劉珊伯，孟繁兵，杜利梅，呂春先

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150030;2.中國華電哈爾濱發(fā)電有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

目前，許多火力發(fā)電廠為了降低燃料成本，大量摻燒低成本的劣質(zhì)煤，使入爐煤嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤種，給鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來許多問題，如煤粉燃盡度變差或燃燒不穩(wěn)、結(jié)渣嚴(yán)重、管壁超溫、制粉系統(tǒng)出力不足或積粉爆炸等。因此，本文以中國東北某電廠300 MW機(jī)組煙煤鍋爐摻燒褐煤為例，進(jìn)行了不同干燥方式下的制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算，確定了以“熱風(fēng)+冷風(fēng)”為合理的干燥方式，并計(jì)算了不同磨煤機(jī)組合情況下的鍋爐出力以及摻燒褐煤的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鍋爐主要參數(shù)和燃料特性

中國東北地區(qū)對火力發(fā)電廠的褐煤供應(yīng)較充足，而且價格較低，因此在東北地區(qū)煙煤鍋爐摻燒褐煤的現(xiàn)象已經(jīng)比較普遍。某電廠300 MW機(jī)組HG-1025/17.5-YM36型鍋爐設(shè)計(jì)燃用煙煤，該鍋爐為單爐膛、直流式煤粉燃燒器、四角布置、切圓燃燒，配有5臺MPS170HP-Ⅱ型中速磨煤機(jī)(4臺運(yùn)行，1臺備用)。單臺磨煤機(jī)的基礎(chǔ)出力為33.98 t/h，最大通風(fēng)量為15.03 kg/s，軸功率為380 kW。鍋爐主要參數(shù)如表1所示。

由于煤炭市場的制約，設(shè)計(jì)煤種已很難保證供應(yīng)，而且價格較高。為了降低發(fā)電成本，保證燃料供應(yīng)穩(wěn)定，該機(jī)組鍋爐采用煙煤和褐煤混燒。制粉系統(tǒng)作為鍋爐的重要輔機(jī)系統(tǒng)，摻燒褐煤將直接影響鍋爐制粉系統(tǒng)，因此本文的目的是分析該鍋爐摻燒褐煤的可行性。煙煤和褐煤的煤質(zhì)分析如表2所示［1］。

表1 鍋爐主要參數(shù)

表2 燃料特性參數(shù)

2 制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算及結(jié)果分析

褐煤與煙煤相比有“三高一低”的特點(diǎn)，即高水分、高揮發(fā)分、高灰分、低發(fā)熱量，摻燒褐煤將直接影響鍋爐制粉系統(tǒng)的出力及安全性。由于褐煤的水分相對于煙煤非常高，當(dāng)磨煤機(jī)碾磨煙煤和褐煤的混煤時，其干燥出力將受到很大的影響。為了比較不同褐煤摻燒比例對原制粉系統(tǒng)出力的影響，本文首先進(jìn)行了熱風(fēng)干燥時不同褐煤摻燒比例下的熱平衡計(jì)算。在計(jì)算中，煤粉水分按照《DLT 5145 -2002火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》取為0.9Mad，熱風(fēng)溫度取為315℃(比空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度低5℃)，干燥劑終溫根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取為70℃，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同摻燒比例下熱平衡計(jì)算(熱風(fēng)干燥)

通過以上計(jì)算可以看出，隨著褐煤摻混比例的增大，所需的一次風(fēng)溫(應(yīng)該為干燥劑初溫)也越高，當(dāng)摻混比例達(dá)到30%時，一次風(fēng)(應(yīng)該為干燥劑初溫)溫度已接近于熱風(fēng)溫度，摻入冷風(fēng)量非常小。若繼續(xù)增大褐煤摻燒比例，則制粉系統(tǒng)的干燥出力將限制鍋爐負(fù)荷。此外，由于制粉系統(tǒng)無惰性氣體的加入，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)終端含氧量高達(dá)21%，這對于高揮發(fā)分褐煤的安全性十分不利。因此，為了進(jìn)一步提高褐煤摻混比例，僅采用熱風(fēng)作干燥劑已不能滿足要求。若對機(jī)組進(jìn)行改造，抽取熱爐煙或冷爐煙加入制粉系統(tǒng)，則可提高干燥劑初溫，增加制粉系統(tǒng)干燥出力，并降低制粉系統(tǒng)終端含氧量。因此本文對其它干燥方式(熱風(fēng)+熱煙+冷煙、熱風(fēng)+熱煙+冷風(fēng)、熱風(fēng)+熱煙)進(jìn)行了熱平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示，計(jì)算中取褐煤摻混比例50%、高溫爐煙溫度1 000℃、低溫爐煙130℃、干燥劑終溫70℃。

從表3、表4中顯示的數(shù)據(jù)可知，采用熱風(fēng)作干燥劑時，褐煤摻燒比例最大可達(dá)到30%，制粉系統(tǒng)終端含氧量為21%，一次風(fēng)率為0.2。若采用“熱風(fēng)+熱煙+冷煙”、“熱風(fēng)+熱煙+冷風(fēng)”、“熱風(fēng)+熱煙”作干燥劑，由于熱煙的加入，提高了磨煤機(jī)入口干燥劑的初溫，在褐煤摻燒比例為50%時，仍能滿足制粉系統(tǒng)的干燥出力，并且制粉系統(tǒng)終端含氧量和一次風(fēng)率都有所降低。

從表4可以看出，“熱風(fēng)+熱煙+冷煙”、“熱風(fēng)+熱煙+冷風(fēng)”干燥方式由于空氣份額較低，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)終端含氧量均小于16%，能較好地滿足制粉系統(tǒng)的防爆要求。3種干燥方式下的一次風(fēng)率均低于設(shè)計(jì)值0.2，這對于煤粉的著火、鍋爐結(jié)渣和NOx的排放都會有一定的影響。由于褐煤的著火性能優(yōu)于煙煤，較低的一次風(fēng)率可能導(dǎo)致“搶風(fēng)”現(xiàn)象，對于煙煤的著火燃盡不利［2］。一次風(fēng)率較低會使燃燒器區(qū)域易結(jié)焦，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)動量較小，射流易偏斜，煤粉著火燃燒離燃燒器噴口過近。一次風(fēng)中O2較低對控制NOx的生成會產(chǎn)生有利的影響，減少了燃燒器區(qū)域的空氣量，實(shí)現(xiàn)空氣的分級送入。此外，干燥劑中加入熱煙或冷煙后，熱風(fēng)份額減小，通過空氣預(yù)熱器的加熱一次風(fēng)量減小(在相同的負(fù)荷和氧量下)，空氣預(yù)熱器的吸熱量變小，從而導(dǎo)致排煙溫度升高，增大鍋爐的排煙熱損失，加入熱煙或冷煙會增加機(jī)組改造成本，增大引風(fēng)機(jī)電流，增加廠用電率。上述4種干燥方式各有利弊，在機(jī)組原基礎(chǔ)上采用熱風(fēng)干燥比較經(jīng)濟(jì)，機(jī)組負(fù)荷可能會受到一定的影響。

表4 其它干燥方式的熱平衡計(jì)算

3 制粉系統(tǒng)校核計(jì)算

煙煤鍋爐摻燒褐煤有兩種方式，即爐外摻燒和爐內(nèi)摻燒。爐外摻燒是指在原煤倉之前將褐煤和煙煤互相混合，爐內(nèi)摻燒是指磨煤機(jī)分別磨制煙煤和褐煤。爐內(nèi)摻燒相對于爐外摻燒的優(yōu)點(diǎn)是磨煤機(jī)出口溫度和煤粉細(xì)度容易控制，煙煤和褐煤分別配風(fēng)，對燃燒初期有利。因此，目前國內(nèi)采用爐內(nèi)摻燒褐煤的機(jī)組較多，在磨煤機(jī)100%磨褐煤時，其干燥出力將受到很大的影響。以該型磨煤機(jī)為例，與磨制設(shè)計(jì)煤種相比，磨制褐煤時其出力降為6.56 kg/s，下降了約31%。

在不影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性和安全性前提下，應(yīng)盡量提高褐煤摻燒比例，減小鍋爐改造成本，本文計(jì)算了爐內(nèi)摻燒褐煤的情況下鍋爐的最大負(fù)荷，表5為不同磨煤機(jī)組合下的褐煤摻燒比例和鍋爐最大負(fù)荷。鍋爐最大負(fù)荷是根據(jù)燃煤消耗量、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等綜合考慮所得。在計(jì)算過程中，磨煤機(jī)100%磨制褐煤時制粉系統(tǒng)露點(diǎn)溫度為49.5℃，磨煤機(jī)出口溫度必須高于露點(diǎn)溫度5℃。為了盡量提高磨煤機(jī)干燥出力而且有利于風(fēng)粉混合物著火，磨煤機(jī)出口溫度取60℃。

表5 不同磨煤機(jī)組合下的鍋爐最大負(fù)荷

從表5中可以看出，摻燒褐煤基本能滿足該機(jī)組的負(fù)荷要求，負(fù)荷較低時可采用“兩煙兩褐”4臺磨煤機(jī)運(yùn)行，褐煤摻燒比例約為39%，鍋爐負(fù)荷能達(dá)到80%;當(dāng)機(jī)組需滿負(fù)荷運(yùn)行時，可采用“兩煙三褐或兩褐三煙”5臺磨煤機(jī)全部運(yùn)行，鍋爐負(fù)荷基本能達(dá)到滿負(fù)荷，各風(fēng)機(jī)均能滿足負(fù)荷要求。由此可見，該機(jī)組摻燒褐煤的方案是可行的，不需要對機(jī)組做大規(guī)模改造。

4 褐煤摻燒經(jīng)濟(jì)性分析

由于摻燒褐煤引起的運(yùn)行成本增加暫時無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，因此對煙煤鍋爐摻燒褐煤的經(jīng)濟(jì)性分析僅考慮燃料成本的影響。

以單臺300 MW機(jī)組為例，平均負(fù)荷為75%，年利用小時數(shù)為4 800 h，褐煤摻燒比例為50%。目前煙煤與褐煤的差價約為140元/t，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 摻燒褐煤時燃料成本計(jì)算結(jié)果

從表6中可知，該機(jī)組摻燒褐煤的經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，單臺300 MW機(jī)組若摻燒50%褐煤，全年可節(jié)約燃料成本約3 200萬元。需要說明的是，以上計(jì)算結(jié)果只是考慮了摻燒褐煤對燃料成本以及運(yùn)行成本的影響，并未考慮由于摻燒褐煤給機(jī)組設(shè)備以及燃料運(yùn)輸、管理等費(fèi)用造成的影響。

5 結(jié)論

1)通過計(jì)算摻燒褐煤時不同干燥方式的熱平衡，分析比較了各種干燥方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了某300 MW機(jī)組鍋爐以熱風(fēng)干燥為合理的干燥方式。

2)核算了采用爐內(nèi)摻燒褐煤時的制粉系統(tǒng)出力，通過計(jì)算不同磨煤機(jī)組合下的褐煤摻燒比例和鍋爐最大負(fù)荷，證明了該機(jī)組制粉系統(tǒng)在原基礎(chǔ)上摻燒褐煤是可行的，降低了燃料成本，系統(tǒng)不需要做大規(guī)模的改造。

［1］ 束繼偉，孟繁兵，黃啟龍，等.燃用褐煤鍋爐改燒煙煤時干燥劑的計(jì)算及選?。跩］.熱能動力工程，2001，16(4):453-456.

［2］ 王春昌，阮士周，宋太紀(jì)，等.煙煤鍋爐兩種方式摻燒褐煤的工程應(yīng)用［J］.中國電力，2010，43(10):35-38.