火电机组锅炉掺烧长焰煤对机组运行影响的研究

吕洪炳，华晓宇，徐爱民，汤敏华，宋玉彩

（1.浙江浙能富兴燃料有限公司，杭州 310051；2.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310052）

火电机组锅炉掺烧长焰煤对机组运行影响的研究

吕洪炳1，华晓宇2，徐爱民1，汤敏华1，宋玉彩1

（1.浙江浙能富兴燃料有限公司，杭州 310051；2.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310052）

为了研究火电机组锅炉掺烧不同比例长焰煤（以麻家梁煤为例）对机组运行中燃烧、结渣、脱硫系统及机组运行经济性的影响，对某发电厂开展了配煤掺烧试验，分析掺烧不同配比麻煤对炉膛温度、锅炉燃烧器结渣的影响以及掺烧麻煤使机组尾部脱硫浆液中毒的根本原因，最后分析计算了掺烧麻煤对锅炉运行经济的改善状况。结果表明：掺烧麻煤降低机组SO2排放量，其中除尘器不能有效地去除的飞灰中微细颗粒进入到脱硫系统造成脱硫浆液中毒现象；掺烧麻煤可有效地改善锅炉运行经济性。

麻家梁煤；掺烧；结渣；脱硫；经济性

0 引言

长焰煤是中国煤炭分类国家标准中煤化度最低的烟煤，挥发分较高，燃烧时火焰较长，例如麻家梁煤（以下简称麻煤），煤矿位于山西朔州市，属宁武煤田，地质学属于石炭纪煤种，其原煤灰分平均26.99%，基本以中灰为主；原煤全硫平均0.46%，属特低硫或低硫煤；原煤挥发分平均39.60%，平均发热量21.99 MJ/kg，为中高热值煤。

实际掺烧长焰煤发电的机组，发现锅炉上煤、燃烧系统及脱硫系统遇到若干问题，给电站锅炉的正常生产经营带来诸多不便。以掺烧麻煤的机组为例，尤为突出的问题具体表现为：锅炉存在燃烧器区域结渣、脱硫系统浆液中毒的现象。

以某发电厂5号机组为例，为研究机组掺配燃用不同比例麻煤对锅炉燃烧、结渣、脱硫、运行经济性等问题的影响开展了配煤掺烧试验并进行分析总结，以期为其他类似机组提供借鉴。

1 锅炉概况

某发电厂5号机组配套的锅炉设备为东方锅炉厂生产的DG670/140-8型锅炉，该型锅炉为超高压中间再热、单汽包自然循环、固态除渣煤粉锅炉，采用2台钢球磨煤机、中间储仓式热风送粉的制粉系统，其中干燥剂再循环份额为49%，三次风约占进入炉膛总风量的18%，燃烧器四角布置4组直流式煤粉燃烧器，并采用小切圆的燃烧方式。该锅炉已经过低氮燃烧器改造，配置了燃尽风。

2 掺烧试验用煤情况及分析

试验煤种为大同混煤（简称大混）、大混与麻煤的配煤（大∶麻比例分别为3∶1，2∶1，1∶1），试验煤质工业分析、元素分析、灰熔点、微量元素F与Cl含量指标如表1所示。总体而言从各单煤及混煤的煤质指标来看，大混煤与麻煤的基本特性差异较小，F与Cl含量基本处于国内煤平均范围，除麻煤的硫分含量略低于大混煤之外，其他干燥无灰基挥发分含量、灰熔融性温度等指标处于同一水平。掺烧方式是炉前掺混。

表1 试验期间煤质分析数据

3 掺烧麻煤对机组运行的影响与分析

3.1 掺烧麻煤对炉膛温度影响分析

图1与图2分别是不同比例麻煤与大混煤燃烧时燃烧器出口温度与炉膛温度。从图1可以看出试验期间各工况的下一次风喷口温度最低（900℃左右），除下一次风喷口外，其他各层燃烧器出口温度均在1 050℃左右。与掺烧麻煤相比，全烧大混煤时中下一次风、下一次风喷口出口温度均最低，分析认为可能是全烧大混煤热量释放较为分散，导致测量温度较低[1]。

图1 不同比例麻煤与大混煤燃烧喷口温度

5号炉主燃烧器区前后墙中间及两侧均有数量不等观火孔，将此部分区域测量温度按照高度作平均值得到图2。随着燃烧器高度的增加，主燃烧器炉膛温度先增加后降低，在中层燃烧器区域达到最高值。炉膛平均温度最低1 200℃，最高1 450℃左右，随麻混煤掺烧比例的增加，炉膛温度最高值总体有上升趋势。炉膛内的火焰温度较高，燃烧器区域热负荷偏高[2，3]。5号炉设计容积热负荷较高（131.8 kW/m3）。

图2 不同比例麻煤与大混煤燃烧时主燃烧器区炉膛温度

3.2 掺烧麻煤对锅炉结渣情况影响分析

灰质成分和熔化温度是锅炉结渣的内因[4]。一般来说，酸性氧化物可以提高灰的熔点和粘度，碱性氧化物在满足一定条件时促进灰熔点降低并使熔体变得稀薄，各组分含量及相互比例对灰熔点亦有较大影响。灰质中的酸性氧化物（SiO2，Al2O3，TiO2）的熔融温度较高、灰熔点较高，其中硅铝含量越高，越不容易结渣。碱性氧化物Fe2O3，CaO，MgO，Na2O，K2O的含量在某一范围时，煤种呈现出较强的结焦性，其中钠钾钙含量越高，越易造成结渣[5]。掺烧不同比例麻煤试验期间，锅炉水冷壁结渣情况未见严重结渣趋势。这也与表 2的测试结果相符，灰中酸性氧化物（SiO2，Al2O3）的含量要远远大于碱性氧化物的含量，较大程度减少了麻煤灰分对锅炉结渣的影响。

配烧麻煤试验期间测试喷口温度同时观察喷口着火状况，发现一次风喷口存在不同程度的带火或喷火现象，所有喷口着火状况如表3所示。从表中统计状况可知随着大∶麻混煤掺烧比例由3∶1增加到1∶1时，带火喷口数量有增加趋势，原因在于麻煤掺烧使得煤热值发生了改变，而热值的增加会引发一次风喷口带火。而下一次风喷口温度最低，带火却最为严重，原因可能是该厂锅炉燃烧器结构及下一次风量太小，使得煤粉气流的着火距离过近，引发下一次风喷口带火。1号角相对其他角而言，带火喷口最多，结合长期以来运行人员反映，锅炉喷口带火状况受低NOX燃烧器改造的影响较大，该经验与文献[6，7]中结论较为一致。掺烧麻煤试验期间可知5号锅炉燃烧器区域出现的结渣现象很可能是由于一、二次风没有混合好，推迟燃料燃烧过程，使得炉内火焰中心高度上移，炉膛出口处煤粉燃尽率下降，特别是炉膛出口处局部缺氧，导致灰熔点降低，出现结渣现象；而因为麻煤灰中酸性氧化物的存在，掺烧麻煤虽然不能缓解结渣，但本身并不会恶化结渣。

3.3 掺烧麻煤对脱硫系统运行影响分析

掺烧不同比例麻煤下的脱硫系统SO2排放情况如图3所示，由图3可知：随着大∶麻混煤掺烧比例由3∶1增加为1∶1，SO2排放由最初的1 600 mg/m3逐渐降低到1 300 mg/m3附近，之后又升高到1 500 mg/m3左右。之所以SO2排放有这样的变化趋势，很可能是因为1∶1配烧麻煤后的含硫量较2∶1配煤后的含硫量有所升高造成。由于麻煤的掺烧，SO2排放整体上呈减轻趋势，进而缓解了脱硫系统压力。

表2 燃用不同比例麻煤时灰成分 %

表3 5号炉1，2，3，4角喷口带火情况

有研究[5-11]发现飞灰中携带的氟离子、铝离子进入脱硫浆液中可形成AlFx络合物，这些AlFx络合物包裹住石灰石颗粒，形成“石灰石屏蔽”，阻碍石灰石溶解及其与SO2之间的反应，进而导致脱硫浆液中毒。不同工况脱硫浆液、废水中的F-与Cl-含量如图4和图5所示。随着麻混煤掺烧比例的增加，浆液和废水中F-与Cl-含量并没有明显变化趋势，说明在试验期间掺烧麻煤对F-与Cl-含量没有形成影响作用。试验期间所采集浆液样品中Cl-含量范围在8.73～13.77 g/L，F-含量在5 mg/L左右，均在正常可接受范围内。而大∶麻=1∶1工况下浆液氯离子上升可能与废水排放和工艺水补充频率波动有关，但两者浓度均属于正常范围内，对脱硫效率的负面影响较小。

不同工况脱硫浆液、废水中的铝离子、铁离子和镁离子含量如图6和图7所示。浆液中Al3+和Fe3+含量范围分别在0.14 mg/L和9 mg/L以内，Mg2+含量在1 289～1 872 mg/L范围内波动，三者浓度均属于正常范围内。然而对于燃用麻家梁煤时脱硫浆液表现出的中毒现象，很可能是有大量经过电除尘后的微细颗粒粉尘不能被电除尘捕捉而进入脱硫系统造成的[11]。而这观点正与表4的数据相符，从表4中数据可以看出：随着麻煤掺烧比例的增加，飞灰粒径有减小的趋势，同时微细颗粒所占比例增加，表明更多的微细颗粒粉尘从除尘器中逃逸，最终使浆液中毒。

图3 不同比例麻煤与大混配烧的SO2排放

图4 浆液、废水中氟离子含量

图5 浆液、废水中氯离子含量

图6 浆液中Al3+与Fe3+含量

图7 浆液中Mg2+含量

表4 不同比例麻煤飞灰粒径和不同粒径飞灰质量分数

钙硫比（MCa/MS）是影响机组脱硫效率的一个重要因素，机组脱硫效率随MCa/MS改变的变化趋势可为炉内脱硫剂投入量以及锅炉最佳运行床温的控制提供一定的依据[12]。MCa/MS一般指注入吸收剂量与吸收二氧化硫的物质的量比值，计算公式按照式（1）。对于石灰石湿法FGD（选择性催化还原），MCa/MS应控制在1.02～1.05，根据图8中浆液钙硫比的变化趋势可知，掺烧麻煤后浆液虽出现中毒现象，但钙硫比未发生明显变化，接近1.02。说明炉内脱硫效率随MCa/MS增大变化幅度较大，掺烧麻煤试验过程中浆液的石灰石利用率较高。

式中：XCaCO3为石膏中CaCO3的质量含量；MCaCO3为CaCO3物质的量的质量，100.09 g/mol；XCa-SO4·2H2O为石膏中 CaSO4·2H2O的质量含量；MCaSO4·2H2O为CaSO4·2H2O物质的量的质量，172.18 g/mol；XCaSO3·0.5H2O为石膏中 CaSO3·0.5H2O的质量含量；MCaSO3·0.5H2O为CaSO3·0.5H2O物质的量的质量，129.15 g/mol。

图8 浆液中钙硫比

3.4 掺烧麻煤对锅炉运行经济性影响分析

配烧不同比例麻煤试验期间，锅炉效率计算结果如表5所示，在锅炉主蒸汽流量630 t/h前提下，修正后排烟热损失q2在6%左右波动，随麻煤掺烧比例增加变化无规律；随掺烧麻煤比例增加，修正后锅炉效率由92.00%增加至92.74%。掺烧25%麻混煤炉效增加较少。随麻混煤掺烧比例增加，固体不完全燃烧损失由1.15%逐渐降低至0.81%，降低0.34%，故而降低了固体不完全燃烧损失则是间接地提高了机组运行的经济性。配烧不同比例麻煤时锅炉效率与固体不完全燃烧损失如图9与图10所示。

表5 不同工况下锅炉运行经济性

图9 不同比例麻煤与大混煤燃烧时锅炉效率

图10 不同比例麻煤与大混煤燃烧时固体不完全燃烧损失

表6 不同工况下经济性分析

考虑到不同运行工况氧量波动的差异，在经济性计算时，以全烧大混煤为基础工况，仅考虑固体不完全燃烧损失部分引起的锅炉效率差异。假设5号炉200 MW机组汽轮机发电热耗率为8 400 kJ/kWh，管道效率为99%，不同工况下机组的发电标煤煤耗如表6所示，大∶麻为1∶1掺烧时较全烧大混煤标煤耗低1.16 g/kWh，降低幅度最大，折合发热量为20 230 kJ/kg大混煤降低煤耗1.68 g/kWh。按照全年使用小时数5 000 h计算，节约大混煤使用量约为1 680 t，按照动力煤平均价格（5 000 kcal）的455元/t，运费45元/t计算，约降低燃料成本84.0万元/年。

4 结论与建议

麻煤具有特有的性质，在掺烧麻煤试验中可以得知麻煤对于燃煤发电厂来说可谓是利弊皆有。锅炉燃烧器区域结渣是因为一、二次风没有混合好，炉膛出口处局部缺氧，导致灰熔点降低，出现结渣现象，所以掺烧麻煤不是造成锅炉结渣的原因；由于麻煤的掺混使得飞灰颗粒呈较小趋势，进而除尘器不能有效地去除飞灰中的微细颗粒，而这些颗粒顺着气流进入了脱硫系统，造成了脱硫浆液中毒现象。但同时掺烧麻煤可以显著改善运行经济性，降低发电厂运营成本，若结合发电厂情况妥善使用，麻煤还是可以创造经济效益的。

[1]白存旭，马光耀，张培杰，等.670 t/h锅炉结焦原因分析与燃烧器改造器[J].应用能源技术，2012（9）∶15-18.

[2]李守信，纪立国，于军玲.石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺原理[J]．华北电力大学学报，2002，29（4）∶91－94．

[3]冯俊凯.根据燃煤性质论电站锅炉燃烧方法的发展[J].动力工程，1995（3）∶34-35.

[4]武泉，韩成志，王强．脱硫吸收塔浆液失效的原因分析与处理措施[J]．电力科学与工程，2011，27（8）∶57-61．

[5]朱晓华，章敬泉，李鹏飞，等.钙硫比对烧结烟气循环流化床脱硫效率的影响[J].环境工程，2011，29（3）∶73-75.

[6]MAYORAL M C，ANDRES J M，IZQUIERDO M T，et al.Pyrrhotite deposition through thermal projection to simulate iron sulphide slagging in oxy fuel combustion[J].Fuel.2012，101（6）∶197-204.

[7]NIU YANGQING，ZHU YIMING，TAN HOUZHANG，et al.Investigations on biomass slagging in utility boiler∶Criterion numbers and slagging growth mechanisms[J].Fuel Processing Technology.2014，128（12）∶499-508.

[8]任志广，韦英轲，凌鹏.脱硫吸收塔内浆液中毒的原因分析与应对措施[J].电力安全技术，2013，15（4）∶15-18.

[9]杨玉环，张媛媛.钙硫比对CFB锅炉炉内脱硫效率的影响研究[J].应用能源技术，2013（6）∶28-33.

[10]王晨辉，王敏琪.火力发电厂脱硫废水系统改造研究[J].浙江电力，2015，34（7）∶53-56.

[11]XU HAO，HAN ZHE，ZHANG DONGJU，et al.Theoretical elucidation of the dual role of[HMIm]BF4 ionic liquid as catalyst and extractant in the oxidative desulfurization of dibenzothiophene[J].Journal of Molecular Catalysis A∶Chemical，2015，398（3）∶297-303.

[12]张振杰，王彦海.掺烧褐煤对350 MW机组烟煤锅炉经济性影响研究[J].东北电力技术，2011（3）∶17-20.

[13]白少林，李宗绪，张建生.提高大型低挥发分煤锅炉运行经济性研究[J].中国电力，2006，39（9）∶79-82.

[14]裘立春，吕新华.优化锅炉燃烧解决结渣问题的实践[J].发电设备，2007，21（3）∶197-199.

（本文编辑：陆 莹）

Research on Effect of Mixed-burning Long Flame Coal on Unit Operation of Thermal Units Boiler

LYU Hongbing1，HUA Xiaoyu2，XU Aimin1，TANG Minhua1，SONG Yucai1
（1.Zhejiang Zheneng Fuxing Fuel Co.，Ltd.，Hangzhou 310052，China；2．Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.,Hangzhou 310052,China）

In order to study the influence of mixed-burning long flame coal（Majialiang coal for instance）in different proportions on combustion，slagging and the desulfurization system during the operation of the unit and the running efficiency of the boiler，coal blending test is conducted in a power plant to analyze the impact of the blended coal on furnace temperature，burner slagging as well as the fundamental reasons of slurry poisoning at the tail of coal-fired boiler.Finally，operation efficiency improvement of the blended Majialiang coal is analyzed and calculated.The result shows that the blended Majialiang coal can reduce SO2emissions; the precipitator can not remove fine particles in the flying ash that enters into desulphurization system to poison the slurry.The mixed-burning of Majialiang coal can effectively improve operation economy of boiler.

Majialiang coal；blending；slagging；desulfurization；economy

TK227

A

1007-1881（2017）02-0047-06

2016-12-29

吕洪炳（1973），男，高级工程师，主要从事发电厂生产经营管理及煤炭清洁、经济燃烧等方面的工作。