混煤摻燒安全性與經(jīng)濟(jì)性研究

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450000)

0 引 言

近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，包含火力發(fā)電企業(yè)在內(nèi)的各行業(yè)對(duì)煤炭需求的大幅度增加，導(dǎo)致煤炭?jī)r(jià)格不斷攀升，設(shè)計(jì)、校核煤種供應(yīng)緊張，為降低燃煤采購(gòu)成本，應(yīng)對(duì)設(shè)備存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)電廠普遍采用混煤摻燒技術(shù)。

混煤摻燒可解決鍋爐多種問(wèn)題，如摻燒結(jié)渣性較低煤種可解決鍋爐結(jié)渣，摻燒高硫煤可降低燃煤飛灰比電阻，摻燒高灰發(fā)分煤種可降低灰渣含碳量，摻燒高揮發(fā)分煤種可解決低負(fù)荷穩(wěn)燃問(wèn)題，摻燒高揮發(fā)分煤種可降低SCR入口NOx濃度等。

1 混煤摻燒方式的選擇

1.1 爐外摻混、混磨混燒摻燒

該摻燒方式在煤場(chǎng)或輸煤上煤過(guò)程中進(jìn)行。摻配不均時(shí)容易出現(xiàn)諸多問(wèn)題，配風(fēng)的調(diào)整很難同時(shí)滿(mǎn)足兩種煤的需求，該方式適用于燃燒特性及可燃性差別較小煤種的摻燒。對(duì)于可磨系數(shù)差別較大的煤按此方式摻燒，不僅制粉出力降低、單耗增大，而且會(huì)使灰渣含碳量大幅升高，引起鍋爐熱效率下降，因此該摻燒方式不適宜跨煤種摻燒。

1.2 分磨磨制，倉(cāng)內(nèi)摻混，爐內(nèi)混燒

該摻燒方式適用于倉(cāng)儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，采用分倉(cāng)上煤方式，磨制完成后，煤粉在粉倉(cāng)內(nèi)摻混，爐膛內(nèi)完成混燒。分倉(cāng)上煤可避免在控制煤粉細(xì)度時(shí)，可磨性系數(shù)高的煤被磨的偏細(xì)、可磨性系數(shù)低的煤磨的偏粗的現(xiàn)象，及制粉系統(tǒng)出力降低、單耗增加等問(wèn)題；根據(jù)不同煤種的燃盡特性控制煤粉細(xì)度，該摻燒方式適宜可磨系數(shù)及燃燒特性差別較大的煤種摻燒。

1.3 分倉(cāng)上煤，分別磨制、分層送入爐內(nèi)

該摻燒方式適應(yīng)于中速磨直吹式制粉系統(tǒng)、雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)及部分倉(cāng)儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)。該摻燒方式具有分磨磨制，倉(cāng)內(nèi)摻混，爐內(nèi)混燒的優(yōu)點(diǎn)，還可跟據(jù)各層燃燒器燃煤的特點(diǎn)針對(duì)性地控制各層的一次風(fēng)速、風(fēng)溫(直吹式制粉系統(tǒng))等參數(shù)，摻燒效果更好。對(duì)于儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)及雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)，摻燒煤種的適應(yīng)性很廣，不僅能適應(yīng)相鄰煤種的摻燒也能適應(yīng)跨煤種摻燒；由于中速磨直吹式制粉系統(tǒng)在磨制無(wú)煙煤時(shí)，細(xì)度達(dá)不到要求，故該摻燒方式不適宜無(wú)煙煤與其它煤種的摻燒。

表1 不同煤種摻燒時(shí)摻燒方式的比較及選擇

注：分倉(cāng)上煤分層摻燒低灰熔點(diǎn)煤時(shí)，低灰熔點(diǎn)煤放在中、下層摻入。

2 混煤摻配比例依據(jù)

計(jì)算各種煤的摻配比例時(shí)按以下約束條件立出方程求解：

X1Vdaf1+X2Vdaf2≥Vdaf,min

(1)

摻配后煤的最低揮發(fā)分Vdaf min主要跟據(jù)爐型、燃燒器布置方式考慮鍋爐的穩(wěn)燃性能及燃盡性能確定；

X1Qnet,arl+X2Qnet,ar2≥Qnet,ar min

(2)

摻配后煤的最低發(fā)熱量Qnet,ar min主要根據(jù)制粉系統(tǒng)、給粉機(jī)出力確定能否滿(mǎn)足機(jī)組帶負(fù)荷的需要；

X1Aar1+X2Aar2≤Aar min

(3)

摻配后煤的最高灰分Aar max主要根據(jù)輸灰系統(tǒng)的輸灰能力確定。

X1Sar1+X2Sar2≤Sar max

(4)

摻配后煤的最高硫分Sar max主要根據(jù)脫硫系統(tǒng)的余量及水冷壁高溫腐蝕的傾向確定。

3 混煤摻燒中出現(xiàn)的問(wèn)題及避免方法

3.1 爐內(nèi)結(jié)渣

摻燒煤種的灰熔點(diǎn)溫度較原燃用煤種降低較多時(shí)或摻燒高硫分煤種，以及摻燒煤種在燃燒過(guò)程中與原煤種形成低灰熔點(diǎn)的共晶體時(shí)，將引起鍋爐結(jié)渣。為避免摻燒低灰熔點(diǎn)煤引發(fā)的爐內(nèi)結(jié)渣，采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)的低灰熔點(diǎn)煤應(yīng)在爐膛中下部送入。高硫煤的摻燒主要避免在高還原性氣氛區(qū)域形成低灰熔點(diǎn)的共晶體。低氮燃燒器改造后的鍋爐，主燃燒區(qū)域整體呈現(xiàn)高還原性氣氛，高硫煤摻燒應(yīng)采用爐前摻混方式，避免集中送入。

3.2 水冷壁高溫腐蝕

在摻燒高硫煤時(shí)，爐內(nèi)水冷壁容易出現(xiàn)高溫腐蝕。燃用高硫煤時(shí)爐內(nèi)存在較高濃度的H2S氣體，H2S與爐管發(fā)生反應(yīng)形成腐蝕，在壁面存在較高濃度CO，爐管溫度較高時(shí)，腐蝕速率加快。摻燒高硫煤要跟據(jù)燃燒器布置的特點(diǎn)確定是否適合摻燒。對(duì)于四角切圓燃燒器鍋爐，二次風(fēng)對(duì)一次風(fēng)的包裹性較好，在壁面不容易出現(xiàn)缺風(fēng)燃燒，壁面的還原性氣體濃度較低，摻燒高硫煤時(shí)不容易引起鍋爐高溫腐蝕；對(duì)于采用上下濃淡方式燃燒器，且一次風(fēng)采用小切圓或微反切，二次風(fēng)采用大切圓方式，二風(fēng)對(duì)煤粉的包裹較好，水冷壁面還原性氣氛較低，摻燒高硫煤不容易引起高溫腐蝕；對(duì)于旋流對(duì)沖燃燒方式鍋爐，為避免高溫腐蝕可在主燃燒器區(qū)域布置貼壁風(fēng)。

3.3 排煙溫度升高

對(duì)于設(shè)計(jì)燃用高揮發(fā)分煤種的煙煤爐型，在摻燒低揮發(fā)分的貧煤或無(wú)煙煤時(shí)，煤粉燃盡性能降低，火焰中心抬高，引起排煙溫度升高。為避免排煙溫度升高，直吹式制粉系統(tǒng)的鍋爐可通過(guò)分倉(cāng)上煤方式將低揮發(fā)分煤種放在中下層燃燒器送入降低火焰中心高度，同時(shí)對(duì)磨制低揮發(fā)分煤種的磨提高磨出口溫度來(lái)減少冷風(fēng)摻入量，增加空預(yù)器換熱的方法降低排煙溫度。對(duì)于設(shè)計(jì)燃用低揮發(fā)分煤種制粉系統(tǒng)為直吹式的鍋爐，摻燒高揮發(fā)分煤種時(shí)，為防止制粉系統(tǒng)爆炸，磨煤機(jī)控制出口溫度降低，磨煤機(jī)入口摻入的冷風(fēng)量增加，使經(jīng)過(guò)空預(yù)器的熱風(fēng)量減少，造成空預(yù)器換熱能力減弱，同樣會(huì)引起排煙溫度升高。對(duì)此應(yīng)通過(guò)優(yōu)化降低磨煤機(jī)風(fēng)量，減少摻入冷風(fēng)量達(dá)到降低排煙溫度的目的。

3.4 燃燒器及粉管燒損

設(shè)計(jì)燃用低揮發(fā)分煤種的鍋爐，在摻燒高揮發(fā)分煤種時(shí)容易產(chǎn)生制粉系統(tǒng)爆炸及一次風(fēng)管回?zé)龁?wèn)題。為避免爆炸及回?zé)龁?wèn)題，應(yīng)在原來(lái)基礎(chǔ)上整體增加一次風(fēng)速，避免摻燒高揮發(fā)分煤種時(shí)著火點(diǎn)前移造成燃燒器及風(fēng)管燒損。采用分倉(cāng)上煤爐內(nèi)摻燒方式的設(shè)計(jì)燒低揮發(fā)分煤種的鍋爐，摻燒高揮發(fā)分煤種時(shí)，要將摻燒高揮發(fā)分煤種的磨煤機(jī)風(fēng)量增大，提高對(duì)應(yīng)層的一次風(fēng)速。

4 混煤摻燒的燃盡問(wèn)題及提高燃盡率的措施

4.1 混煤的可磨系數(shù)

研究表明，混煤的可磨系數(shù)不是在任何情況下均為可單一煤種可磨系數(shù)加權(quán)平均值，只有摻混的兩個(gè)單一煤種可磨系數(shù)較接近時(shí)，混煤的可磨系數(shù)采可加權(quán)平均；當(dāng)摻混的兩個(gè)煤種可煤系數(shù)差別很大時(shí)，混煤的可磨系數(shù)低于加權(quán)平均值，且混煤的可磨系數(shù)更接近難磨煤種?？赡ハ禂?shù)差別較大的煤混磨時(shí)，可磨系數(shù)是降低的。

表2 不同可磨系數(shù)煤種摻混后可磨系數(shù)變化

4.2 混煤磨制后的粒徑偏析

表3 混磨后不同煤粒徑的偏析情況

從表中數(shù)據(jù)可以看出，粗顆粒中難磨的揮發(fā)分低的無(wú)煙煤占多數(shù)，細(xì)顆粒中易磨的揮發(fā)分高的煙煤占多數(shù)。按混煤等效揮發(fā)分控制煤粉細(xì)度時(shí)可磨系數(shù)差別大的煤混磨時(shí)，可磨系數(shù)大的煤被磨的過(guò)細(xì)，可磨系數(shù)小的煤磨的偏粗。無(wú)煙煤由于燃盡特性差，要求磨的更細(xì)才能使燃盡率保持在合理水平。無(wú)煙煤與煙煤混磨時(shí)無(wú)法避免這種矛盾，將導(dǎo)致混煤中無(wú)煙煤的燃盡率降低。

4.3 混煤的著火溫度

混煤的揮發(fā)分在兩種摻配煤的揮發(fā)分差別很大(煙煤和無(wú)煙煤)時(shí)，實(shí)測(cè)的揮發(fā)分低于按各組分加權(quán)的揮發(fā)分。兩種煤混燒時(shí)其揮發(fā)份的析出是非同步進(jìn)行的，混煤著火溫度通常低于按混煤加權(quán)揮發(fā)分對(duì)應(yīng)的單一煤種的著火溫度，且更接近摻燒的高揮發(fā)分煤種的著火溫度。

由圖1得出：在難燃煤中摻混高揮發(fā)分的煤種可改善煤的著火特性。

4.4 不同煤種混磨混燒時(shí)混煤的著火燃盡特性

圖2-3可以看出燃盡特性差異較大的煤種混磨混燒時(shí)存在交互影響，一方面高揮發(fā)分煤種優(yōu)先著火燃燒，火炬溫度升高，使低揮發(fā)分煤種更快達(dá)到著火溫度促進(jìn)低揮發(fā)分煤種的著火燃燒；另一方面高揮發(fā)分煤種著火后會(huì)消耗氧量，使低揮發(fā)分煤種著火時(shí)氧濃度降低，著火變慢，著火后燃燒擴(kuò)展變慢，燃盡延遲，引起混煤的燃盡率降低?；烀旱闹鹑急M是這兩種因素競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。當(dāng)?shù)蛽]發(fā)分煤種摻入低比例高揮發(fā)分煤時(shí)，混煤著火燃盡有改善效果，當(dāng)摻燒高揮發(fā)分煤超過(guò)一定比例時(shí)，混煤的燃盡性能反而降低，這就是所謂的高揮發(fā)分煤種的搶風(fēng)引起的混煤燃盡性能下降。煤質(zhì)性能差異越大，這種交互影響越嚴(yán)重。

圖2 高、低揮發(fā)分煤不同比例摻燒

圖3 煙煤褐煤、無(wú)煙煤貧煤不同比例摻燒

4.5 不同煤種分倉(cāng)上煤、分別磨制、分層摻燒時(shí)燃盡特性

圖4-8可以得出燃盡特性差異較大的煤種采用分倉(cāng)上煤、分磨磨制、爐內(nèi)摻燒方式時(shí)燃燒的交互作用依然存在，但這種交互影響比混磨混燒方式減弱，著火燃盡特性好的煤越晚?yè)饺?，交互作用影響越弱，即特性好的煤越晚?yè)饺?，搶風(fēng)的現(xiàn)象越輕， 因此采用分倉(cāng)上煤、分別磨制、爐內(nèi)混燒的摻燒方式有助于燃燒特性差異較大摻燒比例較高時(shí)混煤燃盡率的提高。

圖4 無(wú)煙煤摻燒不同比例褐煤

圖6 貧煤摻燒不同比例褐煤

圖7 貧煤摻燒不同比例煙煤

圖8 無(wú)煙煤摻燒褐煤、貧煤摻燒褐煤

5 混煤摻燒試驗(yàn)分析

上鍋SG2102/25.4-M959型爐，四角切圓燃燒方式，采用六臺(tái)中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，設(shè)計(jì)煤種為煙煤，摻燒低揮發(fā)分煤種。詳情見(jiàn)表4。

表4 摻燒煤種煤質(zhì)及燃燒特性

表5 配煤摻燒方案

表6 不同摻燒方式下的鍋爐效率

由表4-表6試驗(yàn)結(jié)果表明：難燃盡煤放在中、下層摻入，最上層摻入燃盡特性好的煤的摻燒方式鍋爐效率最高。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)爐外摻混、混磨混燒摻燒方式不適宜跨煤種摻燒。

(2)分磨磨制，倉(cāng)內(nèi)摻混，爐內(nèi)混燒只適用儲(chǔ)藏式制粉系統(tǒng)，適應(yīng)可磨系數(shù)及燃燒特性差別較大煤種的摻燒。

(3)分倉(cāng)上煤，分別磨制、分層送入爐內(nèi)摻燒對(duì)于儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)及雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)，摻燒煤種的適應(yīng)性很廣，不僅能適應(yīng)相鄰煤種的摻燒也能適應(yīng)跨煤種摻燒；對(duì)于中速磨直吹式制粉系統(tǒng)由于在磨制無(wú)煙煤時(shí)細(xì)度達(dá)不到無(wú)煙煤的要求，故不適應(yīng)無(wú)煙煤與其它煤種的摻燒。

(4)從混煤的著火溫度變化可以得出，在難燃煤中摻混高揮發(fā)分的煤種可改善煤的著火特性。

(5)通過(guò)分倉(cāng)上煤、分磨磨制、爐內(nèi)摻燒方式不同煤種混入前后順序?qū)Ρ瓤芍?，燃盡特性好的煤晚混入爐內(nèi)摻燒方式能提高混煤燃盡率。