa/MS應(yīng)控制在1.02～1.05，根據(jù)圖8中漿液鈣硫比的變化趨勢(shì)可知，摻燒麻煤后漿液雖出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，但鈣硫比未發(fā)生明顯變化，接近1.02。說(shuō)明爐內(nèi)脫硫效率隨MCa/MS增大變化幅度較大，摻燒麻煤試驗(yàn)過(guò)程中漿液的石灰石利用率較高。

式中：XCaCO3為石膏中CaCO3的質(zhì)量含量；MCaCO3為CaCO3物質(zhì)的量的質(zhì)量，100.09 g/mol；XCa-SO4·2H2O為石膏中 CaSO4·2H2O的質(zhì)量含量；MCaSO4·2H2O為CaSO4·2H2O物質(zhì)的量的質(zhì)量，172.18 g/mol；XCaSO3·0.5H2O為石膏中 CaSO3·0.5H2O的質(zhì)量含量；MCaSO3·0.5H2O為CaSO3·0.5H2O物質(zhì)的量的質(zhì)量，129.15 g/mol。

圖8 漿液中鈣硫比

3.4 摻燒麻煤對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響分析

配燒不同比例麻煤試驗(yàn)期間，鍋爐效率計(jì)算結(jié)果如表5所示，在鍋爐主蒸汽流量630 t/h前提下，修正后排煙熱損失q2在6%左右波動(dòng)，隨麻煤摻燒比例增加變化無(wú)規(guī)律；隨摻燒麻煤比例增加，修正后鍋爐效率由92.00%增加至92.74%。摻燒25%麻混煤爐效增加較少。隨麻混煤摻燒比例增加，固體不完全燃燒損失由1.15%逐漸降低至0.81%，降低0.34%，故而降低了固體不完全燃燒損失則是間接地提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。配燒不同比例麻煤時(shí)鍋爐效率與固體不完全燃燒損失如圖9與圖10所示。

表5 不同工況下鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

圖9 不同比例麻煤與大混煤燃燒時(shí)鍋爐效率

圖10 不同比例麻煤與大混煤燃燒時(shí)固體不完全燃燒損失

表6 不同工況下經(jīng)濟(jì)性分析

考慮到不同運(yùn)行工況氧量波動(dòng)的差異，在經(jīng)濟(jì)性計(jì)算時(shí)，以全燒大混煤為基礎(chǔ)工況，僅考慮固體不完全燃燒損失部分引起的鍋爐效率差異。假設(shè)5號(hào)爐200 MW機(jī)組汽輪機(jī)發(fā)電熱耗率為8 400 kJ/kWh，管道效率為99%，不同工況下機(jī)組的發(fā)電標(biāo)煤煤耗如表6所示，大∶麻為1∶1摻燒時(shí)較全燒大混煤標(biāo)煤耗低1.16 g/kWh，降低幅度最大，折合發(fā)熱量為20 230 kJ/kg大混煤降低煤耗1.68 g/kWh。按照全年使用小時(shí)數(shù)5 000 h計(jì)算，節(jié)約大混煤使用量約為1 680 t，按照動(dòng)力煤平均價(jià)格（5 000 kcal）的455元/t，運(yùn)費(fèi)45元/t計(jì)算，約降低燃料成本84.0萬(wàn)元/年。

4 結(jié)論與建議

麻煤具有特有的性質(zhì)，在摻燒麻煤試驗(yàn)中可以得知麻煤對(duì)于燃煤發(fā)電廠來(lái)說(shuō)可謂是利弊皆有。鍋爐燃燒器區(qū)域結(jié)渣是因?yàn)橐弧⒍物L(fēng)沒(méi)有混合好，爐膛出口處局部缺氧，導(dǎo)致灰熔點(diǎn)降低，出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，所以摻燒麻煤不是造成鍋爐結(jié)渣的原因；由于麻煤的摻混使得飛灰顆粒呈較小趨勢(shì)，進(jìn)而除塵器不能有效地去除飛灰中的微細(xì)顆粒，而這些顆粒順著氣流進(jìn)入了脫硫系統(tǒng)，造成了脫硫漿液中毒現(xiàn)象。但同時(shí)摻燒麻煤可以顯著改善運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)成本，若結(jié)合發(fā)電廠情況妥善使用，麻煤還是可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的。

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（本文編輯：陸 瑩）

Research on Effect of Mixed-burning Long Flame Coal on Unit Operation of Thermal Units Boiler

LYU Hongbing1，HUA Xiaoyu2，XU Aimin1，TANG Minhua1，SONG Yucai1
（1.Zhejiang Zheneng Fuxing Fuel Co.，Ltd.，Hangzhou 310052，China；2．Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.,Hangzhou 310052,China）

In order to study the influence of mixed-burning long flame coal（Majialiang coal for instance）in different proportions on combustion，slagging and the desulfurization system during the operation of the unit and the running efficiency of the boiler，coal blending test is conducted in a power plant to analyze the impact of the blended coal on furnace temperature，burner slagging as well as the fundamental reasons of slurry poisoning at the tail of coal-fired boiler.Finally，operation efficiency improvement of the blended Majialiang coal is analyzed and calculated.The result shows that the blended Majialiang coal can reduce SO2emissions; the precipitator can not remove fine particles in the flying ash that enters into desulphurization system to poison the slurry.The mixed-burning of Majialiang coal can effectively improve operation economy of boiler.

Majialiang coal；blending；slagging；desulfurization；economy

TK227

A

1007-1881（2017）02-0047-06

2016-12-29

呂洪炳（1973），男，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理及煤炭清潔、經(jīng)濟(jì)燃燒等方面的工作。