1 030 MW机组锅炉超温与低水澳煤相关性研究

朱青国，郭文广，徐书德，谢增孝，俞建楠，郑水明，杨建国

（1.浙江浙能中煤舟山煤电有限责任公司，浙江 舟山 316131；2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027；3.浙江省能源集团有限公司煤炭及运输分公司，杭州 311121）

0 引言

近年来虽然受到环保政策的影响，我国煤炭消费有所降低，但燃煤电厂煤炭使用量依然在短时间内难以减少［1］。澳大利亚煤炭（以下简称“澳煤”）储量占世界第4位，大多数出口澳煤属优质烟煤，2019 年中国进口澳煤占煤炭总进口量的四分之一，2020 年前8 个月澳煤进口量已相当于2019年全年进口量的91.5%［2］。我国一般以内水6%为指标将澳煤分为高水澳煤和低水澳煤［3］。高水澳煤燃烧特性与我国神混煤或蒙煤相似，优于优混煤，低水澳煤燃烧特性与优混煤相似，但澳煤煤化程度较高，可磨性较差［4］。张海丹［5］等利用TGA-FTIR（热重-红外联用）技术，对比了蒙混煤和富动24 煤，认为低水分和较高灰分的特点是低水澳煤难燃尽以及燃尽温度较高的原因。陈立明［6］指出澳煤因其内在水分较高可以增大空气与煤粉的接触面积，更易燃尽，同时提高磨煤机出口温度，有利于煤粉着火与燃尽，但进口澳煤不同批次煤质指标差异较大，不同矿点不同批次的澳煤需要相应的优化调整方法。

与高水澳煤相比，低水澳煤产量大，在长时间通关情况下自燃风险低、损耗小，因而更适合发电企业大规模使用。华晓宇［7］等人基于ASME和GB两种标准计算出掺烧澳煤后的效率略高于全烧优混煤的效率。李沙［8］等进行了600 MW机组锅炉掺烧澳煤飞灰含碳量测试，认为低水澳煤的煤质和灰熔点与我国优混类煤相当，实际燃烧过程中的着火特性较接近，但存在燃烧过程长、燃尽性差、飞灰含碳量增加、减温水量增加、锅炉排烟温度偏高等问题，给发电厂掺烧的安全性和经济性带来较大影响。煤粉粒径对煤燃烧性能有很大影响，煤粉粒度减小，燃烧性能明显改善，煤粉燃烧更快、更彻底［9-10］。而在澳煤掺烧时，由于澳煤硬度较高，煤粉偏粗，不易燃尽，且随着澳煤掺烧比例增加，石子煤排量增加，飞灰含碳量偏高，NOX生成量有所增加，过热器、再热器减温水量上升明显［11］。富氧燃烧虽有利于降低NOX生成，提高燃尽率［12］，但常规应用存在一定难度。

某1 030 MW超超临界机组锅炉长期掺烧低水澳煤，锅炉存在受热面超温问题，基于已有文献对低水澳煤的认识，怀疑锅炉受热面超温是燃用低水澳煤所导致。本文通过锅炉掺烧试验及实验室实验分析，研究相应的解决方案。

1 存在的问题及试验分析

1.1 设备概况

某台1 030 MW 超超临界机组配备B&WB-3048/26.15-M燃煤锅炉，燃烧系统为前后墙对冲燃烧系统，制粉系统为中速磨煤机正压直吹式系统，配置6台HP1163/Dyn型中速磨煤机，每台磨煤机出口分为4根煤粉管道，每根煤粉管道再一分为二，共8根煤粉管道，对应锅炉的一层8只燃烧器。燃烧器标识为：前墙由下到上分别为B、D、C层，后墙由下到上分别为A、F、E层。

1.2 运行问题

运行人员反映锅炉存在受热面超温的问题，主要表现为高温再热器（以下简称“高再”）超温较为频繁，屏式过热器（以下简称“屏过”）和后屏过热器（以下简称“后屏”）也存在一定的超温机率，虽然通过减温水量和风量调整可以控制，但也给运行安全带来一定的隐患，而且时常导致过热器和再热器减温水量偏高。由于低水澳煤为机组常用掺烧煤种，结合已有研究普遍认为低水澳煤存在相对难以燃尽的特性，因此认为锅炉存在的问题是由低水澳煤引起，有必要开展针对燃用低水澳煤的优化研究。

1.3 锅炉试验分析

首先进行了澳煤掺烧的摸底试验，对比分析不同煤种及其掺烧方式与掺烧量对锅炉运行参数的影响，试验煤种、煤质见表1。由于低水澳煤煤质与优混煤接近，一般将低水澳煤作为优混煤的替代煤种，因此采用优混煤作为对比煤种。试验工况见表2，仅改变入炉煤种及其掺烧比例，各工况的试验负荷为1 030 MW，SCR（选择性催化还原法）脱硫系统入口氧量控制在3%左右，保持燃烧器旋流角、风门开度、燃尽风率等配风方式不变，保持磨煤机投运方式一致且各磨煤机给煤量均等，稳定2 h后开始测试。空预器出口温度、氧量、CO浓度采用网格法测量，飞灰含碳量利用撞击式飞灰采样装置采样。试验结果见表3。

表1 掺烧试验煤种煤质

表2 澳煤掺烧试验煤种及配比情况

由表3可知，用低水澳煤替代优混煤并逐渐增加掺烧量，锅炉烟气参数和减温水量并没有呈现明显的规律性变化，甚至低水澳煤有更好的表现趋势。屏过、后屏、高再的壁温上限报警值分别为563 ℃、606 ℃、629 ℃，工况1、工况2、工况4中高再出现了偶发性、短时间的管壁超温情况，但是根据掺烧工况排列来看，超温与低水澳煤的掺烧没有明显的相关性和规律性。

在锅炉四周观火孔用红外高温仪测量炉膛温度，每个炉膛标高的烟温取平均值，得到炉膛温度分布曲线如图1所示。图1中炉膛温度测量起始点（43.2 m）位于燃尽风（40.8 m）上部，前屏底部标高58.7 m。从图1的总体趋势可以看出，掺烧优混煤时的炉膛温度相对最高，掺烧两仓低水澳煤时的炉膛温度相对最低，掺烧一仓、三仓时的炉膛温度反而基本相近。虽然不同工况的炉膛温度有一定差异，但总体上各工况的炉膛温度差异并不太大，均值偏差仅在±40 ℃范围内。因此可以认为，炉膛温度的差异与低水澳煤的掺烧没有明显的相关性和规律性。

图1 炉膛温度分布

在同一台磨煤机上，对低水澳煤、优混煤分别进行煤粉细度测试。保持给煤量、风煤比、磨煤机出口温度、动态分离器转速基本一致，在8根煤粉管道内采用等速取样法和网格法采集煤粉，8个煤粉样混合后分析煤粉细度，得到低水澳煤和优混煤的R90分别为13.28%和15.93%、R200分别为0.75%和0.77%。结果表明，两种煤的煤粉细度基本相近，低水澳煤的煤粉细度反而略小。

根据试验结果分析，锅炉运行存在的问题与所试验的煤种没有明显相关性，问题可能来自于锅炉自身特性，但也不能排除试验煤批次的偶然性。因此调整原计划的试验内容，选择多个不同批次的煤，进一步进行不同煤的差异性实验，从而论证锅炉试验得出的受热面超温与燃用低水澳煤的相关性。

2 煤种燃烧特性与制粉特性实验分析

2.1 实验煤种和煤质分析

为了对比分析不同批次澳煤的差异性，陆续采集了3 个批次低水澳煤、3 个批次优混煤和1 个蒙煤的原煤样。实验煤样及其煤质数据见表4。

表4 燃烧特性及制粉特性实验煤种煤质

2.2 热重分析

热分析采用德国NETZSCH的STA449C热天平，质量分辨率为0.1 μg。采用Al2O3坩埚，煤样细度为90 μm，装样质量为10±0.1 mg。实验气氛为空气，空气流量190 mL/min，升温速度15 ℃/min，实验温度范围为50 ℃～700 ℃。

热重分析得到TG-DTG（热重-微商热重）曲线，如图2所示。根据热重曲线得到着火温度、燃尽温度和最大失重速率见表5，其中着火温度采用TG曲线切线法［13-14］分析，燃尽温度为煤中可燃物烧掉98%时所对应的温度［15］，最大失重速率为DTG 曲线的峰值，即最大燃烧速度。根据表5 结果可知，低水澳煤与优混煤相比，总体燃烧过程基本一致，着火温度相当、燃尽温度较高、最大燃烧速度较略低，两者均明显比蒙煤难燃。

表5 实验煤样的燃烧特性参数

图2 实验煤样的热重曲线

2.3 磨煤特性实验分析

通过现场试验可知，低水澳煤与优混煤可磨性相近，且略优于优混煤，这与常规所认知的低水澳煤较难磨有较大出入。因此，进一步进行实验室自设计的磨煤特性实验，研究煤在磨制过程中的煤粉细度变化过程。

磨煤特性采用实验室用碗式磨煤机，最大磨煤量200 g。将5 kg 原煤样搅拌均匀后缩分出1 kg原煤样，用破碎机破碎至1 mm，在45 ℃下进行烘干，烘干时间大于2 d。在烘干后的煤样中分散多点采集共100±0.1 g 进行磨煤，每次磨制时间为10 s，每次磨制后进行R90、R200筛分，然后将粒径大于R90的煤样再次磨制10 s，每个煤样重复磨制4次，最终获得不同磨制时间的煤粉量变化趋势。

磨煤特性实验结果如图3所示，将低水澳煤和优混煤的数据分别取均值，如表6所示。由图3和表6 可以看出，磨制时间较短（小于或等于20 s）时，低水澳煤的R90和R200与优混煤相近，或略高于优混煤；当磨制时间较长时，低水澳煤的煤粉细度明显小于优混煤，3个批次的低水澳煤具有相近的磨煤特性规律。由此验证了实际磨煤机煤粉细度的可信度，从而确定了锅炉超温与低水澳煤的煤粉细度基本无关。

表6 各煤样磨煤特性均值

图3 各批次煤样磨煤特性

为了排除原煤中粉煤占比对磨煤过程的影响，进行了原煤样筛分对比实验。将原煤样混合均匀，多点取出共100 g，用孔径1 mm的筛子进行筛分，得到原煤样的粉煤占比如图4所示。根据图4结果可知，低水澳煤原煤中的粉煤含量相对较低，说明原煤中粉煤占比不是影响煤样磨煤特性的关键因素。

图4 磨煤特性原煤样初始粒径比较

综上所述，对比3个批次低水澳煤和3个批次优混煤后发现，其着火温度和磨煤特性基本相近，低水澳煤的燃尽性较差。但是由于总体燃烧过程基本一致，可以认为两种煤燃烧的主体放热过程不会有太大差异，低水澳煤燃烧后期小比例难燃碳的燃烧在理论上可能会使炉膛上部烟温升高，但是烟温升高幅度不足以发生显著差异，验证了锅炉试验结果的可信度。因此，根据锅炉试验的结果，基本可以确定锅炉运行的超温问题与燃用低水澳煤没有明显的相关性。

3 结论

低水澳煤燃尽性较差，锅炉掺烧低水澳煤时存在受热面超温问题。因此，通过锅炉掺烧试验和实验室分析，诊断超温问题与低水澳煤的相关性，得出结论如下：

1）将低水澳煤替代优混煤进行对比掺烧试验，并逐渐增加低水澳煤掺烧比例，试验结果表明锅炉受热面超温与掺烧低水澳煤及其比例没有明显的相关性。

2）为排除煤种批次的偶然性，进行了7个不同煤样的对比验证实验。热重分析表明：低水澳煤的着火温度与优混煤相近，燃尽温度高于优混煤，但是由于两者总体燃烧过程基本一致，认为少量难燃成分不足以使炉膛上部烟温升高幅度发生显著差异。

3）通过锅炉实际煤粉细度测试和实验室磨煤特性实验均得出：低水澳煤的磨煤特性与优混煤没有显著性差异，反而总体上略优于优混煤。

4）综合分析得出，锅炉运行所存在的超温问题与燃用低水澳煤没有明显相关性，燃用低水澳煤可能会使受热面超温略趋于严重，但不是发生超温问题的关键因素。