燃煤锅炉掺烧神木煤的研究与应用

第1页共8页1燃煤锅炉掺烧神木煤的研究与应用吕晓东潘丽华柯建新（华东电力试验研究院上海200437）摘要：结合神木煤的综合特性及其在国内电站锅炉上的具体应用，从煤种和锅炉设计、运行的相关环节角度着手，定性分析了掺烧神木煤锅炉所应具备的条件，并通过工程实践阐明了掺烧煤技术能否成功实施的几大关键因素。本文的结论可为掺烧煤技术的研究与应用提供有效的指导。关键词：神木煤掺烧结渣煤热分析1.简述近期，市场上神木煤价格明显比其他煤种低，许多发电企业均产生了采购神木煤进行掺烧以降低生产成本的设想。由于锅炉原设计煤种及常用煤种在煤质上往往与神木煤存在着较大差异，如何评估锅炉对新煤种的适应性，进而制订科学合理的掺烧方案，在获取最大经济利益的同时，避免锅炉因掺烧而发生受热面结焦熄火、煤粉燃烧器烧损、制粉系统爆燃、锅炉汽温控制失控，是掺烧能否应用的关键问题。早期125MW等级锅炉炉膛设计热力参数往往比较高，随着运行年限的增加，锅炉系统设备老化严重，系统缺陷频繁，自动化水平较低。在通过定性分析确定锅炉具备开展掺烧的可行性前提下，必须依托动力配煤和煤种调质技术选择合适的掺烧基础煤种、掺烧比例和掺烧方式，并从设备条件、运行方式、配煤管理等环节出发进行科学的掺烧试验，才能确保锅炉长期安全运行。以下结合在上海电力股份公司下属闵行电厂和杨树埔电厂所开展的掺烧工作，就掺烧试验研究关键技术展开分析。2.燃用神木煤的电站锅炉运行情况分析国内设计燃用神木煤的电站锅炉为数不少。早期设计的燃用神木煤的锅炉，锅炉容积热负荷和断面热负荷均较大，这些锅炉投产后存在不同程度的炉膛及过热器受热面结渣情况。许多文献对此都有过报道。在燃用神木煤的锅炉发生上述问题后，后期投产的燃用神木煤锅炉无一例外在设计时选用了较低的容积热负荷和断面热负荷，其中华能太仓电厂qv=93kW/m3；吴泾第二发电厂qv=85kW/m3。这两个电厂锅炉投产后不存在结焦情况，只是汽温略微偏低。根据有关资料数据，目前国内制造厂新设计的600MW燃用神木煤的锅炉，在设计时均选取了较低的容积热负荷。第2页共8页2由西安热工研究院主持编写的新版〈电站锅炉炉膛选型导则〉则将燃用神木煤的锅炉炉膛容积热负荷限定在85kW/m3（Π型炉）和75kW/m3（T型炉）。图1：燃用神木煤部分电厂锅炉热力参数比较3.煤种和炉型的适应性分析3.1燃用具有结焦倾向煤种时炉膛热力参数的选择原则锅炉设计时，最关键的因素是必须根据设计煤种确定合适的炉膛结构参数。对采用具有高挥发份、低灰熔点的具有结焦倾向的煤种，必须采用较低的容积/断面热负荷。据文献[2]介绍，煤着火、燃尽特性及煤灰结渣倾向对于炉膛热力特性参数值选择的影响趋势如表1所示。表1煤燃烧、结渣特性对于炉膛热力特性参数值选择的影响趋势名称炉膛容积热负荷qv炉膛截面热负荷qF燃烧器区域热负荷qHr机组容量↑↓↑↓煤的着火性能↑-↓↓煤的燃尽性能↑↓↓↓煤灰结渣倾向↑↓↓↓从上表可以看出，当燃煤的结渣趋势增强时，相应的炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷、燃烧器区域热负荷都应取低值与之匹配。对于已经投运的锅炉，当改变煤种时，就必须对新煤种—原炉型的适应性重新进行分析和评估。掺烧高挥发份、低灰熔点的神木煤、从设计角度考虑所适合的炉型要求是：炉膛外形必须选用高大型；切圆燃烧其直径相对较小，尽量减少煤粉颗粒冲刷炉膛内壁，同时增大灰粒向四壁流动的冷却空间；炉内热负荷设计相对要小，以延长燃烧气流在炉膛停留时间，提高燃烬程度，降低炉膛出口温度，避免炉膛出口及过热器部位结渣。降低炉膛截面燃烧强度和燃烧器区域温度，对减缓炉膛结渣和避免烧损燃烧器有一定12710414111910393854.84.65.14.94.54.14.7708090100110120130140150华能石二扬二厂北仑1号北仑2号北仑二期华能太仓吴二厂4.04.24.44.64.85.05.2炉膛容积热负荷(kW/m3)炉膛断面热负荷(MW/m2)第3页共8页3的效果。3.2煤种变化对锅炉出口烟温影响的定性分析煤性—炉型的适应性主要体现在煤质变化对炉内传热的影响上。具体表征为炉膛出口烟温的变化和烟气流量的变化。炉膛出口烟温的计算公式下式。27311067.56.013111cpjjllllVBTFT其中6.0pjlaM炉膛出口烟温的高低主要与炉内火焰中心位置、火焰黑度、炉膛水冷壁热有效系数以及理论燃烧温度有关。表2：煤质特性与各传热要素的关系名称火焰中心位置（系数M的大小与火焰中心高低相反）火焰黑度hya炉膛水冷壁热有效系数pj理论燃烧温度lT1灰份减少-↓-↑水分增加↑↑-↓发热量增加---↑挥发份增加↓---结渣性增加↑-↓-分析影响锅炉炉膛出口烟温的主要因素，燃料的特性起了决定性作用。其中煤的灰分大小对炉膛黑度影响很大，而煤种变化引起的炉膛水冷壁污染系数对炉膛出口温度也有显著影响。以闵行电厂8号炉为例，假设锅炉全部燃烧神木煤，由于炉膛原设计高度较小（8号炉原设计是油炉，后改为煤炉，并又进行过增容改造），因神木煤挥发份高着火提前，实际火焰中心下移比例不会很大，而炉膛黑度则由燃用大混煤时的0.92降低到燃用神木煤时的0.75，在炉膛水冷壁污染程度假设与原煤种一致的前提下，炉膛计算出口温度（按原苏联1973年版热力计算标准）将上升约60℃。若水冷壁污染程度加剧，则水冷壁污染系数每下降0.05（即对应热有效系数下降约0.05），炉膛出口烟温将上升约27℃。当预测改变燃料品种后锅炉炉膛热力参数将发生很大改变时，必须对锅炉系统设备的调节能力和安全裕度作出评估，如果超过可以承受的范围，就必须借助配煤技术对计划燃用的煤种进行调质，并通过锅炉热力计算确定安全的掺烧比例。3.3神木煤调质实验主要结论[3]相关文献给出了神木煤调质的实验主要结论为：用大同煤对神木煤调质，较用长治煤、淮南煤调质后的灰熔点提高幅度最大，对改善神木煤灰的结焦是有效的，神本煤与大同煤掺混比例为85:15～80:20之间时，灰熔点变化率最大。神木煤灰熔点温度可提高90℃。用灰熔点大于1500℃的大同煤对神木煤进行调质，效果明显。神木煤的T1一般为1100～1300℃之间，T1小于1250℃时，调质效果明显。T1大于1250℃时，调质意义不大。第4页共8页44.掺烧对制粉系统的要求4.1挥发份原煤的挥发份越高，煤就越容易着火和燃烧，但这也对制粉系统的运行和存储（停机备用）带来了极大的困难。根据有关方面对国内部分燃用高挥发分煤种的电厂的调研，发现这些电厂在机组运行中都发生过制粉系统的爆燃事故，且多发生在磨煤机的启停过程中。根据标准《电站磨煤机及制粉系统选型导则》（DL/T466-2004）（报批稿）规定，当煤的干燥无灰基挥发分大于25%时，不宜采用中间仓储式制粉系统。4.2水分原煤中的水分越高，越容易导致制粉系统煤仓、给煤机等粘结、堵塞。因此要求混煤的全水分尽可能接近设计煤种。神木煤的全水平均为14.5%相对较高，通常而言这将会影响制粉出力。5.掺烧煤技术的应用策略5.1锅炉是否具备掺烧能力的评估确定锅炉是否具备掺烧能力，主要要借助于煤性----炉型的定性分析结果，同时还必须对系统设备及结构的历史变更、制粉系统安全性、过再热器减温水裕量、防止结焦的手段、运行设备可调性、自动调节系统投用状态等环节进行综合分析和预估。5.2基础煤种和混配煤煤种的确定在充分了解机组燃煤历史（煤质历史数据统计分析、供煤质量稳定性及波动范围）的基础上，首先按照煤种调质方法确定基础煤种。然后将基础煤种和待掺烧煤种按不同比例进行配制混合，对配制的混煤进行较为系统的实验室试验，初步选定试烧混配煤煤种。试烧混配煤煤种实验室试验主要以确定混配煤的燃烧特性和结焦特性为目标。其中煤的燃烧特性主要通过热分析试验获得，煤灰的结焦特性主要通过煤灰的熔融特性试验获得。煤粉的热分析试验是用来表征煤粉燃烧特性的非常规实验室指标。主要指标有着火温度T1、燃烬温度Te、热失重曲线（TG）和微分热失重曲线（DTG）----即燃烧分布曲线。失重曲线及燃烧分布曲线分别描述了煤在燃烧过程中水分蒸发、着火、可燃质的燃烧及燃烬各阶段中的重量变化值及相应的变化速度。燃烧分布曲线的形状可表征煤粉着火、燃烧、燃烬的难易程度。对于煤灰结焦特性分析，前人的研究巳总结出了很多的结焦特性判别准则，主要包括灰的熔融温度、灰渣粘温特性和灰成分。研究结果表明：既没有任何一项准则可以完全正确地预报结焦倾向，但任何一项准则又都有相当的可靠性（～70%），其中灰软化温度ST、硅/铝比SiO2/Al2O3（SR）及碱/酸比（J）比较常用（见表3）。表3煤灰结焦常用的判别指标结焦指数判别界限预测结焦程度ST（℃）13901260--13901260轻微中等严重SiO2/Al2O31.72.8～1.72.8轻微中等严重第5页共8页5J=B/A0.2060.204～0.40.4轻微中等严重J=B/A=（Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O）/（SiO2+Al2O3+TiO2）从煤的通用性结渣特性指标（灰的熔融特性、灰的碱酸比J、硅比SR）角度分析，燃用神木煤的锅炉结渣的可能性比较大。但神华煤的灰分为5％--10％，属低灰分煤种，结渣率相对较低。按国家煤质特性划分，神华煤属不粘结煤或弱粘结煤，不易结渣。神木煤的灰渣的结焦性虽然不强，灰分又小，但由于碱性氧化物含量大，一旦结焦，吹灰器很难将其清除，对锅炉安全性影响很大。5.3混配煤种的炉型适应性分析进行混配煤种的炉型适应性分析，对锅炉燃用混配煤种在运行中可能出现的问题做出预见；对燃用混配后煤种锅炉燃烧是否稳定、结焦与否以及主辅设备及其系统性能参数将发生何种变化等问题做出定性判断。5.4掺烧运行方式的确定通过基础煤种的相关试验了解设备运行状况，结合混配煤种煤质特性提出配煤掺烧试验的运行方式；依据混煤对锅炉设备的相适应程度，选出合适的混配比例进行现场工业性配煤掺烧，进一步验证实验室分析预测的准确性；5.5存在问题的解决措施观察所选的混配方式对实际锅炉运行安全、经济性的影响程度，从中找出满足掺煤需求并适合当前锅炉设备运行的混配方式，并从系统设备、运行方式、配煤管理等方面分析目前仍然存在的问题并寻求解决措施。6.掺烧煤技术的实际应用[4][5]上海电力股份有限公司闵行发电厂和杨树浦发电厂现役煤粉锅炉，原设计均燃用烟煤。主要区别是：闵行电厂6台炉（8/9号、10/11号、12/13号3个炉型），原设计蒸发量分别为360t/h、400t/h和420t/h，选用不同的制粉系统（风扇磨直吹/钢球磨乏气/钢球磨热风）；而杨树浦电厂为前后墙对冲塔式炉。表4锅炉原始设计数据统计表项目单位闵行8/9号炉闵行10/11号炉闵行12/13号炉杨树浦锅炉类型/自然循环高压汽包炉自然循环高压汽包炉自然循环高压汽包炉自然循环汽包炉锅炉容量t/h360410420525燃用煤种/大混、淮南、淮北、平朔、开元及其各种混煤烟煤锅炉燃烧方式/四角切圆四角切圆四角切圆前后墙对冲燃烧系统类型/中下一次风相对集中布置中下一次风相对集中布置中下一次风相对集中布置旋流燃烧器制粉系统形式/风扇磨钢球磨乏气钢球磨热风中速磨第6页共8页6项目单位闵行8/9号炉闵行10/11号炉闵行12/13号炉杨树浦直吹式送粉送粉直吹式计算炉膛出口烟温℃1097110911141150计算燃料消耗量kg/h53106584006056466600炉膛计算容积m31701187121772519炉膛容积热负荷kW/m3188.3181.5161.8155.0炉膛断面热负荷MW/m24.014.234.174.426.1根据锅炉设计炉膛热力特性及系统设备配备初步确定可以掺烧的锅炉相关文献对容量为400t/h、燃用烟煤的固态排渣炉的相关热负荷推荐值[6]为：炉膛容积热负荷qv：99～198kW/m3，若ST1350℃，则取下限；炉膛断面热负荷qf：易结渣煤的：取2.91～3.37MW/m2，对冲燃烧的取3.02～3.72（