燃烧烟煤锅炉大比例掺烧褐煤的技术改造

张树林， 曹 晖， 李剑宁， 熊显巍， 王 璞

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240；2. 上海外高桥发电有限责任公司， 上海 200137)

我国燃煤锅炉的燃料主要是褐煤、烟煤、无烟煤等，其中烟煤占总量的四分之三；对烟煤的过度开采和燃烧，使其储量已低于煤炭总储量的百分之七十，不能满足电力供应的旺盛需求。因此，必须积极开展劣质煤的利用，扩大煤种的适应性，加大褐煤、泥煤等煤炭资源在燃煤中的比重，从而缓解烟煤需求紧张的现状。最新数据表明，已探明的褐煤储量高达1 000亿t，约占全国煤炭总储量的16%[1]。面对褐煤丰富的储量和廉价的特点，许多发电企业开始要求燃烧烟煤锅炉大比例掺烧褐煤。褐煤具有高挥发分、高水分、低发热量等特点，造成了锅炉在掺烧褐煤时往往出现磨煤机出力不足现象，迫使机组只能降负荷运行或者降低褐煤的掺烧比例，严重影响了机组的经济性。

燃烧烟煤锅炉的空气预热器出口热一次风风温一般设计在310～320 ℃，磨煤机出口温度在65 ℃左右，在进行褐煤大比例掺烧时，由于褐煤的高水分、高挥发分特点，造成磨煤机在冷一次风全关状态下，热一次风的干燥能力依旧不足。常规的调整手段主要有两种：一种是增加一次风风率，会造成一次风风机电耗增加，并且降低了二次风风率，影响二次风刚性及炉膛的空气动力场，导致燃烧效果变差，不完全燃烧热损失增加；另一种是减少磨煤量，但会造成锅炉燃烧热量不足，机组负荷上不去，被迫低负荷运行。

针对目前掺烧过程中存在的以上问题，国内针对磨煤机出力问题也有一些研究，如冯伟忠[2]提出在磨煤机出口增加中温加热器来提升风粉混合物温度。笔者提出了在磨煤机前的热一次风风道中增加蒸汽换热器，将热一次风进行二次再热，热一次风风率恢复到原来设计参数附近的改造方案，即在保证磨煤机干燥能力的同时，控制磨煤机侧出口温度在65 ℃，为烟煤机组大比例掺烧褐煤开辟了新的技术途径。

1 改造前运行状况

该锅炉为SG - 1025/18.3- M831型亚临界强迫循环汽包锅炉。锅炉结构为П形布置，平衡通风，四角喷燃。锅炉配2台离心式一次风机，其最大风量为240 336 m3/h，最大全压为11 282 Pa；电动机最大功率为1 050 kW。锅炉采用正压直吹制粉HP863碗式中速磨煤机，磨碗直径为2 184 mm，磨碗转速为38.4 r/min，基本出力为48.1 t/h。

锅炉在改造之前进行了掺烧试验摸底，情况见表1。

表1 锅炉改造前掺烧情况

当锅炉在70%BRL工况下，最大掺烧褐煤比例可达50%；而当锅炉在100%BRL工况下，最多只能掺烧30%褐煤。

当制粉系统的旁路冷风门全关、热风门全开时，冷风份额最小为24%，这其中包含密封风冷风，实际冷一次风份额减少到约15%。从其他褐煤机组的运行情况来看，15%的冷风份额已经到了最小冷风份额的极限。按目前风门的设计和运行情况判断，即便将冷风风门全关、热风门全开，还是会有一定量的冷风量流入。

根据磨煤机设计使用手册得知，磨煤机基本出力可达到48.1 t/h，实际运行时最大出力为31 t/h。干燥出力严重不足，限制了在掺烧褐煤时磨煤机出力，无法继续增加褐煤的掺烧比例。

在现有掺烧褐煤的工况下，机组的一次风风率和风阻大大增加，一次风风机压头裕量剩余约10%，风机电动机功率裕量仅剩约3%。

2 改造方案确定

2.1 改造原则

锅炉在掺烧褐煤后出现的问题根本原因是风煤比例偏离原设计值。由于负荷一定时，总风量是一定的，一次风风率过高会造成二次风风率的下降，二次风刚性不足会使炉膛内燃烧效果恶化，影响机组的整体性能和锅炉效率。为此，在确定改造方案时主要考虑将机组参数尽量靠近设计值，即保持机组热力性能基本不变，尤其是一次风风率降低到原设计值附近，回归到原有的运行工况，有利于机组的长期安全运行。

2.2 改造方案

2.2.1 理论计算

本次改造在热一次风风道上设置蒸汽换热器，采用汽轮机三号抽汽的过热度来加热热一次风，提升磨煤机的干燥出力，换热后的蒸汽再回到三号高压加热器继续加热给水。

根据表1锅炉运行数据，可计算出在BRL工况下热一次风总量qf为232 t/h，热一次风风温为314 ℃。在汽轮机额定出力(THA)工况下压力为1.72 MPa，温度达到437.4 ℃，焓值hi为3 334.1 kJ/kg， 抽汽流量qs为37.94 t/h。为保证传热温差，蒸汽加热器出口汽温设为329 ℃(高于未加热的热一次风风温15 K)，焓值ho为3 098 kJ/kg，则汽轮机三号抽汽可提供给热一次风的总热量Q为：

Q=(hi-ho)×qs

(1)

经计算可得抽汽对外提供总热量为9 071 454 kJ/h ，空气在300～400 ℃时的比定压热容cp为1.05 kJ/(kg·K)，则可提升的热一次风风温Δt为：

(2)

式(1)代入式(2)后得到一次风风温可提升约35 K。

2.2.2 改造系统图

系统改造设备主要包括蒸汽管道、蒸汽换热器、相应阀门及控制仪表等，见图1。

图1 热一次风再热系统改造图

2.2.3 安全技术措施

根据《火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程》的规定，在磨煤机干燥剂进口风道上(冷、热风混合后)，靠近磨煤机处加装了自动启闭式防爆门，垂直或斜向上45°安装；同时，增设CO防爆监测仪，实时监测磨煤机内部的CO含量。考虑后续煤种可能的变化和机组运行的要求，增设CO防爆检测仪后可以满足后续需要提高磨煤机的最大干燥出力，以达到磨煤机褐煤的最大掺混比运行时的防爆要求。

3 改造效果评价

3.1 改造前后主要参数

锅炉改造后掺烧神木煤+印尼褐煤。改造后根据煤质热量平衡核算得出：在100%BRL工况下，磨煤机干燥出力可提高褐煤平均掺烧比例为49.2%，褐煤掺烧比例增加了19.2百分点，其余工况下褐煤掺烧比例均有所上升。褐煤掺烧比例结果见表2。

表2 改造前后掺烧比例对比

3.2 经济性分析

根据掺烧褐煤与计划内神木标煤价格为计算依据，分析购煤成本的经济性。两种煤标煤价格对比见表3。

表3 标煤价格对比 元/kg

由表3可得：每增加10%掺烧褐煤比例，则购煤成本下降5.75元/kg。

300 MW机组锅炉在100%BRL下燃用标煤约为100 t/h，机组平均年利用小时按照3 500 h计算，褐煤掺烧比例增加19.2%，则每年节省燃煤成本386.4万元。

3.3 热经济性分析

3.3.1 排烟热损失

锅炉排烟热损失主要影响因素是排烟温度及排烟的热容量。排烟温度不变时，若全烧褐煤排烟热容量导致的锅炉效率下降约0.6%；掺烧褐煤时会造成排烟温度一定的升高。若全烧褐煤排烟温度升高约15 K，影响锅炉效率约0.95%，整体排烟损失带来的锅炉效率下降约1.55%。

3.3.2 机械不完全燃烧热损失

褐煤煤化程度低，燃尽性较好，锅炉掺烧褐煤后，飞灰含碳量有所下降。一般情况下，烟煤飞灰含碳质量分数约1%，褐煤飞灰含碳质量分数约0.5%[3]，因此若全烧褐煤，飞灰含碳量减少所引起的锅炉效率将增加约0.16%。

若全烧褐煤，锅炉效率比全烧烟煤降低1.39%。在热一次风风道中加装蒸汽换热器后，褐煤掺烧比例增加19.2百分点，则锅炉效率降低0.267%，增加煤耗约0.88 g/(kW·h)。

3.3.3 汽轮机热耗及热风温度升高对煤耗的影响

三号抽汽加热热一次风后，增加热耗约24 kJ/(kW·h)，增加煤耗约0.96 g/(kW·h)。

在热一次风风道中加装热一次风蒸汽换热器后，热一次风风温升高35 K。由于热一次风占总风量约25%，相当于总风温升高8.75 K，等效锅炉效率增加0.43%，降低煤耗1.42 g/(kW·h)。

3.3.4 厂用电率影响

300 MW锅炉若全改烧褐煤后，由于辅机电耗增加，厂用电率增加约1.2%，增加供电煤耗约3.7 g/(kW·h)；若增加褐煤掺混比例19.2百分点后，折合增加供电煤耗0.71 g/(kW·h)。

因此，在热一次风风道中加装蒸汽换热器加热一次风后，褐煤掺烧比例增加19.2百分点，最终煤耗增加1.13 g/(kW·h)。分项煤耗汇总见表4。

表4 改造后分项煤耗 g/(kW·h)

综上分析，按改造后加权标煤单价(不含税)469元/t、机组平均年利用小时数3 500 h计算，每年由于煤耗上升增加燃煤成本55.6万元，实际每年可节省燃煤成本330.8万元。

4 结语

通过在一次风风道中增设热一次风蒸汽换热器，对锅炉的一次风风率和整体燃烧状况都有了很大的改善；通过提高褐煤的掺烧比例，取得了良好的经济效益，具体如下：

(1) 在热一次风风道中增设蒸汽换热器可以在原有掺烧褐煤比例的基础上提高19.2百分点，大比例掺烧褐煤后锅炉原有的热力性能基本不变。

(2) 增设热一次风蒸汽换热器后，实际每年可节省燃煤成本330.8万元，经济效益显著。

(3) 通过改造提高了机组的煤种适应性，为后续燃煤机组掺烧劣质煤的技术提供了新的途径。

参考文献：

[1] 李剑宁. 燃用褐煤塔式锅炉炉内过程及NOx排放技术研究[D]. 上海: 上海发电设备成套设计研究院, 2016.

[2] 冯伟忠. 1 000 MW超超临界机组的综合优化和技术创新——外高桥电厂三期工程的节能减排之路[J]. 上海电力, 2007(5): 441-446.

[3] 中国电力投资集团公司. 火电机组节能对标系列丛书: 300 MW火电机组节能对标指导手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.