大型电站锅炉煤种适应性探讨

摘要： ：从燃煤特性、设备结构和运行条件三方面，探讨了大型锅炉煤种适应性问题，并通过配煤掺烧调整试验，寻求炉型与煤种的最佳耦合。 
关键词： 锅炉；煤种；适应性 
　

0　概述

　　在现代火力发电厂中，大型锅炉的燃烧特性是影响机组安全、经济运行的主要因素之一。影响大型锅炉燃烧特性的因素很多，其中由于锅炉设计偏差或实际燃用煤质的变动所造成的锅炉炉型结构与煤质特性不匹配问题，是国内大型电站锅炉普遍存在的问题。解决上述问题的主要途径是改造设备、调整运行参数或选用合适的煤种。浙江北仑发电厂二期工程3台600MW锅炉，在设备存在设计缺陷的条件下，通过煤种适应性试验研究，解决了锅炉燃烧器区域严重结渣问题，并明显提高了锅炉的燃烧效率，实现了炉型与煤种的较佳耦合。
　　浙江北仑发电厂二期工程3台600 MW锅炉，是由日本IHI提供的亚临界、单汽包、自然循环、一次中间再热、平衡通风、箱式锅炉，配备带中速磨的直吹式制粉系统，采用前后墙对冲的燃烧方式。锅炉自投运以来，结渣问题相当突出，尤其是上层燃烧器区域结渣严重，渣的厚度通常达到500 mm以上，塌渣使集控室有明显震感，大量落渣堵塞渣斗，并砸坏水冷壁管子，严重威胁到锅炉的安全运行。此外，炉膛出口飞灰含碳量不稳定，烟气中未燃烬损失过大，使锅炉运行的经济性受到影响。
　　影响锅炉结渣、燃烧效率等因素很多，除了与燃料本身特性有关外，还与燃烧过程的热力参数、炉膛及燃烧器结构、锅炉负荷等因素有关。在分析锅炉燃煤特性、设备结构与运行条件的基础上，进行配煤掺烧调整试验研究，是解决上述问题的一种有效方法。

２　应用质量管理实现带电作业的实践过程

　　根据煤碳生成的年代不同，可分为侏罗纪、二叠纪和石炭纪时期煤种。研究表明：侏罗纪时期煤种一般发热量较高，着火性、燃烬性较好，但结渣性普遍较强。石炭纪时期煤种一般着火性、燃烬性均较好，灰熔点温度较高而不易结渣，但灰分和硫分偏高。
　　二期锅炉设计煤种属常灰分、低硫分、中挥发分、强结渣性的晋北烟煤，实际常用煤种为：平混煤、优混煤、富兴煤、大末煤等，均属于烟煤范畴。二期锅炉设计及常用煤种的煤质指标（应用基）见表1。

　　平混煤产于山西平朔煤田，属于石炭纪时期的烟煤。它的煤质特点是：常灰分、中高硫分、中高挥发分、弱结渣，同一煤层的煤质相对比较稳定。平混煤的着火性、燃烬性能均较好，尤其是灰熔点温度很高，这对制约或减轻炉内结渣非常有利。平混煤的煤质指标与二期锅炉设计煤种比较，其灰分、挥发分、硫分等指标偏高，发热量偏低，灰熔点温度远高于设计煤种。
　　根据煤层不同，平混煤的煤质也不相同。平混煤按其发热量高低，浙江北仑发电厂将其分成二大类：①平二：Qnet＝22.0～24.0MJ/kg，DT>1400℃；②平三：Qnet＝20.0～22.0MJ/kg，DT>1400℃。
　　优混煤产于山西大同地区，基本上属于侏罗纪时期的烟煤。由于大同矿区开采时间长，且煤矿较为分散，因此煤质相对不稳定。优混煤属于中低灰分、中低硫分、中高挥发分、易结渣煤种，其着火特性和燃烬性能均较好。优混煤因煤质变化大，北仑发电厂按发热量和灰熔点温度将其分成三类：①优一： Qnet＝24.0～25.5MJ/kg，DT>1100℃；②优二： Qnet＝22.0～24.0MJ/kg，DT>1200℃；③优三： Qnet＝19.0～22.0MJ/kg，DT>1300℃。
　　富兴煤是省电力燃料公司根据我厂二期锅炉的煤质指标要求，在秦皇岛煤码头专门配制的一种混煤。富兴煤的原煤产地仍在大同、平朔等地，属于侏罗纪和石炭纪时期的混煤。富兴煤的煤质指标基本接近优二煤。
大末煤是中国煤炭进出口公司提供的一种混煤，其燃烧特性、结渣特性与优一煤基本相近，大末煤的煤质指标与设计煤种比较，其发热量、挥发分较高，灰分较低，硫分含量接近设计值。大末煤的灰熔点温度DT较高，但DT、ST、FT比较接近，因此使用大末煤时要注意防止锅炉大渣块的形成。
　　从煤种结渣特性分析，根据国电热工研究院一维火焰试验炉上测定的结渣特性指数SC，分以下4个等级

      SC　　　　　　<2.5　　　2.5～4.5　　　　4.5～6.5　　　　>6.5
结渣特性等级　　　　低　　　　　中　　　　　　　　高　　　　　　严重　　　

　另外，根据灰熔融性温度或灰渣黏度特性的判据指标，也可作为煤质结渣特性初级判别的依据。按所有判据的判别结果，北仑发电厂常用煤种，除大末煤、优一煤等属严重结渣性煤种以外，其余煤种的结渣特性都属中、低等级。对常用煤种按不同比例掺混后，其燃烧性能无明显变化，而其结渣性随着低结渣性煤种掺混比例的增加而降低。

3　设备结构与运行条件

　　二期锅炉炉膛宽为22.20m，深为15.97 m，高为59.0m。炉膛截面积为354m2,炉膛有效容积为17987m3。从锅炉的设计参数分析，锅炉炉膛有效容积比同类型锅炉大10％左右，其容积热负荷及截面热负荷相对较小。但二期锅炉设置24只燃烧器，每层燃烧器中心之间的垂直距离仅为3.5m，与一期2号锅炉（600MW）相比，燃烧器只数减少1/3，燃烧器层高减小1.375m。炉膛容积放热强度qv(BMCR)=85.9 kW/m3；炉膛断面放热强度qf(BMCR)=4.36MW/m3；燃烧器区壁面放热强度qb(BMCR)=2.02 MW/m3。锅炉单只燃烧器的热负荷偏大，燃烧器区域壁面计算热负荷比2号炉提高了20%左右，致使燃烧器区域的热量过分集中。
　　锅炉燃烧器采用IHI－FW双调风结构，一次风通过涡壳切向进入燃烧器喷入炉膛，旋流方向与二次风相同。该燃烧器具有以下特点：①一次风旋流，扩散角较大，煤粉容易造成贴壁；②一次风喷口过分后缩，使煤粉与二次风提前混合，着火距离缩短；③二次风流速偏高，比国内同类型燃烧器二次风速高20%以上。在煤粉燃烧初期，燃烧火炬急剧膨胀，形成了速度很高而扩散程度较大的火焰，在喷口外周产生炽热回流区，极易生成环形渣丘。
　　因此，锅炉燃烧器配置不合理，导致燃烧器区域局部热负荷过高，燃烧器结构设计不当，使燃烧器扩散角过大产生火焰贴壁，是二期锅炉燃烧器区域容易产生严重结渣的主要原因。
　　锅炉运行条件对结渣和炉效的影响主要有煤粉和配风两方面。在二期锅炉投运之初，已进行制粉系统调整试验，各台磨煤机的煤粉细度控制在R75＝20％～24％，已达到国内常规标准，这对防止结渣及提高炉效是有利的。
　　从配风方面分析，运行中锅炉省煤器后氧量一般控制在3.6%～4.4%，相当于α＝1.20～1.26，也在正常范围。二期锅炉设计有OAP控制风门，其主要作用是实现分级燃烧，降低燃烧器区域氧浓度，从而减少烟气中NOx的生成与排放。OAP控制风门的开度直接影响燃烧器二次风量与OAP风量的配比。
　　增大OAP控制风门开度，能有效降低烟气中NOx浓度，但与此同时，由于燃烧器区域二次风量减小，使该区域还原性气氛增强，势必对锅炉效率和燃烧器区域结渣产生不利影响。根据试验结果，OAP挡板开度推荐值为60%～70%。
　　燃烧器内、外二次风调节叶片开度对控制煤粉着火距离及火焰旋流强度和扩散角都至关重要，因此对燃烧器区域结渣有直接影响。燃烧调整试验结果表明，以控制外二次风调节叶片垂直间距离120～130mm为最佳，过小则火焰有贴壁现象，过大则不利于低负荷下的稳定运行。内二次风调节叶片垂直距离控制在80mm为最佳，此时煤粉气流着火距离为400～800mm。
　　为解决燃烧器二次风调节叶片位置复现性差，容易引起火炬形状变异、导致燃烧工况不稳定的问题，对燃烧器二次风调节叶片的控制逻辑进行了修改，由原设计燃烧器二次风调节叶片开度控制，改为二次风道小风门控制，保证了燃烧器二次风调节叶片的同步性和合适位置，对稳定燃烧效率、减轻炉内结渣起到了一定作用。

4　配煤掺烧试验结果分析

　　为研究常用煤种对锅炉的适应性，进行了大量的配煤掺烧试验。试验中采用按不同比例分磨配煤掺烧不同煤种，即部分磨煤机进一种煤，其余磨煤机进另一种煤的方法，并对炉内结渣、汽温特性、锅炉效率、制粉系统运行状况等方面进行综合评价分析，从而确定适用煤种及掺烧比例。试验结果如下：
　　（1） 单烧平三煤时，机组的最高出力受到明显制约。当负荷在540 MW左右时，各台磨煤机混风挡板开度已没有调节余量，磨煤差压普遍已达到报警值，石子煤量大幅度增加，且石子煤中含有大量细煤，经化验分析石子煤的发热量达到12 000 kJ/kg。此外，空预器进出口压差明显上升，影响到送风机的安全运行。
　　（2） 平三煤与优二煤掺烧时，随着优二煤掺烧比例增加，制粉系统的运行状况明显得到改善，燃烧器区域结渣有上升趋势。
　　（3） 单烧优二煤时，制粉系统运行状况良好，锅炉运行的各项技术参数也较好，但当锅炉长期高负荷运行时，燃烧器区域的结渣仍比较严重，尤其是中间层及上层燃烧器周围，存在约30～40 cm厚度的峰窝状渣块
　　（4） 富兴煤的煤质指标与优二煤相似，运行参数与单烧优二煤相近，但富兴煤可磨性不及优二煤，制粉单耗有上升趋势，石子煤量也有所增加。燃用富兴煤后燃烧器区域结渣情况有所好转。
　　（5） 发热量较高的平二煤，因其灰熔点温度DT一般都大于1 400 ℃，所以对制约二期锅炉燃烧器区域结渣有利。
　　（6） 单烧平二、平三煤时炉膛出口飞灰含碳量最低，但石子煤热量损失也最大；单烧优二煤时，炉膛出口飞灰含碳量相对较高，但石子煤热量损失最小；富兴煤介于平混煤和优二煤之间。使用优二煤时排烟温度较低，平混煤次之，富兴煤较高。
　　（7） 从燃煤的总体性能评价，二期锅炉以中等结渣性的优二煤作为基本煤种并掺烧40％左右的低结渣性煤种比较合适；平二煤、发热量相当的富兴煤可以作为优二煤的替代煤种。

5　结论

　　北仑电厂二期锅炉，在中、低结渣性煤种掺烧比例为3：2时，能使结渣得到有效控制，且锅炉效率、汽温特性、制粉系统状况等能达到运行要求。对于配备中速磨直吹式制粉系统的大型燃煤锅炉，采用分磨掺烧方式，能解决或改善燃用单一煤种所带来的炉型与煤性不匹配问题。

6　参考文献

　　［1］　胡伟锋.配煤掺烧试验及分析.华东电力,1997,5(12)；32～33.