350 MW超临界煤粉锅炉全燃准东煤的运行优化研究

刘义斌，刘旋坤，宋刚，杨欣华，张缦，杨海瑞*

（1.新疆国泰新华矿业股份有限公司，新疆五彩湾 831799；2.清华大学山西清洁能源研究院，太原 030032；3.清华大学能源与动力工程系，北京 100084；4.中国能源建设集团西北电力试验研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

准东煤田是我国最大的整装煤田，勘探资料表明准东煤矿资源贮藏丰富，属于特低灰分、特低硫、高热值、低变质程度的优质天然洁净煤［1］。但是，准东煤中含有较高的钠、钙等碱金属，导致其在燃烧过程中生成的气相化合物极易在对流受热面上冷凝沾污。因此锅炉燃用准东煤需要将煤灰中的碱金属含量降低至安全范围，从而降低锅炉沾污结焦的倾向。试验发现，含有铝和硅的矿物质对碱金属吸附能力强，可以有效固定碱金属［2］。

研究表明，燃用准东煤锅炉在设计阶段通常选用较低的容积热负荷参数来减少炉膛沾污和结渣现象［3-4］，实际应用中也尝试通过掺烧低钠煤来改善准东煤的沾污特性［5-7］。目前新疆地区大部分锅炉基本实现了80.0%准东煤掺烧低钠煤的混煤燃烧［8-10］，但是关于全燃准东煤的运行案例依旧较少。

本文以新疆国泰新华化工有限公司350 MW 超临界煤粉锅炉为例，以准东煤为主燃料设计，通过试验掺烧高岭土和热态调试，显著减轻了准东煤燃烧的结渣和沾污的倾向，实现了锅炉全燃准东煤。

1 锅炉设备及运行情况

新疆国泰新华化工有限公司#1 锅炉是由东方锅炉股份有限公司生产的超临界、单炉膛、一次中间再热、对冲燃烧、平衡通风、紧身封闭布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、Π型布置燃煤直流炉。锅炉最低稳定燃烧负荷为30.0%锅炉最大连续蒸发量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR），并能在此负荷下长期运行；锅炉炉膛尺寸14 694 mm×16 320 mm，四周为全焊式膜式水冷壁，上部布置有屏式过热器；水平烟道中布置有高温过热器、高温再热器；尾部烟道由隔墙分为2部分，前室为低温再热器（低再），后室为低温过热器（低过）和省煤器，尾部配置布袋除尘器以及烟气脱硫、脱硝装置，具体参数见表1。

表1 锅炉主要参数Tab.1 Main parameters of the boiler

锅炉燃煤以天池南矿煤（高钠煤）为主，根据3.5∶1.0的质量比掺烧低钠煤，煤种参数见表2。锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧，燃烧器为外浓内淡型低NOx旋流煤粉燃烧器，按前墙3层、后墙3层、每层4只燃烧器布置。煤粉燃烧器将燃烧用空气分为一次风、内二次风、外二次风和中心风4部分。在煤粉燃烧器上方分前后墙各设置了2 层燃尽风，风口中央部位为非旋转气流，直接穿透进入炉膛中心；外圈气流为旋转气流，用于和靠近炉膛水冷壁的上升烟气进行混合。

表2 煤种参数Tab.2 Coal parameters

锅炉在运行初期水冷壁结渣严重，燃烧器和水冷壁部分管壁发生严重高温腐蚀。并且由于屏式过热器挂焦严重，须定期进行大负荷扰动，导致大量尺寸较大的渣块脱落，水封装置内存水被脱落的渣块冲击、汽化，产生大量蒸汽造成炉膛燃烧波动甚至灭火。对流受热面沾污积灰严重，高负荷运行期间折焰角后烟气温度达到1 000 ℃，低再、省煤器等烟气温度偏高，锅炉排烟温度达到150 ℃。

2 高岭土掺烧试验

2.1 试验条件

天池南矿煤属于高Na2O 煤种，掺烧硅铝含量高、钠含量低的物料可以缓解炉膛积灰结焦现象。本试验掺烧五彩湾矿高岭土，要求锅炉在不结渣的前提下安全运行。高岭土成分分析结果见表3。

表3 高岭土成分分析Tab.3 Component analysis of kaolin

试验期间入炉煤质相对稳定，制粉系统以及辅机处于完好状态，主要仪表投运正常，各主要风门、挡板操作灵活且开度指示正确，锅炉日平均负荷率大于60.0%BMCR。掺烧高岭土前后磨煤机分离器转速、风煤比、运行方式、内外二次风旋流开度、中心风开度、燃尽风开度、各层二次风门开度、运行氧量、吹灰压力等影响锅炉运行的参数均保持一致。

2.2 确定掺烧高岭土比例

煤灰熔融特性是影响锅炉结渣、受热面沾污积灰的重要因素［11］，因此必须对掺混高岭土后煤灰熔融特性重新进行研究分析，指导添加剂掺混比例及锅炉燃烧。

为了明确掺配高岭土比例依据，首先将5.0%～7.0%高岭土［12-14］与准东煤进行均匀混合制标准样，然后进行灰熔点测定。根据GB/T 219—2008《煤灰熔融性的测定方法》标准，使用SDAF3000 型灰熔融性测试仪进行检测，结果见表4。

表4 掺烧不同比例高岭土煤样灰熔点测试结果Tab.4 Ash fusion temperatures of coal samples mixed with different proportions of kaolin

2.3 试验内容与结果

掺烧前维持机组常用煤种，按掺配6.5%高岭土的比例逐渐累加，最终实现5 台磨煤机全部掺配6.5%高岭土的目标。

首先，将D 仓准东煤替换为准东煤添加6.5%高岭土的混煤（以下简称混煤）。观察掺配高岭土后磨煤机电流、振动、石子煤量等变化情况，在其安全、可靠运行的前提下再继续增加高岭土的掺配比例。其次，将E仓准东煤替换为混煤，若炉内结渣与沾污未加重，且参数未显示恶化迹象，再将C仓替换为混煤，若炉内结渣与沾污未加重，且参数未显示恶化迹象，将B 仓换为混煤，连续观察试验20 d（含300 MW负荷连续运行7 d）；若各负荷段炉内结渣或沾污均未加重（包括D磨煤机停机情况）将A仓低钠煤替换为混煤，若试验过程炉内结渣或沾污未加重，则进行30 d掺烧试验。

整个掺烧过程用时70 d，锅炉全烧准东煤累计运行31 d，各项运行参数指标与掺烧前指标相比均满足锅炉稳定运行要求，且有效缓解锅炉积灰结渣情况。对掺烧前后吹灰掉焦进行比较，掺烧前焦块较大且坚硬，如图1 所示；掺烧后焦块疏松容易脱落，如图2 所示。锅炉运行10 个月状况良好，充分证明掺烧高岭土能很好地解决准东煤沾污问题。

图1 掺烧前吹灰掉落的焦块Fig.1 Focal block blown off by the soot blower before the co-combustion

图2 掺烧后吹灰掉落的焦块Fig.2 Focal block blown off by the soot blower after the co-combustion

掺烧后再热器壁温与出口蒸汽温度如图3 所示，蒸汽出口温度维持在550 ℃左右，基本与设计要求温度持平。

图3 再热器壁温与出口蒸汽温度Fig.3 Temperatures of the reheater wall and outlet steam

需要说明的是，掺烧高岭土会对捞渣机、输灰管、空气预热器以及布袋除尘器的运行造成一定影响。在锅炉出力不变时，掺烧高岭土后的捞渣机出渣量和仓泵的输灰量有所提升，对锅炉受热面管束冲刷磨损加重，每kW·h 发电量标煤耗增加，磨煤机、吹灰器的负荷增大，尾部烟道积灰增大，排烟温度上升。因此，进行了更为系统的掺烧优化试验。

3 锅炉掺烧优化试验

为解决掺烧高岭土后锅炉出现的上述问题，同时为满足环保要求［15］，降低锅炉NOx的排放质量浓度，对机组进行了120 h 热态调试，将锅炉运行状态调至最佳。

3.1 锅炉出口氧量及NOx标定试验

试验开始前在空气预热器进、出口烟道布置测点，分别采用烟气分析仪在工况1（285 MW）和工况2（310 MW）测量锅炉的出口氧量和NOx质量浓度，根据测量结果对锅炉进行调试。锅炉从B侧到A 侧燃尽风、燃烧器二次风开度记录见表5。在2种工况下实际测试锅炉出口烟气成分与分散控制系统（DCS）数据比较见表6。

表5 二次风系统挡板开度Tab.5 Opening of the baffle for secondary air system

表6 锅炉出口烟气成分及修正系数Tab.6 Composition and correction coefficient of the flue gas at boiler's outlet

从测试结果来看，锅炉A 侧比B 侧氧量偏低；B侧氧量DCS 数据与实测值较为接近，A 侧DCS 数据则较实测值偏低；脱硝入口两侧NOx的DCS 数据均较实测值偏低。通过多次测量，对比实测值与DCS显示值，确定了氧量和NOx的修正系数值，有利于更加准确地指导实际运行。

3.2 锅炉出口氧量调平试验

根据表6数据调整锅炉燃尽风及燃烧器手动挡板。将燃尽风A 侧最右侧旋流从200 000 m3/h 开至350 000 m3/h；A1 燃烧器外二次风开至60°；燃尽风层风箱挡板B 侧开度15%，A 侧开度30%。调整后负荷为285 MW，命名为工况3，相应测得锅炉出口氧量与CO 质量浓度如图4 所示。对比工况1 可知，通过调整燃尽风手动门及燃尽风层风箱挡板可提高锅炉A侧低氧量区域的氧量，减小两侧氧量差异，同时降低CO排放，有利于提高锅炉效率。

图4 氧量调平前后对比Fig.4 Oxygen contents before and after the levelling

3.3 燃尽风及二次风调整试验

为缓解锅炉水平烟道的沾污、结渣以及尾部受热面超温，进行配风调整试验降低水平烟道烟气温度，试验选取锅炉低再和低过的进口烟温作为参照。试验在285 MW 负荷下布置工况4—6，对比3种工况燃尽风层风门开度及二次风层风门开度变化对烟气温度的影响。燃尽风及二次风风门开度变化与排放情况见表7。

表7 燃尽风及二次风风门开度变化与污染物排放Tab.7 Opening change of OFA and secondary air throttles and pollutant discharge

对比可知，各工况飞灰和大渣中碳的质量分数变化不大，但随着燃尽风关小，NOx排放质量浓度明显上升，从166.8 mg/m3上升至266.2 mg/m3。不同工况低再和低过进口烟气温度如图5所示。

图5 工况4—6低再和低过进口烟气温度对比Fig.5 Comparison of flue gas temperatures at inlets of low-temperature reheater and low-temperature superheater under working condition 4—6

对比工况4 与工况6，后者烟气温度较低，说明相同条件下，减小燃尽风开度有利于降低烟气温度；对比工况4 与工况5，前者二次风采用正宝塔形（上小下大）配风方式，后者二次风采用均等配风方式，即使工况5 燃尽风开度较低，其烟气温度仍最高，说明正宝塔形配风方式更有利于降低烟温。因此，在综合考虑NOx排放质量浓度情况下应尽量降低燃尽风层风箱开度，维持二次风上小下大的正宝塔形配风方式。

3.4 变过量空气系数试验

在310 MW 负荷下选取工况7—9，该组工况下燃尽风风门开度及二次风层风门开度均保持一致，运行氧量为2.4%（工况7），2.8%（工况8），3.2%（工况9），各工况低再和低过进口烟温度如图6所示。

图6 工况7—9低再和低过进口烟气温度对比Fig.6 Comparison of flue gas temperatures at inlets of low-temperature reheater and low-temperature superheater under working condition 7—9

根据DCS 的NOx排放量可知，随着锅炉运行过量空气系数增大，NOx排放质量浓度明显上升；由图6 可知，低再和低过的入口烟气温度明显下降。综合考虑NOx排放情况下，锅炉在310 MW负荷下运行氧量应维持在2.8%～3.2%。

3.5 改变磨煤机数量试验

工况1—9 均投运6 台磨煤机，现将负荷为310 MW 下的磨煤机投运数量调整为5 台，运行氧量为3.0%，其他参数与工况9 保持一致。DCS 运行数据表明，在投运5 台磨煤机时NOx排放质量浓度明显降低，从300 mg/m3降到200 mg/m3以下；低再和低过进口烟温也明显降低；飞灰和大渣中碳的质量分数保持在0.6%以下；排烟温度维持在140 ℃左右；锅炉效率可达到94.5%。对比其他工况，该工况下锅炉运行状态良好，为最优运行工况，同时建议在高负荷运行时应尽量优先使用5 台磨煤机同时运行，且各磨煤机给煤量应该按照上层磨煤机小、下层磨煤机大的正宝塔形分布。

4 结论

（1）通过掺烧6.5%高岭土，实现了350 MW 超临界煤粉锅炉全燃准东煤，并且累计运行31 d，各项运行参数指标均满足锅炉稳定运行要求，且有效缓解了锅炉积灰结渣的情况。

（2）通过120 h 热态调试试验，改善了锅炉燃烧混煤后的运行状态，确定锅炉最优工况为310 MW以及该工况下运行氧量应维持在2.8%～3.2%；明确了在高负荷运行时优先使用5 台磨煤机同时运行，且各磨煤机给煤量应该按照上层磨煤机小、下层磨煤机大的正宝塔形分布；提出了在综合考虑NOx排放质量浓度时，应尽量降低燃尽风层风箱开度，维持二次风上小下大的正宝塔形配风方式。