1 锅炉机组概况 1.1 锅炉型式

内蒙古京宁热电有限责任公司（以下简称为京宁热电）安装2台350 MW超临界燃煤供热机组，同步建设烟气脱硫、脱硝装置。锅炉型号为B-1221/ 25.4-M，由北京巴布科克·威尔科克斯有限公司制造，型式为超临界参数、螺旋炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、紧身封闭的Π型锅炉，锅炉设有无循环泵的内置式启动系统^[1]。

1.2 燃烧器

每台锅炉机组配置6台长春发电设备有限责任公司制造的MPS200HP-II型中速磨煤机。燃烧器采用前后墙对冲燃烧方式，前墙、后墙各布置3层燃烧器，每层单墙布置4只，共24只燃烧器，每只燃烧器均配油枪。在燃烧器的上方布置1层双风道OFA喷口，前后墙各4只、共8只，均采用H-PAX燃烧器。本工程保留常规油点火系统，并采用少油点火节油方式。浓缩型H-PAX燃烧器示意图如图 1所示。

在经过浓缩型H-PAX燃烧器弯头前，来自磨煤机的一次风煤粉气流先通过一段偏心异径管加速；大多数煤粉由于离心力作用沿弯头外侧内壁流动，在气流进入一次风浓缩装置之后，将50%的一次风和10%~15%煤粉分离出来，经乏气管垂直向下引入乏气喷口直接喷入炉膛燃烧；其余的一次风和煤粉由燃烧器一次风喷口喷入炉内燃烧^[2]。

浓缩型H-PAX燃烧器上配有双层强化着火的轴向调风机构，从风箱来的二次风分2股分别进入到内层和外层调风器，少量的内层二次风作引燃煤粉用，而大量的外层二次风用来补充已燃烧煤粉燃尽所需的空气，并使之完全燃烧^[2]。

1.3 空气预热器

每台锅炉配有2台哈尔滨锅炉厂预热器有限责任公司生产的31-VI（T）-2400-QMR型、三分仓全模式结构、回转式空气预热器；2台上海鼓风机厂有限公司生产的PAF18-13.3-2二级动叶可调轴流一次风机；2台上海鼓风机厂有限公司生产的FAF18-10-1型动叶可调轴流送风机；2台上海鼓风机厂有限公司生产的SAF30-20-2型二级动叶可调轴流引风机。

2 煤种化学分析

表 1为京宁热电燃用设计煤种、校核煤种及劣质烟煤的化学分析数据。

3 存在的问题及劣质烟煤掺烧指标 3.1 存在的问题

京能热电采用的设计煤种运输距离较远，运输成本高，入厂原煤单价高，同时该煤种在实际应用中还存在以下问题：

（1）设计煤种发热量为14.44 MJ/kg，实际燃烧煤种发热量在11.72~12.56 MJ/kg，偏离设计煤种较多。

（2）锅炉负荷大于260 MW时，水冷壁左右侧结焦严重（1号锅炉左侧水冷壁比右侧水冷壁结焦更严重）。

（3）正常运行工况下，锅炉有时会出现水冷壁出口温度左右侧偏差较大现象，最大偏差能达到130 ℃左右。

（4）一次风率较大，目前为48%~55%，而一次风率设计值为37%~42%。

（5）空预器出口烟温较高，低负荷时为140 ℃左右，高负荷时为160 ℃左右；设计值：50%负荷126 ℃，BMCR工况下149 ℃。

（6）排放指标不合格。目前锅炉出口NO_x排放质量浓度为600~700 mg/m³，而设计值为300 mg/m³。

（7）锅炉运行效率较低。初步计算后锅炉的运行效率为90.2%，与设计值（93.05%）相差较大。

由于劣质烟煤单价较低，为了节约成本，京宁热电决定开展机组掺烧烟煤试验，为电厂的节能减排工作奠定基础。

3.2 掺烧指标

通过掺烧劣质烟煤及燃烧调整，达到以下指标：

（1）2016年节约燃料成本800~1200万元；

（2）厂用电率降低0.5%，争取达到6.0%。纯凝工况的发电煤耗率争取达到310 g/kWh；

（3）解决水冷壁左右侧结焦严重的问题；

（4）解决水冷壁出口温度左右侧偏差较大的问题；

（5）解决一次风率偏大问题，最终控制在37%~42%；

（6）解决空预器出口烟温较高问题，最终控制在设计值以下（50%负荷时＜126 ℃，BMCR工况时＜149 ℃）；

（7）解决SCR入口NO_x排放浓度较高问题，最终控制在300 mg/m³左右；

（8）解决锅炉效率低问题，最终达到设计值（93.05%）；

（9）得出烟煤掺烧的最佳比例。

4 劣质烟煤掺烧试验准备

目前为止，国内外并无褐煤锅炉掺烧烟煤的先例，因此需要进行大量的试验准备工作。

试验前，通过对掺烧煤种进行精选，认为可以利用烟煤不易结渣的特性改善炉内燃烧工况，达到锅炉稳定运行的目标。

4.1 合理选择烟煤

（1）尽可能选择接近设计煤种热值的烟煤，保证掺烧烟煤后还有足够的一次风速，不发生制粉系统堵塞。

（2）掺烧的烟煤含有一定的水分，提高对一次风量的要求，减轻制粉系统堵塞情况。

（3）掺烧的烟煤需要具有尽可能好的燃烧特性，以保证燃烧稳定性。

（4）尽可能选择高灰融点的烟煤进行掺烧，减轻结渣程度^[3]。

4.2 制订安全保障措施

制订了《防止锅炉制粉系统爆破措施》《磨煤机启动措施》《磨煤机停止措施》《防止一次风机失速及风机失速的处理措施》《烟煤掺烧燃烧调整措施》及《烟煤掺烧上煤措施》等措施，指导合理燃用、混配烟煤，使掺烧过程的安全性得到有效控制。加强对现场运行情况的监护，强化防范措施、制度执行情况的检查与考核。对运行岗位进行燃用烟煤的安全、技术措施培训考试及考核，使运行人员掌握掺烧煤种的特性知识，提高事故预防能力。

4.3 合理确定烟煤掺烧比例

对掺烧烟煤的合理比例进行了调研、咨询、计算，再结合实际运行情况进行燃烧调整试验，确定烟煤掺烧的最佳比例。机组运行中，通过加强燃烧调整及优化掺烧比例，既保证机组安全运行，防止锅炉结焦、高温腐蚀等，同时也可提高锅炉效率、降低厂用电率、降低环保成本，节约发电成本。

5 试验研究内容

根据京宁热电现在的燃烧煤种，先对燃煤开展全样分析，重点了解煤的结渣特性、NO_x生成情况、锅炉效率等方面的问题，选择合适的掺烧煤种，在保证机组安全稳定运行的基础上，开展锅炉燃烧经济性、锅炉效率、降低NO_x气体排放浓度等项目研究。通过电厂现有的SIS或DCS数据库，提取试验中各参数的运行过程信息，最终完成试验项目及数据分析。

5.1 煤的灰渣特性

煤由可燃质、水分和灰分组成，水分过大会使炉内温度下降，影响燃烧、增加排烟损失、加剧尾部受热面积灰、降低制粉系统的出力。煤中灰分增加会使发热量降低、排渣量增加、容易结渣，灰分过高会使单位燃料量的发热量减少、影响燃料的着火和燃尽，易造成结焦、受热面积灰情况^[4]。

成分含量不同煤的特性就不同，现阶段对京宁热电机组运行有明显影响的是灰渣特性。根据煤灰化学成分中金属离子的离子势，可将氧化物分成两大类，即碱性氧化物（Fe₂O₃，MgO，CaO，Na₂O，K₂O）和酸性氧化物（SiO₂，Al2O₃，TiO₂）^[5-6]。煤灰所处的气氛一定时，灰熔点与煤灰成分之间有一定的关系，灰中酸性氧化物的含量大于碱性氧化物含量时，煤灰熔融温度较高；相反，煤灰熔融温度较低^[7]。因此，掌握煤灰成分对灰熔点的影响，可以通过改变煤灰成分控制灰熔点。

5.2 煤与NO_x的关系

京宁热电采用低氮燃烧器，根据降低NO_x燃烧技术，在主燃烧区缺氧燃烧，因为NO_x基本在燃料着火阶段产生，缺氧燃烧会抑制其生成，同时缺氧燃烧还会使燃烧区域温度降低，同样也能抑制NO_x的生成。

影响NO_x生成的主要因素为氧的浓度和主燃烧区域的温度。煤粉燃烧所生成的NO_x中，燃料型NO_x是最主要的，其质量百分数占NO_x总生成量的60%~80%以上；热力型NO_x的生成与燃烧温度有很大关系，在温度足够高时，生成的热力型NO_x的质量百分数可占到NO_x总量的20%~30%；快速型NO_x在煤燃烧过程中的生成量很小^[8]。着火初期，煤的挥发分越高NO_x越容易被控制。褐煤的燃烧时间较短，褐煤的NO_x排放量较容易控制。因燃烧时间长会使火焰中心上移，降低锅炉效率，所以燃烧时间越短越好。

此外，一次风对燃烧的影响也很大，往往是一次风风速越低、效率越高，当然一次风风速低对NO_x的产生也有利，对稳燃也有利。所以，另1个降低NO_x的方法是采用空气分级。一次风率提高会使主燃烧器区域氧量增加，不利于控制NO_x的排放量。一、二次风风速、炉膛火焰温度、烟气温度、一次风温都会影响卷吸烟气量，卷吸烟气量会直接影响卷吸能力。卷吸能力的提高会使炉膛的火焰分布平均提高，降低火焰中心温度，从而减少NO_x的生成。

燃料型NO_x燃烧期间氧量、温度都会偏高，低负荷时氧量不易控制。低负荷时主燃烧区温度会达到600~800 ℃，此时所需氧量更高，油枪投入更多，更加难以控制，易生成更多的NO_x。

5.3 煤与制粉系统的匹配

燃用不同的煤种需要不同的煤粉细度，褐煤需要30%~50%的细度，烟煤需要23%的煤粉细度。不同的煤采取不同的制粉系统，京宁热电采用的中速磨煤机，加载力高，循环倍率小，煤粉携带水分多，不需要很高的干燥出力，降低了一次风率。烟煤的制粉系统要着重注意防爆及输煤皮带着火，以及燃烧器的烧损和煤场煤堆的自燃。

5.4 基于煤质的燃烧调整

锅炉为1个多输入、多输出系统，涉及锅炉和燃料的配合，配风和燃料的配合，燃料和蒸汽、给水的配合。直流炉的蒸汽压力主要和给水流量有关，水煤比直接影响汽温、汽压，风量决定燃烧中心高度^[6]。京宁热电机组存在的水冷壁出口温度偏差大的问题主要是由火焰充满度差、前后墙燃烧不均匀、燃烧室和燃尽室的配合不足等导致的。燃烧器区的氧气过多也会增加NO_x的排放。

燃烧系统包括风、煤、烟3个方面，控制调整的主要对象有：炉膛风量和出口过量空气系数，一、二次风的配比及风速，煤粉的细度、浓度各燃烧器的负荷分配和投停方式，以及磨煤机运行方式。

5.5 燃烧调整试验及主要优化项目 5.5.1 燃烧调整试验内容

（1）对现在燃用的煤种进行全样分析，根据煤种特性选定掺烧煤种；

（2）研究掺煤方式，制订相应的技术措施；

（3）从小负荷、小比例开始掺烧试验，逐步扩大掺烧比例，全面记录试验中锅炉运行情况；

（4）摸索降低磨煤机在各种工况下的一次风量，找出磨煤机一次风量的最小值，确定风煤配比、二次风门的开度。

5.5.2 燃烧调整优化项目

各工况下，对锅炉运行燃烧调整进行优化，使机组达到最佳性能。优化的主要项目包括：

（1）调整燃烧器内、外二次风叶片角度，滑动调风盘、微调风盘就地开度；

（2）调整制粉系统一次风量、煤粉细度、液压加载力等参数；

（3）调整各风机的控制方式及运行参数；

（4）掌握不同负荷下锅炉省煤器出口氧量、排烟温度、一二次热风温度等参数；

（5）分别进行不同煤质下磨煤机特性试验；

（6）根据实际情况，对可能存在粉管风量分配不均的磨煤机进行风速调平检查和风量标定；

（7）对各种工况下的锅炉效率、厂用电率、NO_x排放浓度进行测量，并进行对比；

（8）研究各种优化工况下各参数的控制定值；

（9）修改规程、制度，对运行人员进行培训。

6 劣质烟煤掺烧及燃烧调整试验结果

京宁热电在机组整套启动、168 h试运行及正常运行期间，开展了掺烧烟煤及燃烧调整试验，同时对锅炉运行的安全性做了相关评价，对锅炉受热面及烟煤磨煤机性能进行探索。实践证明，京宁热电锅炉机组能够大量掺烧劣质烟煤（也能纯烧烟煤）。

烟煤掺烧试验的成功为京宁热电燃煤的多样性提供了基础，有效地控制了燃煤成本，降低厂用电率，带来了较大的经济效益；同时降低了排放指标，解决了水冷壁的结焦问题，提高了锅炉机组的运行安全性，社会效益显著。

7 计划及建议

下一步京宁热电将加强设备整改治理，使各设备、各系统保持良好的运行状态；完善风粉在线、燃烧器出口风速的监视手段，评估是否需要增加测点；开展设备或设计问题分析工作，并制订相应的处理措施；建立健全锅炉燃烧调整项目组织体系，应用精细化管理手段，确保设备能够保持良好的运行状态；积累运行数据，分析分级燃烧的规律、研究煤粉细度与燃烧及NO_x的关系，防止高硫煤的高温腐蚀等，深入挖掘机组的潜能。