趙振寧, 朱來玉, 于 洋, 張清峰

(1.華北電力科學研究院有限責任公司,北京100045;2.天津大港發(fā)電廠,天津300270)

石油焦是石油化工行業(yè)的副產(chǎn)品,其燃燒特性介于無煙煤與煙煤之間,具有低灰分、低揮發(fā)分、高熱值和高含硫量的特性[1-2].楊亞平等人較早在試驗臺上進行了煙煤摻燒石油焦的應用研究[3-4];黎水[5-6]等人和楊亞平[7-10]等人分別在循環(huán)流化床鍋爐和石油化工行業(yè)自備電站煤粉鍋爐上進行了摻燒研究,但鍋爐容量都較小,最大僅為125 MW,在大型煤粉鍋爐上摻燒還缺少經(jīng)驗.在大型電站鍋爐摻燒石油焦運行時,可利用石油焦的高熱值和低灰分特性有效提高入爐煤熱值,保證機組帶高負荷運行,降低鍋爐排灰渣量,減少鍋爐受熱面飛灰磨損,同時石油焦年產(chǎn)量達2 Mt[9],而小鍋爐上消化能力有限,因此,對大型電站鍋爐摻燒石油焦的研究具有重要意義.筆者對兩臺328 MW電站鍋爐上摻燒石油焦的應用情況進行了研究,在不改變原燃燒設備的情況下進行燃燒調(diào)整,取得了良好的效果.

1 設備概況與燃料分析

試驗鍋爐為意大利TOSI廠制造的亞臨界、強迫循環(huán)、輻射中間再熱、平衡通風、四角切圓燃燒、直吹式雙進雙出鋼球磨煤機制粉系統(tǒng)燃煤汽包鍋爐.過熱蒸汽溫度由兩級減溫噴水調(diào)節(jié),再熱蒸汽溫度用燃燒器擺動的方法進行調(diào)節(jié),擺動燃燒器可向上、向下傾斜20°,在再熱器入口處還裝有2臺噴水減溫裝置,作為事故時減溫用.

該鍋爐燃燒系統(tǒng)為四角布置切向擺動燃燒器,共四層燃燒器,原設計燃用貧煤,后改燒大同煙煤.燃燒器由垂直濃淡分離式改為百葉窗控制分離水平濃淡式,四角切圓直徑分別為1 287 mm、1 127 mm(圖1),但燃燒器的高度、大小并未改變.該鍋爐目前可以很好地適應大同煙煤,但由于國內(nèi)燃料品質(zhì)普遍下降,現(xiàn)燃用煤種較雜,主要燃料及石油焦煤質(zhì)見表1.

圖1 燃燒器布置圖(單位:mm)Fig.1 Arrangement of burners(unit:mm)

表1 設計煤種、常用煤種及石油焦混煤的基本特性Tab.1 Basic properties of design coal,common-used coal and blended coal with petroleum coke

除表1中數(shù)據(jù)顯示特性外,石油焦還有如下顯著特點:

(1)固定碳含量很高,為85%,密度為700 kg/m3,HGI可磨性系數(shù)為78.

(2)石油焦中揮發(fā)分在230℃開始析出,330℃開始著火,但溫度升至1 100℃仍有揮發(fā)分析出.

(3)空氣中石油焦著火溫度為660℃.

由此可見,石油焦整體燃燒特性接近貧煤[4].在本鍋爐中摻燒石油焦時,有幾個關鍵因素必須得到解決[9-11]:

(1)采取適當措施保證鍋爐著火、燃燒穩(wěn)定與燃料的燃盡.

(2)適當控制摻燒比例,以避免石油焦高含硫量特性造成鍋爐受熱面高溫腐蝕,并防止造成鍋爐SO2排放超標或者超出脫硫系統(tǒng)最大出力.

(3)由于石油焦與煙煤的化學、物理特性差異大,使其混配難度增大:一方面石油焦可磨性較好,易于磨制;另一方面石油焦密度較小容易被早分離,不易于磨細.

(4)以表1中神頭/石油焦混煤為例,其28.19%的灰分中只有0.11%來自于低灰熔點的石油焦,因而石油焦的摻入對混合燃料結焦特性影響不大.同時,摻燒后的燃燒器區(qū)域溫度水平會明顯下降[12],也有利于防止結渣.因而,摻燒不用考慮石油焦結渣特性,但必須考慮其燃燒滯后造成的影響.

2 摻燒石油焦運行技術措施

2.1 摻燒方式

石油焦燃燒特性接近貧煤,鍋爐燃燒器無法維持其單獨燃燒.為保證低負荷時的穩(wěn)定燃燒要求,必須以爐外摻燒的方式摻入石油焦,即在進入磨煤機前完成石油焦與其他煙煤的摻混過程,并力求摻配均勻,避免石油焦瞬時摻入過多而發(fā)生鍋爐滅火.

2.2 摻燒煤種選擇

根據(jù)鍋爐燃燒設備與脫硫系統(tǒng)的要求,石油焦與煙煤混合后的混煤的收到基揮發(fā)分Var在22%～28%,含硫量低于1.3%,具有較高的灰熔點和中等至輕微的結焦特性,熱值應在18～20 MJ/kg.表1中所示的4種煙煤單獨與石油焦混配,或幾種煤的混煤與石油焦按照4∶1摻燒后,均可滿足此要求,生產(chǎn)中這些煤也混合在一個煤場.因此,摻燒時把它們當做同一種煙煤,不作具體區(qū)分.

2.3 煤粉細度要求

混煤進入鍋爐后,會完成各自的燃燒過程[11],為保證石油焦燃盡,需要根據(jù)石油焦的要求來選擇混煤煤粉細度.煤粉細度公式為:

式中:n為煤粉均勻性指數(shù),一般接近1.

按此要求,石油焦顆粒的煤粉細度約為7%～8%.由于鍋爐采用鋼球機制粉系統(tǒng),煤粉細度可以維持在10%以下,基本滿足石油焦顆粒的燃燒要求.

2.4 鍋爐水冷壁高溫腐蝕

由于石油焦的硫分較高,且有較長的燃燒行程,容易沖刷到水冷壁附近燃燒,使水冷壁表面附近形成局部還原性氣氛,易使硫鐵礦FeS2分解為原子硫S,并產(chǎn)生腐蝕性氣體H 2S與SO3,與水冷壁上的堿金屬氧化物共同作用,產(chǎn)生嚴重的高溫腐蝕[13].為此必須在近水冷壁處對煙氣含氧量取樣分析,評估產(chǎn)生高溫腐蝕的可能性,同時在燃燒調(diào)整中,可適當增大過量空氣系數(shù),降低產(chǎn)生高溫腐蝕的風險.

2.5 對鍋爐效率的影響

摻燒石油焦后,會使飛灰含碳量增加,造成鍋爐效率下降.為盡可能使石油焦燃燒完全,除了要提高煤粉細度外,還要盡可能延長煤粉在爐膛內(nèi)的停留時間.但試驗鍋爐原設計煤種為貧煤,爐膛呈瘦高型結構,有利于石油焦的燃盡.另外,石油焦的含灰量低,有利于減少灰渣帶走的熱量,從而提高鍋爐效率.

2.6 配風調(diào)整

摻入石油焦后燃料特性變差,使火焰中心位置上移,燃料在爐膛內(nèi)的停留時間縮短,燃盡率和燃燒效率都明顯下降,因此通過配風來調(diào)整燃燒中心位置是保證合理燃燒的關鍵性步驟,主要措施如下.

2.6.1 給燃料點的調(diào)整

在總?cè)剂狭坎蛔兊那闆r下,將上層燃燒器給煤量部分地轉(zhuǎn)移到中層或下層,使中、下層燃料量所占比例相對增加,大部分混合燃料顆粒便可經(jīng)過更長的距離離開爐膛,達到延長燃料在爐膛停留時間的效果.

2.6.2 一次風的調(diào)整

煤/石油焦混合燃料的揮發(fā)分隨著摻入石油焦量的增加而減少.為更好地滿足混合燃料著火特性,一次風量應比摻燒前低,以便有效地降低混合燃料的著火溫度,為著火創(chuàng)造良好條件.一次風量的大小用風煤比表示,摻燒石油焦時風煤比由原1.75降低到1.60,并把磨煤機出口溫度由原75℃提高到85℃,以適應燃燒要求[11].

2.6.3 二次風的調(diào)整

隨著混合燃料大部分轉(zhuǎn)移到中間層或下層部位,二次風采用正塔型配風方式,中下層二次風可以足量、較早地與相應一次風粉火焰混合.燃燒中心區(qū)的焦煤分離使該區(qū)域燃料氣流間的不均勻程度增加,此時集中較多的二次風送入該區(qū)域?qū)μ岣邎鰞?nèi)氣流剛度、增強氣流湍流擴散能力、改善這種不均勻性有利.同時,這種配風方式盡早地給予已著火的煙煤和焦粉足夠的氧量,可促使燃燒過程加速.強烈燃燒的盡快實現(xiàn)可為石油焦贏得較長的燃盡時間,提高燃燒效率.

2.6.4 爐膛出口過量空氣系數(shù)的調(diào)整

摻燒石油焦后適當?shù)卦龃筮^量空氣系數(shù)對燃盡有一定好處.根據(jù)煤、石油焦的物理特性分析,煤和石油焦在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)燃燒過程中,煤、石油焦顆粒分離是必然的,因此適當?shù)卦龃筮^量空氣系數(shù),可保證即使有少量的熾熱燃料顆粒脫離主射流或進入到高濃度燃料區(qū)時,也會有足量的氧氣參與燃燒反應,使這部分燃料得到充分燃燒.滿負荷時過量空氣系數(shù)應控制在1.25左右,略高于純燒煙煤時的過量空氣系數(shù).

3 摻燒試驗及結果

3.1 單磨煤機摻燒試驗

2009年7月1日用4B磨煤機摻燒石油焦,所燃用的煙煤為宋家莊煤、神頭煤、懷仁煤與石油焦的混煤,負荷為328 MW,試驗結果見表2.

由表2可知,摻燒前、后鍋爐各運行參數(shù)沒有明顯變化,說明摻燒量較少時,對鍋爐性能沒有產(chǎn)生不良影響.

摻燒石油焦后,制粉系統(tǒng)運行正常,但由于一次風量略有減少,使得在磨煤機設備未進行調(diào)整的情況下,磨煤機煤粉細度得到改善.同時,由于石油焦具有一定的潤滑作用,在摻燒石油焦過程中消除了磨煤機煤斗下煤不暢的現(xiàn)象.

表2 單磨煤機摻燒前后關鍵參數(shù)對比Tab.2 Comparison of parameters before/after petroleum coke blending in single mill

3.2 雙磨煤機摻燒試驗

在單磨煤機摻燒試驗成功的基礎上,2009年7月2日18:00開始在4A、4B兩臺磨煤機上進行了同時摻燒試驗,磨煤機摻燒比例為1∶4,鍋爐滿負荷、四臺磨煤機同時運行.試驗數(shù)據(jù)見表3.

表3 雙磨煤機摻燒前后關鍵參數(shù)對比Tab.3 Comparison of key parameters before/after petroleum coke blending in two mills

與單臺磨煤機摻燒運行情況相同,除了鍋爐給煤量下降以外,運行參數(shù)沒有明顯的變化,鍋爐飛灰含碳量雖略有升高,但仍處于良好的水平.

摻燒前后火焰燃燒情況有所變化,如圖2所示.摻燒前火焰明亮,摻燒后火焰明顯發(fā)暗并含有少量石油焦燃燒產(chǎn)生的火星,石油焦著火延遲的作用顯現(xiàn)出來,但鍋爐總體的燃燒穩(wěn)定.

圖2 摻燒前后火焰情況Fig.2 Flame before/after petroleum coke blending

3.3 低負荷兩臺磨煤機穩(wěn)燃試驗

試驗在160 MW負荷下進行,僅有兩臺磨煤機運行,均摻燒20%的石油焦,持續(xù)3 h,試驗數(shù)據(jù)見表4.

表4 低負荷雙磨煤機摻燒關鍵參數(shù)Tab.4 Key parameters at low load with two mills blended with petroleum coke

在3 h低負荷穩(wěn)燃試驗期間,鍋爐仍處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài),噴口亦無結焦現(xiàn)象,爐膛壓力未出現(xiàn)波動,火檢正常,火焰明顯發(fā)暗,但仍處于正常狀態(tài),飛灰含碳量明顯增加,達到7.7%,這說明石油焦的摻入沒有使著火大幅惡化,但燃盡程度有所下降.考慮到鍋爐未燃盡碳主要來自于石油焦[11],當高熱量、低灰分、難燃盡的石油焦摻燒量增加后,必然導致其他高灰分煤量減少,進入鍋爐的總灰量降低,也是使飛灰含碳量增加的因素之一.如果只有一臺磨煤機摻燒石油焦,即使石油焦的燃盡程度不變好,但由于其產(chǎn)生的未燃盡碳會減少一半,而其代替物帶入的總灰量增加,使鍋爐飛灰含碳量減少一半以上,小于3.35%.

3.4 多種工況試驗

為獲得各種磨煤機組合、各種負荷條件下的石油焦摻燒特性,在完成上述試驗后,依次按照表5所示的工況順序進行試驗.摻燒期間,觀察鍋爐各參數(shù)變化,取灰樣和煤粉樣進行飛灰含碳量和鍋爐燃煤特性分析.

表5中的負荷煤量比表示1 kg混煤的發(fā)電量,用它可以間接地表示煤發(fā)熱量的高低,從而表示煤質(zhì)的好壞.由表5可見:飛灰含碳量受火焰中心、摻燒煤種煤質(zhì)、負荷及摻燒比例的影響很大.

工況1～9都可以保證蒸汽側(cè)的參數(shù),飛灰含碳量造成的未完全燃燒損失對經(jīng)濟性影響很大.因此工況1～4是可以接受的,而工況5～8是不可以接受的,即由下層兩臺磨煤機摻燒20%的石油焦或僅C磨煤機摻燒20%的石油焦是可行的.

對比工況1和工況3可發(fā)現(xiàn):負荷相近,全爐摻燒比例明顯低于工況3的工況1,飛灰含碳量卻高很多,可見燃燒器C是石油焦能否燃燒完全的分界高度.滿負荷、僅兩臺磨煤機摻燒的工況6,飛灰含碳量也很高的原因與此相同.

通過對兩臺磨煤機摻燒運行的工況3和工況4進行對比發(fā)現(xiàn),由A/B磨煤機進入的石油焦顆粒通過上層煙煤燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)時可以有效降低飛灰含碳量.由于工況3中C/D磨煤機產(chǎn)生的高溫區(qū)比工況4中C磨煤機產(chǎn)生的高溫區(qū)更長,因而盡管工況4煤質(zhì)更好一些,但工況3的飛灰含碳量更低.

表5 各種磨煤機組合、負荷與摻燒比例下的試驗結果Tab.5 Test results of different combinations of running-mills,load and blending proportion

工況7～工況9的飛灰含碳量都偏大,原因是摻燒煤質(zhì)偏差,摻燒比例偏大,且都有上兩層磨煤機摻燒.特別是工況8,負荷高達310 MW也無法抵消C磨煤機摻燒的影響.

3.5 水冷壁煙氣氣氛測定

判斷水冷壁近壁氣氛是否為還原性氣氛,主要是以煙氣成分中的O2、CO含量為依據(jù),對于CO的控制值,比較一致的看法是應當控制在0.5%以下,以防止發(fā)生水冷壁高溫腐蝕.為防止近壁煙氣出現(xiàn)還原性氣氛,在摻燒量最大的三磨煤機摻燒與四磨煤機摻燒時進行了測量,結果見圖3～圖5.

通過對各工況的測試結果表明,鍋爐水冷壁各部位有明顯的O2存在,CO含量低于0.5%,摻燒石油焦并未造成水冷壁附近氣氛發(fā)生明顯變化,高溫腐蝕風險較小.

圖3 摻燒前300 M W負荷下近壁氣氛Fig.3 Atmosphere near furnace wall before petroleum coke blending at 300 MW load

圖4 三臺磨煤機摻燒328 MW負荷下近壁氣氛Fig.4 Atmosphere near furnace wall with three mills blended with petroleum coke at 328 MW load

圖5 四臺磨煤機摻燒328 MW負荷下近壁氣氛Fig.5 Atmosphere near furnace wall with four mills blended with petroleum coke at 328 MW load

4 結 論

(1)摻入20%的石油焦不會對鍋爐燃燒的穩(wěn)定性造成影響,也不會影響蒸汽側(cè)參數(shù).

(2)摻入石油焦后,由于一次風量的減少,煤粉自動變細,有助于石油焦的燃燒.

(3)石油焦的摻入不會影響鍋爐水冷壁附近的氣氛,不會引起高溫腐蝕.

(4)煤/石油焦混燒時存在一個石油焦顆?？梢猿浞秩急M的分界點,該分界點受爐型、摻燒比例、給入點等因素影響.對于具體鍋爐,可通過合適的摻燒比例、降低煤/石油焦混煤的給入點來保證石油焦顆粒有足夠的燃燒時間.

(5)該鍋爐在現(xiàn)有煤種條件下?lián)饺胧徒沟倪吔缗c方式為:僅在下兩層磨煤機摻入石油焦,上兩層磨煤機不摻,可以大幅度提高燃煤熱值,鍋爐各項運行參數(shù)正常,并保持良好的運行安全性和經(jīng)濟性.

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