（热能工程专业论文）350mw燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究.pdf

大连理丁大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着市场经济的发展和煤炭供应形式的变化，越来越多的大型电厂难以保证其锅炉 1 0 0 燃用设计煤种，为了确保电力企业良性发展、降低发电成本、提高企业经济效益， 同时保证机组的安全、稳定、经济的运行，调配燃煤、做到混煤掺烧是越来越多的大型 电厂的优先选择。 但是不可避免的是，当锅炉燃煤的煤质超出设定适应范围，也会给锅炉的安全、经 济性带来一定的影响，这主要的体现在锅炉出力下降；锅炉热损失增加、效率降低；燃 烧不稳定，甚至熄火，燃尽程度差；锅炉炉膛结渣、受热面超温、腐蚀、磨损和增加大 气污染等。 因此本文从混煤掺烧技术的发展入手，阐述了近十几年来对国内外混煤掺烧的最新 研究，并总体分析了影响混煤掺烧的主要因素，诸如混煤后的煤质指标、着火特性、燃 尽特性、受热面结焦结渣情况对机组稳定、安全的影响 本文以华能大连电厂3 5 0 m w 锅炉掺烧褐煤为背景，为了能够得到机组掺烧褐煤的 磨煤机最佳干燥出力、最佳稳定运行负荷等数据，对该机组进行了一系列的性能试验， 试验内容包括了对试验煤样的煤质进行分析，得到煤样的着火、燃尽、结渣、自燃以及 爆炸性能数据；在磨煤机上进行最佳掺烧比例和最佳干燥出力试验，并测试、记录了炉 膛内选定的标高点的温度，绘制炉膛温度变化趋势图，试验模式分别从一台磨煤机参与 试验到四台磨煤机参与试验，根据试验中的磨煤机和锅炉的运行数据，分析机组的运行 性能和锅炉受热面的结焦结渣情况、得到最佳掺烧比例和最佳干燥出力：改变锅炉机组 掺烧的褐煤煤质后，做了类似的磨煤机运行性能试验、锅炉性能试验和结焦结渣分析， 并分析了煤质变化对混煤掺烧的影响。最后根据试验得到的数据，得到混煤掺烧的机组 经济性分析结论，并提出了相应的掺烧建议。 关键词：混煤掺烧；性能试验；掺烧比例；最佳干燥出力；结焦结渣 3 5 0 m w 燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究 t h ea p p l i c a t i o no ft h ei n o r g a n i ch e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g yi nt h e f i e l do fw a s t eh e a tr e c o v e r y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em a r k e te c o n o m ya n dc h a n g e si nt h ef o r mo fc o a ls u p p l y ， m o r ea n dm o r eb o i l e r so f l a r g e s c a l ep o w e rp l a n t sc a n n te n s u r et ob u md e s i g n e dc o a l d i s t r i b u t i n gc o a la n dm i x e db u r n i n gi st h ep r i o r i t ys e l e c t i o nf o ran u m b e ro fl a r g e - s c a l e p o w e rp l a n t s ，i no r d e rt oa s s u r eb e n i g nd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c i t yc o m p a n i e s ，r e d u c e e l e c t r i c i t yc o s t s ，a n di m p r o v et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e sa n da tt h es a m et i m et o e n s u r es e c u r i t y ，s t a b i l i t y , a n de c o n o m yo f o p e r a t i o n b u ti n e v i t a b l y , w h e nt h ec o a l f i r e db o i l e r si ne x c e s so fd e s i g nv a l u e , i tw i l la f f e c tt h e s a f e t yo fb o i l e r sa n db r i n gac e r t a i nd e g r e eo fe c o n o m i ci m p a c t t h i si sm a i n l yr e f l e c t e di nt h e d e c l i n ei no u t p u to fb o i l e r , h e a tl o s si n c r e a s i n g , c o m b u s t i o ni n s t a b i l i t y , a n de v e nf l a m e ，b u m p o o r , b o i l e rf u r r l a c es l a g g i n g , h e a t i n gs u r f a c eo v e r - t e m p e r a t u r e ，c o r r o s i o n , w e a ra n dt e a r s e v e r e l ya n da i rp o l l u t i o n s oi nt h i sa r t i c l es t a r t e do nd i s t r i b u t i n gc o a la n dm i x e db u r n i n g ，i td i s c u s s e dt h el a t e s t r e s e a r c hi nt h el a s td e c a d eo fd o p e dm i x e dc o a lb u r n i n ga th o m ea n da b r o a d ，a n dt h eo v e r a l l a n a l y s i so ft h em a i nf a c t o r so ft h em i x e dc o a l ，s u c ha sc o a lq u a l i 够a n a l y s i sa f t e rm i x i n g ，f i r e c h a r a c t e r i s t i c s ，b u mc h a r a c t e r i s t i c s ，h e a t i n gs u r f a c es l a g g i n g , s t a b i l i t ya n ds e c u r i t y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h eb a c k g r o u n do f3 5 0 m wb o i l e rm i x i n ga n d b u r n i n gl i g n i t e ，a n d i no r d e rt or e c e i v et h eb e s tp r o p o r t i o no fc o a lb l e n d i n g , t h eb e s td r yl i g n i t eo u t p u t ，t h em o s t s t a b l eo p e r a t i o nd a t a sa ts o m el o a ds oi tc a r r i e do u tas e r i e so f p e r f o r m a n c et e s t st e s t si n c l u d i n g t e s t so fc o a ls a m p l e sf o ra n a l y s i so fc o a lq u a l i t y , f i r ec h a r a c t e r i s t i c s ，b u mc h a r a c t e r i s t i c s ， s l a g g i n g , s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na n de x p l o s i o np e r f o r m a n c e a n dt h i sp e r f o r m a n c et e s t sa l s oi n c l u d e st h et e s tp r o p o r t i o ni nc o a lb l e n d i n ga n dt h eb e s t e f f o r t st e s td r y , r e c o r d st h et e m p e r a t u r eo ft h es e l e c t e df u r n a c ee l e v a t i o n ，f u r n a c et e m p e r a t u r e m a p p i n gt r e n d s ，a n da c c o r d i n gt ot h ep i l o tm i l la n dt h eb o i l e ro p e r a t i o nd a t a , t h i st e s tm o d e ， r e s p e c t i v e l y ，f r o mo n ep i l o tm i l lt of o u r , a n a l y s i z e so fu n i tp e r f o r m a n c ea n ds l a g g i n gs i t u a t i o n o f t h eh e a t i n gs u r f a c e o f b o i l e r ；t h e na f t e rc h a n g i n gt h eb u r n i n gl i g n i t ec o a l ，m a d eas i m i l a rr u n o ft h em i l lp e r f o r m a n c et e s t i n ga n db o i l e rs l a g g i n ga n a l y s i so nt h em i x e di m p a c to fb u r n i n g c o a l d o p e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot e s td a t a , i th a sg i v e ne c o n o m i ca n a l y s i so fd i s t r i b u t i n gc o a l a n dm i x e db u r n i n gc o n c l u s i o n sa n d c o r r e s p o n d i n gr e c o m m e n d a t i o n s 1 1 大连理工大学专业学位硕十学位论文 k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i n gc o a la n dm i x e db u r n i n g ；p e r f o r m a n c et e s t ； b l e n d i n gp r o p o r t i o n ；b e s td r y i n go u t p u t ；s l a g g i n g i i i 人连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 1 绪论 1 1 我国能源消费形势 环境与能源问题己经成为2 1 世纪影响人类社会可持续发展的关键问题。能源是社 会发展的重要基础资源，随着世界人口的增加和社会的不断发展，人类对能源的消费和 需求量不断增加。从能源的消费结构上来看，化石类能源从上世纪7 0 年代以来一直是 世界的主要能源。 中国作为能源生产和消费的大国，一次能源的生产和消费均列世界第二位，其中， 煤炭是我国主要的生产和消费能源，作为世界第一产煤大国，煤炭产量占世界的3 7 ， 另一方面，我国的能源消费分别占一次能源生产和消费总量的7 6 和6 9 ，在未来相当 长的时期内，我国仍将是以煤为主的能源结构。随着煤炭工业经济增长方式的转变、煤 炭用途的扩展，煤炭的战略地位仍然十分重要【1 1 。 据国家统计局公布的数据 2 】，2 0 0 8 年全年能源消费总量2 8 5 亿吨标准煤，比上年增 长4 o 。煤炭消费量2 7 4 亿吨，增长3 o ；原油消费量3 6 亿吨，增长5 1 ；天然气 消费量8 0 7 亿立方米，增长1 0 1 ；电力消费量3 4 5 0 2 亿千瓦小时，增长5 6 。在我国 能源消费总量中，煤炭占7 0 以上，比世界平均水平高4 0 个百分点。同时长期以来电 力、冶金、化工和建材4 个行业是主要耗煤产业，四大行业煤炭消费量约占总消费量的 7 0 0 0 左右，其中电力行业煤炭消费量( 动力煤) 占总消费量的5 0 以上 3 】。以煤为主的 能源消费结构和比较粗放的经济增长方式，带来了许多环境和社会问题，经济社会可持 续发展受到严峻挑战【4 】。 另一方面，由于我国的人口众多，在人均能源占有量上却处于较低的水平，中国化 石类能源资源的人均占有量大大低于世界平均水平，其中己探明的煤炭人均占有量为世 界平均水平的5 4 ，石油为1 1 ，天然气4 t 5 1 。与我国的人均占有能源不足形成鲜明 对比的是，限于我国的技术水平及设备等原因，在能源利用效率方面与世界发达国家存 在较大差距，能源效率比国际先进水平低1 0 个百分点。火电机组平均效率3 3 8 ，比 国际先进水平低乱7 个百分点。能源利用中间环节( 加工、转换和贮运) 损失量较大， 浪费严重l o j 。 例如，火力发电，2 0 0 7 年我国的平均发电煤耗为3 5 7 克标煤千瓦时，而先进的国 家只有3 0 0 克标煤千瓦时，仅此一项我国每年就要比发达国家多耗数以亿计的煤炭资 源，浪费严重，因此提高能源的利用效率，在我国就显得尤为突出和重要。 3 5 0 m w 燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究 1 2 混煤掺烧背景和意义 1 2 1混煤掺烧背景 在市场经济环境下，煤炭作为资源性商品，其价格由于受开采规模、开采成本、地 域性经济政策、运输和销售渠道、季节性供需关系变化等多种因素的严重影响。火电厂 最基本的生产原料一煤炭，属于价格不受控商品。原煤价格的变化，直接影响机组发 电成本。电力作为火电厂终端产品是一种不可储存的商品，其价格在目前条件下又不可 随发电成本随时调整，属于价格受控产品。这样火电厂生产原料价格的不受控性和输出 产品电能价格的受控性之间的矛盾便同益显著的突现出来。原煤价格既是决定煤炭生产 企业经济效益和产品流通渠道的主导因素，也是决定电厂经济效益的主导因素，甚至成 为决定电厂经济命脉的首要条件【_ 7 1 。 例如，如果一吨煤的价格浮动按5 0 元估算，一台3 0 0 m w 燃煤机组若按燃用发热 量为2 0 o m j k g 的煤质估算，燃煤量大约为1 5 0 m 6 0 t h ，若掺烧煤质和设计煤质的掺烧 比例为5 0 ，则掺烧量大约为7 5 t h ，2 4 小时的发电成本变化达9 万元，一台机组一年 按3 0 0 天运行计算，其发电成本变化2 7 0 0 万元。则一座4 x 3 5 0 m w 的发电厂一年的发 电成本变化1 0 8 0 0 万元，发电成本变化极为明显。 可见，在市场经济的环境下，实现煤炭电力产品的低成本生产是促进电力企业生 产良性循环的基本保证。另外，随着市场经济的发展和煤炭供应形式的变化，不能保证 大容量锅炉燃用1 0 0 设计煤种的趋势也越来越明显，因此调配燃煤、降低发电成本、 兼顾区域性经济效益的同时，优化燃煤调配比例、保证机组安全稳定运行的工作已成为 各省、各地区当前和今后电力燃料管理工作的中心任务。 燃煤电厂锅炉一般是根据特定煤种进行设计的。设计煤种不同，锅炉的炉型、结构、 燃烧器及制粉系统的选择以及投产后的锅炉运行方式也不同。设计锅炉时依据的煤种为 设计煤种，是最佳的“适炉”煤种。但实际上，随着国内电煤供应形势的日益紧张以及 国内大型燃煤电厂的不断增多，造成越来越多的电厂在生产运行时，定点燃用单一煤种 的可能性越来越少；燃煤采购订单已经从国内延伸到国外。为了最大限度的保证锅炉燃 烧的稳定性、经济性、安全性以及环保要求，混煤掺烧已成为火电厂的必然选择。 1 2 2 混煤掺烧意义 一般来说，通过煤质互补实现了燃料的优化，对电厂优化运行有重大的意义【8 】： ( 1 ) 对于煤炭供应不稳定的企业而言，通过混煤掺烧保证了入炉煤质，确保燃煤 质量的均衡化，稳定入炉煤与入厂煤热差值，对入炉煤的煤质更好的进行稳定调控，进 人连理t 大学专业学位硕十学位论文 而稳定了整体机组的运行情况，有助于提高锅炉效率、降低锅炉事故率，保证锅炉运行 的安全性和经济性。 ( 2 ) 混煤掺烧可以控制入炉煤的硫含量，降低了s 0 2 排放量，减少未燃烬粉尘及 其它有害成分的排放量，有利于控制环境污染，同时混煤掺烧可以进一步调节燃煤的灰 分、挥发分等； ( 3 ) 混煤掺烧强化了电厂对来煤煤种的适应性，从而有利于扩大购煤主动权，拓 宽煤源管道，使锅炉对煤质范围有更宽的选择，并通过市场竞争降低来煤费用。 ( 4 ) 提高劣质煤的利用率，降低燃料成本，减少发电成本。 但众所周知，当锅炉燃煤的煤质超出设定适应范围，将会给锅炉的安全、经济性带 来很大的影响，这主要的体现在【9 1 ： 锅炉出力下降 锅炉热损失增加，效率降低 燃烧不稳定，甚至熄火，燃尽程度差 锅炉炉膛结渣、受热面超温、腐蚀、磨损和增加大气污染 燃料费用和发电成本增加 在实际工作当中，由于煤质变化大而导致锅炉炉膛结焦、超温、爆管、灭火等问题 较为突出。 为了解决煤源煤质不稳定以及混煤掺烧对机组运行的影响，许多大型的电厂通过对 锅炉设备大力改造而取得稳定效果，如调整燃烧、改造燃烧设备和系统、采用新型燃烧 器等措施，虽取得了一定的效果，但并未从根本上解决混煤掺烧产生的燃烧不稳定、炉 膛结焦结渣等问题，因为改造后，煤质的变化又会带来相关的不同问题。 因此通过在煤粉进入炉膛前将不同煤种依据一定的原则按一定的比例进行混配，形 成配煤掺烧，来满足锅炉运行的各种具体要求是较为科学和长久的办法。 另外，有些燃煤电厂在设计阶段就考虑了掺配设备，此时这种传统的掺配方式可更 方便、更好地予以实施。然而这种方式对煤质特性差异较大的燃料之间的掺混却难以适 应，易引起煤粉细度偏粗、飞灰含碳质量分数和炉渣含碳质量分数高、排烟温度高、过 热器减温水流量大等问题【l o 】。 由此看来，对于设计阶段未考虑掺烧问题的燃煤锅炉而言，就必须针对掺烧原煤技 术分析，并进行相应掺烧试验，确定掺烧的最佳比例、磨煤机最佳干燥出力、了解混煤 掺烧时锅炉运行情况、发电负荷、炉膛温度场变化、炉膛结焦结渣情况以及锅炉运行的 设备安全性和经济性。 3 5 0 m w 燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究 1 3 混煤掺烧技术综述 1 3 1 混煤掺烧技术概念 混煤是一个广泛的概念，包括煤与煤、煤与添加剂、煤与生物质、煤与垃圾等组分 的混合。本文是对燃煤电厂掺烧褐煤进行技术研究，以下仅对煤与煤的混烧的技术发展 进行介绍。 煤与煤混烧最初应用在炼焦行业，通过掺混不同粘结性的煤种，改变混煤的热塑性 从而改善焦的粘结性，达到资源的最大利用。混煤本身是一种物理掺混的过程，就是燃 料生产流通部门根据用户对煤质的要求；将若干种不同种类、不同性质的煤按照一定比 例掺配加工成混合煤，这种混合煤虽然具有掺配单煤的某些特征，但其综合性能已有所 改变，实际上是人为加工而成的一个新的煤种。 因此，混煤过程就是利用各种煤在性质上的差异，相互“取长补短”，发挥各掺配 煤种的优点，最终使配出的混合煤在综合性能上达到“最佳性能状态 ，以满足用户的 要求。 研究混煤燃烧具有很高的社会和经济效益，国内外都对混煤燃烧方面做了大量的研 究工作。很多研究者在不同尺度开展了混煤热解、着火、燃尽、结渣及污染物排放特性 和最佳混煤配比等大量的研究工作，为混煤的工业化应用提供了科学可靠的指导依据。 1 3 2 国外混煤掺烧技术发展 国外对电站锅炉燃用混煤的研究开始于上个世纪七十年代中期。早期使用的混煤主 要是在煤矿、中转单位和煤处理厂配制。配煤技术由早期的在电厂直接采用仓混、库混、 带混和炉内混合等方式，主要在煤矿、中转单位和没处理厂中完成配置过程；发展到现 在，混煤一般采用在线检测技术、微机控制技术等先进技术】，对性能各异的煤种进行 煤厂集中优化配制。从事混配煤技术研究较早的国家有美国、德国、日本、英国、西班 牙、荷兰和加拿大等。国外电厂混煤的目的是降低煤粉燃烧的n o x 、s o x 排放量，降 低锅炉的结渣、沾污和积灰，充分利用高热值煤，使煤的发热量、灰分及矿物质含量保 持稳定，节约煤炭，减少运输费用等【l2 1 。 美国燃用的动力煤均为优质煤，其中美国的东部和中部煤的含硫量大，而西部煤含 硫量较小。为了控制污染物排放，降低s o x 排放量，满足环保要求，燃用东部和中部煤 的电厂采用掺烧西部煤的方式，并取得了某些成功【1 3 。14 1 。在德国，由于一些燃用褐煤的 电厂因褐煤的热值偏低而使机组无法带满负荷，采用了在褐煤中掺烧烟煤的方法，以使 机组达到满负荷运行。在p t o l e m o s i s 和a l i v e r i 电厂的运行情况表明，在褐煤中掺烧1 5 大连理工人学专业学位硕士学位论文 的烟煤即可使机组达到满负荷。同时发现，锅炉的燃烧稳定性得到提高，灰渣可燃物含 量降低，排烟温度下降，使机组的经济性得到提高【l5 1 。资源短缺的日本，其进口的煤炭 以发热量较高但挥发份较低的无烟煤较多，因此为了改善燃烧稳定行，因此采用混烧烟 煤的方式提高无烟煤的温燃性【1 6 】。 在过去的二十多年里，国外研究者在不同尺度范围内开展了大量的工作，来研究混 煤的燃烧特性，分析是否能通过组分煤的燃烧特性来预测混煤的燃烧特性。对于二元混 煤，其燃料特性呈现可加性，而燃烧特性表现较为复杂，主要受到组分煤煤质和混煤配 比的影响 1 7 - 2 0 】。当组分煤煤质相近时，混煤燃烧特性大都呈现可加性。 但当组分煤煤质相差较大时，混煤燃烧特性大都呈现非可加性。这是由于燃烧过程 中，组分煤中的矿物质会发生反应，并且相互影响；而且，煤质相差越大，灰成分相差 越大，这种非可加性就越显著，尤其是不同哈氏可磨性指数的煤混合。对于混煤可磨性 指数，也没有一个可以预测的一般性方法，需用实验的方法加以确定【2 m 2 1 。 r u b i e r a 等【2 3 】的研究表明，煤质和掺混比对热天平中混煤的燃烧特性影响很大，高 挥发份煤在低温区影响大，而低反应性煤则在煤焦燃烧区影响更大。等温柱塞流反应器 ( e f r ) 中的结果表明，混煤的燃尽和n o x 排放特性与相似组分的煤相比具有可加性。 当混煤中有一种为高品质煤时，有利于改善混煤的燃尽性；但n o x 的排放明显偏离了 线性关系。 在混煤掺烧过程中，炉膛结焦结渣发展趋势方面，s u 等【2 4 】提出了增长率( m m h ) 来定量描述混煤结焦倾向，并研究5 种预测煤粉结渣倾向的指数，结果表明烟气出口温 度初始变形温度( f g e t d t ) 的线性关系、炉膛总体传热量及n a 2 0 被证明是预测煤 粉结焦倾向的良好方法，并且f g e t 与增长率之间存在着关联。 n u g r o h o 等【2 5 】研究发现高品质煤的自燃特性与煤粉颗粒尺寸有强烈的依赖性，而劣 质煤的这种依赖性要弱一些。因此在判断煤的自发着火时，必须仔细考虑颗粒尺寸分布 的影响。混煤中高反应性煤的比例增大，混煤自燃的趋势增大。 1 3 3 国内混煤掺烧技术发展 近年来，我国许多大型电站锅炉均开始燃用混煤或开展燃用混煤的试验。自上世纪 9 0 年代初以来，华中科技大学、浙江大学、哈尔并工业大学、华北电力大学等单位开展 了大量的混煤研究工作。研究内容主要包括混煤热解、着火、燃尽、结渣和污染物排放 特性，取得了较为丰富的研究结果，很好地指导工业化应用。 华中科技大学【2 6 啦】对混煤进行了较为深入的研究，采用常规分析方法并利用热天 平、滴管炉、一维炉等设备对混煤的热解、着火、燃尽特性及污染物形成规律进行了综 合性的试验研究，对混煤燃烧的规律进行了探讨，运用模糊数学方法对煤质的结渣程度 3 5 0 m w 燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究 进行了评判；研究混煤燃烧过程中n o x 的生成规律，提出了混煤n o x 形成的化学动力 学模型。 浙江大学对性能各异的数十种煤及混煤的热解、着火、燃烧、结渣、固硫及助燃特 性进行了广泛深入的研究，提出了混煤的煤质特性和燃烧特性与各组成单煤之间具有复 杂的非线性特征的结论，在此基础上运用神经网络技术和模糊数学等现代数学方法建立 了非线性的优化配煤模型，并开发了优化配煤专家系统【2 9 】。在一维沉降炉上对褐煤、烟 煤、贫煤和无烟煤及其混煤进行了试验研究，研究了炉膛温度、过量空气系数、二次风 风温、一二次风配比、给粉量等因素变化对不同混煤燃烧时n o x 和s 0 2 排放特性的影 响【3 2 1 。 哈尔滨工业大学对两种褐煤及其混煤进行的热天平燃烧试验研究表明，混煤中的单 一煤种在混煤燃烧过程中基本保持各自的着火和燃尽特性，而其热解特性和活化能与掺 混比例有关；在此基础上，建立了混煤热天平燃烧模型【3 3 】。 华北电力大学对不同配比下由烟煤、无烟煤和褐煤掺混得到的混煤的燃烧性能开展 了热天平试验研究，对不同配比下混煤的活化能进行了计算，并根据活化能与着火温度 随掺混比的变化规律对混煤的着火特性进行了探讨【3 4 】；此外根据不同掺混比下煤样的试 验数据，提出了表征煤在着火后燃烧速度和燃烧稳定性指数h f ，并据此对混煤的稳燃 及燃尽性能进行了研究和试验。试验结果表明过剩氧量对n o x 浓度水平影响很大，当 其它条件不变时，n o x 排放浓度随炉膛出口过剩氧量增大而上升；煤中水分含量的不同， 对n o x 排放浓度水平有一定的影响；煤粉越细，n o x 排放浓度越高；随着煤粉含氮量 的增加，n o x 的排放浓度也在增加；一次风率越大，氮氧化物排放量越大【3 5 1 。 在大量调研的基础上，国内的有关单位的专家就混煤如何掺烧提出了如下看法： ( 1 ) 不同煤种掺烧时，煤质特性对燃烧的影响很大，电厂应用时，必须对其进行 测定； ( 2 ) 性质相近的煤种，如褐煤与长焰煤混合对燃烧可靠性与经济性影响不大，可 按任何比例掺烧； ( 3 ) 燃烧性能有一定差异的煤种，如褐煤与煤焦掺烧时，虽可稳定燃烧，但对经 济性及其他参数有影响，需通过实验确定最佳掺烧比： ( 4 ) 燃烧性能相差悬殊的煤种，如褐煤与贫煤混合，会使经济性大幅度下降，在 一般情况下不宜采用； ( 5 ) 在煤粉炉中燃用混煤时，为了消除它们对运行的不利影响，在利用之前应仔 细测定煤和灰的特性，并尽可能对混煤进行燃烧试验。 大连理i ：大学专业学位硕士学位论文 然而由于燃烧等过程的化学作用使得混煤的性质与单煤相比发生了变化，在一定程 度上这种变化难于预测。混煤燃烧的实例显示，由混煤中的单煤预测的燃烧运行变化和 实际混煤燃烧情况并不相符，这为混煤的使用带来了一定的困难。现在混煤的燃烧更多 的依赖于操作者的经验，所以需要对混煤的各种特性进行广泛深入的研究，以便提高理 论认识更好的指导实际运行。 1 4 影响混煤掺烧的主要因素 目前在许多电厂的实际燃烧应用中确定配煤( 混煤) 特性的方法主要有两类【3 6 】： ( 1 ) 锅炉实际进行掺烧特性试验或通过相应的试验设备试验确定； ( 2 ) 通过计算相关的指标判定。 第一种方法可以相对准确、全面地获得配煤的燃烧特性，并直接、清楚地了解掺烧 过程中，机组的运行情况，这也是目前众多电厂所采用的做普遍的方法【3 7 。3 9 1 ，但是费时 费力投入大，而且只能测试有限的配比方案，锅炉实际进行掺烧特性试验还会受到掺混 条件、掺混方式及掺混均匀性的影响，这种方式也存在一定的风险，因此在进行掺烧特 性试验之前，要制定详尽可行的试验大纲、确定工作程序、做好安全措施等；第二种方 法通过相关判别指标( 如硅铝比、硅比、结渣指数、酸碱比、铁钙比、综合指数、灰软 化温度等m 】) 判定特定的燃烧特性( 如着火特性、结焦结渣特性等) ，一些电厂或研究 院也采用了这种方法【4 h 3 1 ，凡是指标判定的方法有一定的局限性( 可能只适合于部分煤 种) ，而且要想通过第二种方法比较全面的判定配煤燃烧特性，则需要较多的判别参数 指标，做大量的测量工作，有些指标需要通过特殊的设备，对于电厂和煤矿来说还存在 一定的困难，而且对于混煤来说单纯通过判别指标来判定其燃烧特性会有一定的误差。 此外，从配煤的优化模型所采用的优化技术来看，目前己有的这些软件主要采用穷 举技术、随机搜索技术以及智能搜索技术，如模拟退火算法、遗传算法和混沌优化算法 等：在混煤的煤质特性参数计算方面，常用加权平均算法、模糊综合评判法或神经网络 算法等，由于混煤与各组分煤间的很多特性是非线性的映射关系，如结焦结渣、着火特 性、燃尽特性等，使用加权平均算法和模糊综合评判法在预测混煤的一些燃烧特性时会 产生较大的误差；神经网络算法通过各隐层之间的权连接，将非线性关系隐含在网络之 中，比以上两种算法更精确，但是也有泛化能力差、过学习等问题的存在。 通过查阅相关文献和资料，目前对混煤掺烧影响较大的因素主要包括： 混煤后的低位发热值、水分等煤质指标 混煤的燃烧特性 炉膛受热面的结焦结渣情况 3 5 0 m w 燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究 1 4 1混煤后的煤质指标 根据前面的介绍，燃煤电厂锅炉一般是根据特定煤种进行设计的，即当燃用设计煤 种时，锅炉机组的运行最为稳定、安全系数大、锅炉效率高、结焦结渣情况和污染物排 放处于可控范围内。一旦燃用煤种的热值低于或高于设计煤种的热值的时候，必然会出 现锅炉的不正常运行、发电负荷不稳定的现象。 如果入炉煤的发热量低于设计值，炉膛内理论燃烧温度必然降低，不利于煤粉的着 火和燃尽，会导致机械不完全燃烧和排烟损失增加，使锅炉效率下降，将引起燃烧不稳 定，有时需要投油助燃。如果煤的发热量降低，增加入炉给煤量，就会使烟气流量、对 流受热面吸热量增加，造成过热汽温和炉膛排烟温度升高。反之，如果煤的发热量高于 设计值，炉膛温度必然升高，煤狄大多软化、熔融，就容易造成炉膛结渣1 4 a 。 燃煤的挥发分是判别煤的着火、燃烧特性的重要指标，对锅炉点火和稳定起着决定 性作用，是锅炉设计选型的主要参数。另外，炉膛的设计尺寸，燃烧器的选型布置、点 火助燃系统、空气预热器设计、制粉形式和防爆措施，都与燃煤灰发分有关。 一般来说，挥发分偏高可以通过运行调节来适应，使锅炉运行稳定；而挥发分偏低 时，则需要通过强化着火措施( 如采用回流热烟气加热一次风混合物、提高混合物的初 始温度、促使入炉煤粉提i j 着火和提高煤粉细度等方法) 来稳定燃烧。 灰分对火力发电厂的安全生产和经济效益影响较大。当灰分偏高时，会影响锅炉的 稳定燃烧，使炉膛火焰传播速度减慢，延迟煤粉着火。因为煤中灰分偏高，表明煤中可 燃物成分偏低，煤炭的发热量偏低，煤的燃尽度变差，机械不完全热损失、灰渣热损失、 受热面的沾污和磨损增大，容易引起炉膛结渣和过热器超温，导致排烟温度升高，威胁 锅炉安全稳定运行。 另外，灰分增高将增加燃煤运输费用，以及厂内输送系统、制粉系统、除灰系统等 耗电量和设备维护费用，减少灰场使用年限。 此外，煤中含水量较高，可燃烧物质含量、发热量就越低，煤中水分在煤粉燃烧时 还要吸热，使煤的有效热能降低，故水分对炉膛理论燃烧温度的影响比灰分大。煤在进 入煤粉炉燃烧之前，需要在制粉、送粉过程中干燥处理，使煤粉的表面水分蒸发。当收 到基水分过大时，会造成输煤系统堵塞，使磨煤机出力下降。 在我国北方，火电厂煤中水分也影响到冬季存煤的取用，在严寒季节也易造成原煤 斗中煤冻结。另外，入厂煤冬季水分偏大时，会造成严重的煤车冻结现象，影响接卸车 速度，增加了煤的解冻耗热量。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 4 2 混煤的燃烧特性 着火特性 关于着火性能及其判别指标一直是实验研究的重点，着火温度是其中的重要判别指 标。着火温度实际上不是燃料本身的特性，是依据燃烧环境而变化的，其定义方式也多 种多样。用热天平法研究着火温度，常见的定义方式有：温度曲线突变法、t g d t g 法、 d t a 曲线法和t g 曲线分界点法。 姚耐4 5 】的研究表明：组分煤种的燃料l l , b 且接近，混煤的着火较容易；而燃料比较 大的煤种掺混量较高时，对着火不利。郭嘉等】的研究表明在无烟煤中掺入少于5 0 的 贫煤或烟煤，其着火性能明显改善，易燃煤比例超过5 0 以后，混煤着火温度的变化趋 于平缓。高正阳【4 7 】从燃烧动力学的角度进行了研究，分析了煤种掺混比例对混煤着火性 能的影响。组分煤种着火性能相差较大时，难燃煤为主要组分时，易燃煤比例的增加对 混煤着火性能有较大的改善：易燃煤为主要组分时，难燃煤比例的增加对混煤着火性能的 负作用较小。相近组分的混煤着火性能要差于组分的平均着火性能。 在实际运行中，除了燃料特性影响着火性能外，燃烧条件对着火性能的影响也相当 大。混煤中组分煤种性能差异较大时，常常因为不能同时满足不同性能的煤对配风的不 同要求，从而导致着火困难。采取分级配风方式，根据混煤的当量挥发分确定一次风率， 参考难燃煤的挥发分确定合适的二次风率，可以较好的解决这个问题。 燃尽特性 在整个煤粉燃烧过程中，热解及挥发分的燃烧过程是十分迅速的，而煤焦的非均相 燃烧过程则缓慢的多，煤焦的燃尽率决定了煤粉的最终燃尽率。尤其对于混煤燃烧而言， 煤种差异造成燃烧阶段的差异，进而引起整体燃烧效率下降。 着火性能好的混煤，其初始燃尽率较高，表明挥发分的析出和着火加速了煤中碳的 燃烧，但后期燃尽率不一定高，而且其燃尽时间有可能较长，对于性能差异大的煤种组 成的混煤，这种情况越明显。产生这一现象的主要原因是优质煤燃烧抢风抑制了劣质煤 的燃尽。 张晓杰【4 8 】进行的热重试验数据表明混煤的燃尽时间比较靠近难燃尽煤种的燃尽时 间，说明混煤中掺混煤种将基本保持各自的燃烧特性。高正阳【5 9 】对无烟煤与烟煤的混煤 进行了热重分析，指出混煤中易燃煤比例越大越有利于燃烧，但其燃尽性能更接近难燃 煤的性能。 j h a a s t 5 0 】通过在绝热反应炉中对六种单煤及十五种混煤的试验研究发现：两种烟煤 混合时，灰熔融特性、挥发分和固定炭是一种线性关系。其他的如高挥发份物质在绝热 反应器中试验时，析出n 和焦炭燃烧也是线性的关系。烟煤和褐煤组成的混煤，其挥发 3 5 0 m w 燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究 分析出是非线性的。由此得出结论，混煤的无机物相图是非线性的，因为挥发分中的矿 物质可能和第二种煤的矿物质发生了反应。 s s u 5 0 】从实验方法和判别指标方法入手对前人的研究做了总结：大多数混煤之间相 互反应。无烟煤和烟煤混烧，燃烧相对独立；高挥发分和低挥发煤混烧，组分间的相互 作用较为明显。低挥发分煤种或无烟煤中掺烧高挥发分煤种通常能改善着火和火焰稳定 性以及燃尽率。挥发分含量可以作为判别着火和火焰稳定性的指标。通常挥发分含量越 高，着火和火焰稳定性越好，但对低阶、高挥发分煤种并不适合。煤素质指标用来预测 着火和燃尽还需要更多的证据。镜质组反射率能够定性反应混煤的燃尽率【5 。 上述对混煤燃烧特性的研究，指出混煤燃烧之所以能改善燃烧特性，主要是因为燃 烧过程中组分煤种间发生了相互作用。然而对于这种相互作用是如何改变燃烧特性的机 理还不甚清楚。目前的观点主要是从宏观的角度描述了燃烧现象的变化，从混煤的微观 结构角度以及燃烧过程的产物变化来分析混煤燃烧特性的研究还不多见。 1 4 3 炉膛受热面的积灰结渣情况 随着越来越多的电站锅炉对混煤的使用，因用煤的煤质变化，许多锅炉的积灰、结 渣问题也越来越突出，成为直接影响锅炉安全、经济和可靠运行的主要因素之一。 积灰是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上沉积；结渣主要由烟气中夹带的熔化的 颗粒碰撞在炉墙、水冷壁或管子上被冷却凝固而形成。锅炉受热面的积灰与结渣可以影 响锅炉的对流辐射特性，使锅炉运行偏离设计工况，对锅炉正常运行影响很大。 目i j 常用的受热面结渣的评判方法主要分为两个方面【5 2 】： ( 1 ) 对结渣进行单一因素的评判 一般来说，对受热面结渣的单一因素评判包括： 根据煤灰的物理性质评判 例如，根据煤灰的变形温度、软化温度、熔点结渣指数、灰渣电阻突变温度、熔点 温差进行评判；根据直接测定或者间接测定的灰渣粘度、粘度型结渣指数、煤灰的烧结 温度或者渣形的特征进行评判； 根据煤灰的成分组成特点对结渣进行评判 目前比较常见的评判方式包括：利用灰中碱金属氧化物含量进行评判、利用硅比g 、 铁钙比f e 2 0 3 c a o 、碱酸比j 等。 ( 2 ) 受热面结渣综合评判 目前常用的综合评价受热面结渣的方法，有模糊数学判别法 5 3 - 5 5 】和基于模糊神经网 络判别法等【5 6 】。 大连理工人学专业学位硕十学f 蒂论文 混煤狄渣的矿物质成分并非各组分煤种的加权平均值，而是呈现出一种非常复杂的 非线性特征，而且正是这种无法量化的非线性特征加剧了混煤结渣特性的预测难度。因 此电厂混煤掺烧过程中，需要注意的是当两种弱结渣的煤混烧后，也会引起炉内结渣； 不结渣的煤种与结渣倾向较高的燃煤进行掺混，并不能减轻混煤的结渣趋势。实验研究 证实，这两种单煤不同的煤粉颗粒大小，分散密度以及元素分布影响了预期的结渣特性， 而灰分中铁的含量是影响混煤结渣特性的控制因素 5 7 - 5 8 】。 另一方面，实际混煤燃烧过程中的结渣除受煤质特性影响外，还受运行条件的影响。 燃烧前和燃烧过程中密度、颗粒度、孔隙结构等物理特性的差异造成受离心力作用的差 异，导致燃料在炉内分布的变化，是造成混煤结渣的重要原因【5 9 1 。 1 5 本文主要内容 随着经济发展趋势和主要行业发展趋势的变化影响，未来我国煤炭产量与消费量之 差的数值在逐步缩小，煤炭供应向趋紧方向转变，同时煤炭价格仍有一定的上涨基础。 这也使得越来越多的大型燃煤电厂企业，越来越难地通过单一煤种实现电力供应， 要实现发电成本的降低，电力供应的稳定，就必须通过燃煤调配并兼顾机组的安全、稳 定、环保条件。因此混煤掺烧是目前众多的火电厂最大限度地实现机组平稳运行、电力 供应的必然选择。 本文的主要内容如下： 以华能大连电厂掺烧3 5 0 m w 锅炉扎赉诺尔褐煤为背景，对厂内3 5 0 m w 锅炉掺烧 褐煤试验进行数据分析，并根据运行数据得到掺烧褐煤的最佳掺烧比例，降低掺烧褐煤 后对机组带来的不稳定影响，包括： ( 1 ) 对掺烧的褐煤一扎赉诺尔煤业有限责任公司所属四个生产煤矿的煤样进行 煤质分析，得到煤样的工业分析、元素分析以及煤样中各类化合物的含量等相关数据。 同时对煤样进行着火性能、燃尽性能、结渣性能以及自燃和爆炸性能分析。 ( 2 ) 根据机组实际运行状况和特点，完成磨煤机掺烧比例试验、掺烧褐煤后锅炉 运行的相关试验。 ( 3 ) 分析不同掺烧比例条件下，锅炉变负荷和定负荷状态下的磨煤机的最佳干燥 出力和安全运行数据。 ( 4 ) 分析锅炉变负荷和定负荷下的锅炉运行情况，包括锅炉的运行效率、锅炉的 变氧量、锅炉的受热面结焦结渣情况等。 ( 5 ) 分析改变掺烧煤质和掺烧比例后，配煤对锅炉运行情况的影响和磨煤机安全 性、最佳干燥出力的影响。 3 5 0 m w 燃煤机组掺烧褐煤的配煤分析与运行特性研究 2 3 5 0 m w 锅炉掺烧煤质分析 2 1扎赉诺尔褐煤基本情况 扎赉诺尔褐煤为中生代上侏罗纪年老褐煤，煤质牌号为h m 5 2 ，该褐煤的基本资料 如表2 1 所示。 表2 1 扎赉诺尔褐煤基本情况 t a b 2 1b a s i ci n f o r m a t i o no f z h a l a i n u o e rl i g n i t e 项目内容 原煤名称扎赉诺尔褐煤 隶属矿业公司华能集团公司扎赉诺尔煤业有限责任公司 成煤时代晚侏罗纪 卅自 由扎赉诺尔群的大磨拐河组和伊敏组组成，两组地层由中间向北、向 庥版 西有变薄趋势 生产矿井灵泉矿、灵北矿( 胜利井、十二井) 、铁北矿、灵泉露天矿。 煤质概况 囊囊是銮荏萋箍范围为4 。3 2 0 。，硫含量一般不超过o 8 煤质变化规律 募蓁翥篷褰，曩誊量羹雾鋈譬的增加，发热量逐渐升高 水分、挥发 其它特性低硫、低磷煤，热稳定性较差 扎赉诺尔煤田随煤层埋藏深度的增加，发热量逐渐升高，水分、挥发分逐渐降低， 碳含量逐渐增高。如灵北矿2 0 0 8 年下半年可采4 3 煤层，其热值将达4 2 0 0 k c a l k g ；灵 泉矿2 0 0 9 年年初的7 采区热值将达4 3 0 0 k c a l k g 。上述特点将进一步扩大扎赉诺尔煤在 电厂中的应用范围。