大型燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)煤種摻燒試驗(yàn)研究與經(jīng)濟(jì)分析

劉濤 楊勤

摘要：以印尼煤為經(jīng)濟(jì)摻燒試驗(yàn)煤種，尋求在超臨界600MW燃煤鍋爐機(jī)組上的最佳摻燒效果。通過對鍋爐爐膛溫度、結(jié)焦情況、制粉系統(tǒng)運(yùn)行狀況、鍋爐效率及環(huán)保排放指標(biāo)等數(shù)據(jù)的分析與研究，對該型鍋爐在摻燒印尼煤時(shí)的安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了綜合分析評估，為大型燃煤鍋爐機(jī)組開展經(jīng)濟(jì)煤種摻燒、降低運(yùn)營成本找到了一條可供借鑒之解決方案。

關(guān)鍵詞：鍋爐，摻燒，經(jīng)濟(jì)性

1 ?研究背景

經(jīng)濟(jì)煤種，是指燃煤熱值相近的條件下，相對有價(jià)格優(yōu)勢的煤種。以進(jìn)口印尼煤為例，其相對國內(nèi)同熱值煤種價(jià)差達(dá)到70元/噸左右。在目前的燃煤市場中，摻燒印尼煤是火力發(fā)電廠降低發(fā)電成本、實(shí)現(xiàn)利潤增長的有力措施之一。對大型燃煤鍋爐深入開展經(jīng)濟(jì)煤種摻燒課題研究，可以明顯降低燃煤電廠的運(yùn)營成本，帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。

2 ?摻燒的前提條件

本文以廣東省北部山區(qū)某電廠超臨界600MW鍋爐機(jī)組摻燒印尼煤為經(jīng)濟(jì)煤種研究對象，開展摻燒課題研究，開展本課題研究須明確三個(gè)前提：

1）必須保證機(jī)組的安全裕度和環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。

2）確保鍋爐效率下降不超過1.5%。

3）控制課題投入成本不大于500萬元。

3 ?擬摻配煤種及試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)研究鍋爐為東鍋產(chǎn)600MW超臨界壓力燃煤機(jī)組，型號為DG2012/26.15-Ⅱ2型，燃燒系統(tǒng)為前后墻對沖燃燒、使用旋流燃燒器。制粉系統(tǒng)為6臺北京電力設(shè)備總廠生產(chǎn)的正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式中速磨煤機(jī)，型號為ZGM113G。原設(shè)計(jì)煤種為神混2，校核煤種為神混3。

本次擬進(jìn)行摻配試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)煤種為印尼煤，與高欄港神混煤進(jìn)行摻混。

在摻燒印尼煤過程中，如控制不好，可能引起爐內(nèi)受熱面嚴(yán)重結(jié)焦、排煙溫度升高、制粉系統(tǒng)爆燃等問題，直接影響到鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1][2]。因此試驗(yàn)中重點(diǎn)測量爐內(nèi)燃燒溫度、磨煤機(jī)出口溫度、一次風(fēng)速和結(jié)焦情況，并分析飛灰和機(jī)械不完全燃燒熱損失q4對鍋爐熱效率的影響，并評估對鍋爐安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的影響。試驗(yàn)選用三臺磨（前后墻中層+后墻下層燃燒器）磨制印尼煤，進(jìn)行摻燒。

4 ?摻燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 ?爐膛溫度及主要運(yùn)行參數(shù)檢測

三臺磨煤機(jī)（A磨+C磨+F磨）磨制印尼煤。低負(fù)荷時(shí)，3臺磨制印尼煤的磨煤機(jī)運(yùn)行，摻燒印尼煤比例為100%，4臺磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)摻燒比例為75%，5臺磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)則為60%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行（350MW）時(shí)，僅三臺磨制印尼煤的磨煤機(jī)運(yùn)行，即100%燃用印尼煤，此時(shí)鍋爐燃燒穩(wěn)定，主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)正常，爐內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯結(jié)焦，爐膛出口煙氣溫度和減溫水用量與過去相比基本沒有變化。在鍋爐中、高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（負(fù)荷范圍在400～600MW），三臺磨制印尼煤的磨煤機(jī)運(yùn)行，燃用印尼煤比例為60～75%，鍋爐燃燒穩(wěn)定，主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)正常，排煙溫度在134～137℃波動(dòng)，爐內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯結(jié)焦，減溫水用量與摻燒前基本沒有變化，NOx、SO2以及粉塵排放濃度指標(biāo)與摻燒前對比無波動(dòng)。經(jīng)過7天以上對摻燒印尼煤（參數(shù)比例為100～60%）的觀察測試，在不同負(fù)荷、不同磨煤機(jī)工作條件下，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)正常，通過看火孔可同時(shí)觀察鍋爐結(jié)焦情況，僅有局部輕微結(jié)焦，所結(jié)焦塊較為松軟，易于脫落;通過看火孔和干渣機(jī)連續(xù)觀察[3]，沒有影響鍋爐正常運(yùn)行的大焦塊。

3）鍋爐各層看火孔平均溫度

隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，爐內(nèi)的溫度逐漸升高，燃燒器區(qū)域的溫度約在1450℃，最高溫度在燃盡風(fēng)層約1500℃左右。沒有發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)結(jié)大焦，僅個(gè)別看火孔偶爾掛點(diǎn)小焦，不影響鍋爐正常運(yùn)行。

4.2 ?磨煤機(jī)出口一次風(fēng)管速度測量

為了了解試驗(yàn)鍋爐磨煤機(jī)出口對

應(yīng)的6條粉管內(nèi)一次風(fēng)速度及均勻性，對各個(gè)一次風(fēng)管內(nèi)的速度進(jìn)行了測量，具體見表4。從測量結(jié)果來看，一次風(fēng)

速度最大偏差體現(xiàn)在A磨和E磨出口一次風(fēng)管，其它幾臺磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)流量比較均勻。其中風(fēng)速偏差超出10%的一次風(fēng)管為A5和E5一次風(fēng)管，但超出值較小，在最大允許偏差范圍內(nèi)，不會(huì)在爐內(nèi)形成明顯的燃燒偏差結(jié)焦觀察和爐膛溫度監(jiān)也證實(shí)了這點(diǎn)。

4.3 飛灰和爐渣的檢測

表1列出了摻燒印尼煤試驗(yàn)時(shí)鍋爐飛灰、爐渣中的可燃物含量的數(shù)據(jù)，用于計(jì)算分析機(jī)械不完全熱損失q4。

4.4 磨煤機(jī)的溫度

試驗(yàn)中用紅外熱像溫度儀測量了磨煤機(jī)外殼和出口管道的溫度（見圖5）。從磨煤機(jī)管殼溫度分布情況來看，三臺磨制印尼煤的磨煤機(jī)（A、C、F磨）管殼溫度在60～67℃范圍，未摻配磨機(jī)殼體溫度為72～75℃。摻配印尼煤時(shí)管殼溫度較低，沒有出現(xiàn)局部超溫的情況。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論

5.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對上述試驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)摻燒印尼煤時(shí)對鍋爐運(yùn)行的影響如下：

1）對爐內(nèi)燃燒溫度的影響

爐內(nèi)燃燒溫度受機(jī)組負(fù)荷影響較大。摻燒印尼煤試驗(yàn)時(shí)，低負(fù)荷時(shí)爐內(nèi)燃燒最高溫度約1430℃，高負(fù)荷時(shí)爐內(nèi)燃燒最高溫度約1550℃。高負(fù)荷條件下與燃用神混煤比較，最高溫度約高出0～20℃，相對爐膛1500℃的高溫而言，對鍋爐的燃燒過程影響不大。

2）摻燒后結(jié)焦情況

雖然印尼煤灰熔點(diǎn)較低，且在試驗(yàn)中有個(gè)別看火孔處偶爾出現(xiàn)輕微的掛焦現(xiàn)象，但由于印尼煤總體灰分含量較低，因此摻燒后結(jié)焦量較少且焦松軟易于脫落，不影響鍋爐正常運(yùn)行。

3）爐內(nèi)灰渣情況

印尼煤摻燒試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)爐渣增多或需要增加吹灰次數(shù)的情況，也沒有發(fā)現(xiàn)較大焦塊掉落灰斗難以處理的情況，鍋爐運(yùn)行沒有受到印尼煤低灰熔點(diǎn)的影響。

4）主蒸汽、再熱蒸汽、減溫水情況

在整個(gè)印尼煤摻燒試驗(yàn)期間，鍋爐的主蒸汽、再熱蒸汽、減溫水一直保持正常，與燃用高灰熔點(diǎn)煙煤和神混煤的情況一致。

5）磨煤機(jī)出口溫度

對現(xiàn)場磨煤機(jī)溫度測量，磨制印尼磨的磨煤機(jī)出口溫度沒有超過67℃（控制溫度70℃），磨制神混煤的磨煤機(jī)出口溫度沒有超過75℃，制粉系統(tǒng)沒有出現(xiàn)局部超溫。

6） 對環(huán)保指標(biāo)的影響

印尼煤本身硫份、灰分、熱值較低，燃燒過程中對爐膛溫度影響也相對較小，在整個(gè)摻燒過程中NOx、SO2及粉塵排放濃度指標(biāo)基本無影響。

7）對鍋爐效率的影響

摻燒印尼煤對鍋爐效率的影響主要有兩個(gè)方面[2]，分別是排煙熱損失q2和機(jī)械不完全熱損失q4。

根據(jù)公式 可知，摻燒印尼煤q2損失最大為6.36%、平均值為6.27%，摻燒經(jīng)濟(jì)煤種前q2值為4.94%，q2損失有所提高。

對印尼煤摻燒試驗(yàn)期間鍋爐飛灰分析和q4的計(jì)算，鍋爐的機(jī)械不完全燃燒熱損失q4約在0.07～0.16%范圍，平均值為0.10%，摻燒經(jīng)濟(jì)煤種前q4值為0.17%，相比q4有一定降低。

綜合鍋爐效率計(jì)算，可知摻燒印尼煤后，鍋爐效率最大下降1.41%，平均下降1.26%，低于預(yù)期。鍋爐效率下降主要由q2排煙熱損失引起。

5.2 試驗(yàn)研究結(jié)論

綜合評估本次摻燒試驗(yàn)，DG2012/26.15-Ⅱ2型600MW機(jī)組鍋爐，搭配ZGM113G中速磨制粉系統(tǒng)，可摻配印尼煤比例為60～100%，摻配磨煤機(jī)臺數(shù)為3臺。摻配后機(jī)組安全和環(huán)保指標(biāo)均能滿足使用要求，鍋爐效率最大下降1.41%，平均下降1.26%，鍋爐效率下降主要由q2排煙熱損失引起，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

6 ?摻燒經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

6.1 利潤預(yù)估

摻燒印尼煤的最大優(yōu)勢為價(jià)差，以設(shè)計(jì)煤種神混2為參照，折算為同熱值煤種，印尼煤價(jià)差為70元/噸，參考2018年兩臺600MW機(jī)組原煤用量，預(yù)測全年600MW機(jī)組用煤為150萬噸，若摻燒比例為60%，則全年印尼煤折算用量預(yù)計(jì)90萬噸，預(yù)計(jì)全年新增利潤（節(jié)約成本）6300萬元。

6.2 成本預(yù)測

1）鍋爐效率變化對成本的影響

原鍋爐效率為94%，摻燒后鍋爐效平均下降1.26%。以2018年度原煤用量和均價(jià)為參考計(jì)算，預(yù)測鍋爐效率降低影響成本為：（1.26/94）×150×104×600=1206（萬元）。

2）煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)對成本的影響[3]

煤炭到電廠后，需要往煤場轉(zhuǎn)運(yùn)。以摻燒4800kcal/kg的印尼煤為參考，對應(yīng)設(shè)計(jì)煤種神混2，計(jì)算印尼煤到電廠后的轉(zhuǎn)運(yùn)成本增加量為： ?k1=（5380-4800）/4800=12.08%，按照轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)5元/噸、印尼煤比例60%計(jì)算，轉(zhuǎn)運(yùn)印尼煤新增運(yùn)費(fèi)54.36萬元。

3）電耗對成本的影響

考慮到實(shí)際運(yùn)行中由于印尼煤熱值較低，在某些工況下可能會(huì)增加一臺磨煤機(jī)運(yùn)行，因此增加用電成本。

按磨煤機(jī)電壓6000V、電流52.54A計(jì)算，所增加的功率為P=1.732UIcos（），其中功率因數(shù)cos（）取0.85，則增加一臺磨煤機(jī)的功率為P=1.732×6000×52.54×0.85=0.464MW，按照供電煤耗為300g/kwh（考慮負(fù)荷率），則每臺機(jī)組將增加發(fā)電煤耗約為0.232g/kW·h，折合成本69.5萬元。

若兩臺600MW機(jī)組摻燒印尼煤，按照60%的摻燒比例，預(yù)計(jì)增加成本1206+54.36+69.5=1329.86（萬元）。

4）設(shè)備投資成本

在整個(gè)摻燒試驗(yàn)中，除試驗(yàn)用設(shè)備，如紅外測溫儀、煤種和灰渣元素分析設(shè)備等的使用費(fèi)約30萬元外，其余均采用機(jī)組原系統(tǒng)設(shè)備，總投入滿足不超過500萬元的預(yù)期。

6.3 ?經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

通過試驗(yàn)研究及計(jì)算預(yù)測，若兩臺600MW機(jī)組全年摻燒印尼煤，摻配比例為60%，預(yù)計(jì)可在安全、環(huán)保的基礎(chǔ)上新增年利潤（節(jié)約成本）約4970萬元，因此努力做好經(jīng)濟(jì)煤摻燒工作意義重大。

6.4 實(shí)際取得的經(jīng)濟(jì)效益

電廠于2019年在兩臺600MW機(jī)組組織了大范圍的經(jīng)濟(jì)煤種摻燒工作，最終全年摻燒經(jīng)濟(jì)煤187.81萬噸，摻燒比例達(dá)89.7%，節(jié)約燃料成本6642萬余元，大幅超出年初預(yù)計(jì)目標(biāo)。

7 ?結(jié)束語

研究及實(shí)踐證明，燃煤火電廠通過自身的努力，適當(dāng)改變?nèi)霠t煤種，摻燒經(jīng)濟(jì)煤種，是完全能夠在保證機(jī)組安全環(huán)保運(yùn)行的前提下，大幅度地降低發(fā)電成本、增加電廠利潤的。而且項(xiàng)目具備投入小、效益高、技術(shù)推廣復(fù)制可行性強(qiáng)的特點(diǎn)，是一種容易在行業(yè)內(nèi)推廣并產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效益的一種創(chuàng)新技術(shù)，值得在燃煤火電廠中深入研究與轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳奕善.換用煤種對電廠運(yùn)煤及鍋爐設(shè)備的影響[J].華東電力，1999，3

[2]馬志明.煤種變化對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響的分析模型[J].浙江電力，2001，3

[3]吳含蘊(yùn).煤質(zhì)對發(fā)電廠運(yùn)行和成本的影響[J].中國電力，2000，9

基金項(xiàng)目：廣東省能源集團(tuán)支助科研項(xiàng)目（SGP-PW-CG17074）