引言随着国家双碳政策的稳步推进，基于我国国情的能源革命已被提上日程，必须立足于我国目前的能源现状[1-2]。目前，我国依旧以煤电为主要能源，为了实现“双碳”目标必须解决煤电的高碳排放现象。燃煤电厂耦合含碳有机物被证明是降低碳排放的有效手段，有利于现有机组充分利用现有烟气净化设备，降低改造成本，是基于我国煤电机组现状的低碳改造预选备案。2020年我国原油加工量达6.74亿t，其延迟焦化的副产物——石油焦的产量也达2 665万t。石油焦是原油经蒸馏分离轻重质油后，重质油再经热裂过程转化的产品，具有高热值、高含碳量、高含硫量、低挥发分、低灰分的特点，但石油焦燃料的孔隙体积和比表面积仅为烟煤的1/4~1/3，燃烧时稳定性差，很难完全燃烧，挥发分释放较迟且不集中，对着火不利。石油焦的挥发分约为10%，着火温度约为530 ℃，燃尽温度约为650 ℃，其燃烧特性介于无烟煤和烟煤之间[3-6]。石油焦是石化行业常见的固体燃料，硫含量为2%~5%时通常被认为是燃料级石油焦。电站锅炉掺烧石油焦能够有效提高入炉煤热值，降低锅炉排灰渣量，减少受热面飞灰磨损，降低入炉标煤成本[7-10]。因此，掺烧石油焦是提高能源利用率的有效手段。研究人员已在石油焦掺烧方面开展了一些研究工作。郑文凯[11]等对410 t/h掺烧石油焦CFB锅炉进行燃烧优化调整，调整后有效降低锅炉飞灰可燃物至8%以下。陈荣生[12]等通过不同煤焦掺混比的燃烧试验，研究石油焦掺烧对410 t/h煤粉锅炉燃烧效率的影响，掺焦量每增加10%，固体未完全燃烧热损失平均增大1.98%。任惠锋[13]等通过试验研究煤焦混合粉燃烧效果，结果显示，混合燃烧时的着火性能变化不大，但固体不完全燃烧损失随掺焦量的增加而增加。吕当振[14]等对比4种无烟煤和1种石油焦的燃烧特性，发现石油焦与无烟煤着火燃烧特性类似，综合燃烧特性居中，但燃尽特性较差。赵振宁[15]等对两台328 MW大型电站煤粉锅炉进行掺烧石油焦应用的研究，结果表明，掺入20%石油焦使燃料热值明显提高，且不会对锅炉燃烧稳定性造成影响。学者们分别在循环流化床锅炉和煤粉锅炉上进行石油焦掺烧研究，但锅炉容量相对较小，最大为328 MW，在大型煤粉锅炉上掺烧石油焦的经验较少。目前，国内火电主力发电机组容量为600 MW及以上，因此，对大型电站锅炉掺烧石油焦的研究具有重要意义。对某电厂660 MW机组W型火焰煤粉炉进行石油焦掺烧的应用研究，对比不同负荷、掺烧比以及磨煤机配合掺烧生成的飞灰与大渣，验证实际掺烧石油焦的可行性，为耦合燃烧提供参考。1设备概况试验锅炉为北京B&W公司设计的660 MW超临界压力W型火焰锅炉，为垂直炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、单炉膛露天岛式布置。锅炉型号为B&WB-2146/26.15-M。锅炉采用双进双出钢球磨煤机正压冷一次风直吹式制粉系统，W型火焰燃烧方式，并配置浓缩型EI-XCL低NOx双调风旋流燃烧器及OFA喷口。石油焦与无烟煤的物理形态如图1所示。石油焦的物理形态与煤块相似，外观为形状不规则、具有金属光泽、黑色或暗灰色的多孔固体颗粒，孔隙发达。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.F001图1石油焦与无烟煤的物理形态石油焦的主要组成元素为碳，碳含量占比超过80%，其余为氧、氮、硫和金属元素，氢含量约1.5%~8.0%。锅炉设计煤种及校核煤种为当地煤矿产出的无烟煤及贫煤。掺烧试验用石油焦与设计煤种的成分特性如表1所示。通过对比可知，石油焦因高含碳量、低灰分而具有高发热量，与设计煤种相比，收到基硫较高，干燥无灰基挥发分与设计煤种接近，其他参数相差不大。石油焦与无烟煤具有相似的成分特性，适用于W火焰锅炉的燃烧。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.T001表1掺烧试验用石油焦与设计煤种的成分特性项目设计煤种石油焦全水分/%6.005.40收到基灰分/%34.001.41干燥无灰基挥发分/%11.4611.05收到基碳/%52.8782.89收到基氢/%2.483.55收到基氮/%0.860.52收到基氧/%0.320.07全硫/%3.476.16收到基高位发热量/(MJ/kg)—32.80收到基低位发热量/(MJ/kg)20.3131.942掺烧试验及结果以往的掺烧研究结果表明，掺入20%以下的石油焦不会对锅炉燃烧稳定性造成影响。根据分磨上煤的要求，从电厂运行实际出发，开展了不同工况下不同掺烧比例、不同磨煤机组合的掺烧方式的对比试验，分析了石油焦掺烧后对飞灰、大渣含碳量、脱硫效果、运行参数和低负荷稳燃的影响。2.1掺烧对高负荷燃烧的影响500 MW及以上高负荷情况下，分别对1#、2#机组未掺烧石油焦和掺烧石油焦产生的飞灰和大渣进行含碳量对比。1#、2#机组各工况下燃用石油焦情况如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.T002表21#、2#机组各工况下燃用石油焦情况机组负荷/MW投运磨组合石油磨煤机掺配方式掺烧比例/%1#660A/B/C/D/E/FA全石油焦16600A/B/C/D/E/FB/E1∶1掺配18550B/C/D/E/FB/E1∶1掺配18500A/B/C/D/EB/E1∶1掺配182#660A/B/C/D/E/FA全石油焦16600A/B/C/D/E/FB/E1∶1掺配18550B/C/D/E/FB/E1∶1掺配18500A/B/C/D/EB/E1∶1掺配18高负荷工况下飞灰和大渣含碳量平均值对比如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.F002图2高负荷工况下飞灰和大渣含碳量平均值对比在B磨、E磨掺烧石油焦后，1#机组和2#机组的飞灰含碳量均有所增加，增量分别2.81%和1.79%。但是大渣的含碳量较未掺烧石油焦前均有小幅下降，减少量分别为0.69%和0.63%。高负荷工况下，掺烧石油焦对大渣含碳量的变化影响较小，对飞灰含碳量的影响较明显。2.2磨煤机不同组合方式掺烧试验2.2.1掺烧石油焦后飞灰和大渣的变化对1#机组在负荷500 MW以上工况下开展两台磨煤机不同组合方式的石油焦掺烧试验，掺烧比例为1∶1。两台磨不同组合方式下掺烧石油焦后飞灰和大渣的含碳量如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.F003图3两台磨不同组合方式下掺烧石油焦后飞灰和大渣的含碳量由图3可知，A/D磨组合的飞灰和炉渣含碳量是6种组合中最佳的，含碳量为3.83%和3.34%；B/E磨组合时，飞灰含碳量较高，不宜作为掺烧石油焦时磨煤机的组合；其余组合时，大渣含碳量均处于较低水平。掺烧石油焦时，高负荷情况下，A/D磨的组合更有利于锅炉运行，不建议采用B/E磨组合的运行方式。2.2.2掺烧石油焦启、停方式对比分析掺烧石油焦会给机组启停带来一定影响，有必要对不同磨煤机组合情况下的低负荷运行进行分析。（1）采用B/E磨组合时，在机组低负荷时段停运烧石油焦磨机，机组壁温差和燃烧稳定性差，因此在低负荷阶段不建议采用此两种磨的组合。（2）采用B/D磨组合、C/E磨组合时，在机组低负荷时段停运烧石油焦磨机，机组壁温差较大，优先级不高。（3）采用A/D磨组合、C/F磨组合、A/F磨组合时，在机组低负荷时段停运烧石油焦磨机，对机组壁温差和燃烧稳定影响不大，因此在低负荷下启用两台磨进行掺烧时最优先。2.3掺烧对低负荷稳燃的影响近年来，大机组参与调峰的情况增多，锅炉在低负荷工况下运行时，存在炉膛温度下降和炉内燃烧不稳定等问题，导致锅炉热效率降低，直接影响机组的安全稳定运行。因此，开展低负荷工况下的石油焦掺烧试验，研究其燃烧稳定性，对掺烧试验具有重要意义。本次在低负荷工况下，在1#、2#两台机组上同时开展石油焦掺烧试验。低负荷工况下石油焦掺烧试验如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.T003表3低负荷工况下石油焦掺烧试验试验机组机组负荷/MW运行磨煤机掺配方式掺配比例/%试验次数1#机组335B/C/D/EE磨全烧石油焦2511#机组330~375B/C/D/EE磨石油焦与煤1∶1掺烧1362#机组330B/C/D/EE磨全烧石油焦2512#机组330~335B/C/D/EE磨石油焦与煤1∶1掺烧139低负荷工况下飞灰和大渣含碳量平均值对比如图4所示。1#机组为负荷在330~375 MW下试验6次的平均值；2#机组为负荷在330~335 MW下试验9次的平均值。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.F004图4低负荷工况下飞灰和大渣含碳量平均值对比分析1#机组低负荷期间选择一台磨掺配石油焦的情况，飞灰含碳量平均值比不掺烧石油焦高0.12%，大渣含碳量平均值比不掺烧石油焦下降0.91%。分析2#机组低负荷期间选择一台磨掺配石油焦的情况，飞灰含碳量平均值比不燃烧石油焦低0.06%，但大渣含碳量平均值比不掺烧石油焦降低1.02%。将飞灰和大渣含碳量与同期未掺烧工况的平均值进行对比，掺烧石油焦对飞灰含碳量的影响不明显，掺烧后的大渣含碳量平均值下降1%左右。石油焦掺烧前后的机组主蒸汽温度、再热蒸汽温度、水冷壁壁温及壁温差变化不大，脱硫入口SO2浓度、烟气流量及脱硫相关参数均无明显变化。结果表明，在低负荷工况下选择一台磨煤机掺烧石油焦是可行的。2.4掺烧对锅炉效率的影响试验煤种与设计煤种的煤质特性如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.T004表4试验煤种与设计煤种的煤质特性项目设计煤种试验煤种(660 MW)试验煤种(500 MW)全水分/%6.008.008.20收到基灰分/%34.0027.9728.52干燥无灰基挥发分/%11.4611.7412.03收到基碳/%52.8755.6054.83收到基氢/%2.482.182.14收到基氮/%0.860.750.69收到基氧/%0.320.330.37全硫/%3.475.175.25收到基高位发热量/(MJ/kg)—21.9521.60收到基低位发热量/(MJ/kg)20.3121.3220.971#锅炉分别在额定负荷工况和75%额定负荷工况下进行石油焦掺烧后锅炉热效率测试试验。与设计煤种相比，两个负荷下的试验煤种收到基水分较高，灰分较低，收到基硫较高，收到基碳和低位发热量均高于设计煤种，其他参数相差不大。试验煤种优于设计煤种。掺烧石油焦与纯煤工况下的锅炉热效率试验结果如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.014.T005表5掺烧石油焦与纯煤工况下的锅炉热效率试验结果项目纯煤试验掺烧石油焦试验660 MW500 MW660 MW500 MW飞灰含碳量2.502.354.405.43炉渣含碳量1.202.200.242.04锅炉效率93.7893.4393.0992.67修正后锅炉效率93.7493.4092.9392.39%与1#机组修后试验（纯煤工况）相比，本次石油焦掺烧试验各负荷下飞灰含碳量均有所上升，炉渣含碳量相差不大，660 MW工况下影响修正后的锅炉效率下降了0.81%，在500 MW工况下下降1.01%，分别影响煤耗约2.3 g和3.0 g。灰渣可燃物热损失增加是影响石油焦掺烧工况下锅炉效率下降的主要因素。若燃煤的标煤单价为1 200元/t，石油焦按热量折算成标准煤单价为1 092元/t，按每年掺烧50万t石油焦计算，可降低燃料成本5 400万元。3掺烧石油焦燃烧调整建议与发现基于现场掺烧测试结果和电厂DCS数据，得出以下燃烧调整建议：（1）石油焦主要用于提高机组顶峰出力，负荷不小于500 MW掺烧时，两台磨掺配比例为石油焦∶无烟煤=1∶1。从对机组壁温差和燃烧稳定影响的角度分析，1#炉A/D磨、C/F磨、A/F磨煤机掺混石油焦为优选。（2）掺烧石油焦期间，为了确保石油焦尽可能燃尽，应增大对应燃烧器配风，掺烧石油焦磨煤机容量风开度尽量不超过55%。（3）掺烧石油焦期间，控制对应磨煤机出口温度为120~130 ℃。若石油焦水分较高，磨煤机出口温度下降至100 ℃，应适当开启磨煤机旁路风进行调整，必要时降低给煤机出力调整，确保磨煤机出口温度在100 ℃以上。（4）在煤质满足机组带负荷需求的前提下，尽量减少石油焦掺烧量；脱硫吸收塔入口SO2浓度偏高时，适当增大石油焦燃烧量，减少硫分较高的磨煤机出力；脱硫吸收塔入口SO2浓度偏低时，适当减少石油焦燃烧量，增大硫分较高磨煤机出力。（5）通过掺烧试验发现，单台磨煤机燃烧石油焦期间，对脱硫系统运行无明显影响，对石膏品质有影响；两台磨煤机纯燃烧石油焦期间，对吸收塔浆液品质和石膏脱水及石膏品质具有明显影响。通过适当减小石油焦燃烧量、降低吸收塔入口SO2浓度和倒浆可以缓解石膏脱水问题，但对石膏品质无明显改善。（6）石油焦水分一般较高，加强监视掺烧石油焦给煤机运行情况，磨煤机料位控在600 Pa左右，料位自动跟踪正常，严防堵磨或给煤机断煤，如发生堵磨或给煤机断煤情况，应按风险预控措施处理。4结语（1）与设计煤种相比，石油焦的收到基硫较高，干燥无灰基挥发分与设计煤接近，其他参数相差不大，可以看作石油焦与无烟煤大体相似。（2）高负荷工况下，两台磨掺烧石油焦后飞灰含碳量比未掺烧高2%左右，大渣含碳量变化量很小，A/D磨组合最佳，飞灰和大渣含碳量为3.83%和3.34%。低负荷工况下，E磨掺烧后飞灰含碳量变化很小，大渣含碳量比未掺烧低1%左右。（3）额定工况下，石油焦掺烧后飞灰含碳量均有所上升，炉渣含碳量相差不大，锅炉效率有所下降的主要原因是灰渣可燃物热损失增加。（4）若燃煤的标煤单价为1 200元/t，石油焦按热量折算成标煤单价为1 092元/t，按每年掺烧50万t石油焦计算，可降低燃料成本5 400万元。