李双鹤
中国电建集团海外投资有限公司, 北京，邮编100048
【摘要】在新冠疫情全球肆虐，巴基斯坦经济增长缓慢，用电负荷需求下降，电费回收困难，外汇储备告急的背景下。积极开展煤炭当地采购、消纳当地燃煤研究，对于巴基斯坦政府减少美元外汇流失，保证中资企业在巴基斯坦可持续发展具有重要意义。同时对国内火电机组燃用高硫、高挥发分、低热值煤提供借鉴与思路。
【关键词】巴基斯坦；塔尔煤；配煤掺烧；更换煤种
1.设备概况
卡西姆港燃煤电站（以下简称“电站”）位于巴基斯坦卡拉奇市卡西姆港区，建设运营两台中国产660MW超临界燃煤机组，是中国电建集团践行“一带一路”和“中巴经济走廊”框架下首个落地的能源项目，由中国电建和卡塔尔王室基金AMC公司分别按照51%和49%的比例共同投资，开创了国有企业海外中外合资投资项目新模式，被巴政府称为“1号工程”。电站完全采用中国的标准和技术，带动“中国标准”“中国设计”“中国装备”“中国施工”走向海外，按巴基斯坦电力市场营销模式经营运行[[[]宋隽锐. 巴基斯坦电力市场营销模式探讨[J]. 企业改革与管理. 2019, (17): 112-113.
Sun Junrui. Discussion on marketing mode of Pakistan power market[J]. Enterprise Reform and Management. 2019, (17): 112-113.]]，是巴基斯坦目前单机容量最大、参数最高、技术经济及环保指标最优、电价最低、竞争力最强、为购电方创造价值最大、盈利能力领先的电站。
电站2015年5月21日开工建设，两台机组分别于2017年11月10日、2018年1月15日投产，2018年4月25日进入商业运行。
2.主要设计参数
2.1锅炉整体概况
电站1、2号锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造HG-2094/25.4-HM16型超临界参数变压直流炉、一次再热、平衡通风、采用切圆燃烧方式、半露天、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，设计燃用高水分印尼褐煤，校核煤种为印尼低热值褐煤。
锅炉燃烧系统配中速磨冷一次风直吹式制粉系统。SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方水冷壁的四角，以实现分级燃烧降低 NOx 排放。
电站现实际燃烧煤种为南非烟煤与印尼褐煤按6:4比例掺烧，校核煤种1为全烧南非烟煤，校核煤种2为南非烟煤与印尼褐煤按4:6掺烧。
2.2锅炉性能计算数据表
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2.3锅炉设计煤种与塔尔煤种化验结果对比
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2.3锅炉实际燃烧煤种数据
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2.4磨煤机主要技术参数
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2.5磨煤机液压站主要技术参数
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2.4脱硫系统设计参数
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2.5气力输灰系统设计出力
系统出力：每台炉配一套除灰系统，并能保证出力。
在正常运行状态下，每台炉输送系统的设计出力为：85 t/h。
考虑到正常运行工况和电除尘器一电场出现故障退出运行，二电场灰量增大，每台炉电除尘器及省煤器的输送系统的设计出力如下：
第一电场的输灰出力：64 t/h
第二电场的输灰出力：64 t/h
第三电场的输灰出力：16 t/h
第四电场的输灰出力：16 t/h
第五电场的输灰出力：16 t/h
省煤器灰斗的输灰出力：5 t/h
飞灰占煤种灰分比例：0.9%
3.塔尔煤掺烧可行性
3.1煤质分析
从2.4锅炉设计煤种与塔尔煤种化验结果对比，2.3锅炉实际燃烧煤种数据来看，塔尔煤矿煤质是典型的高水、高灰、高硫、高挥发分和低热值褐煤。与锅炉设计燃煤煤质相比，塔尔煤外水含量高达37.4%，也就是说开采、运输1吨塔尔煤，其中374公斤水、160公斤灰，外水含量、灰份高会增加燃用成本，降低塔尔煤的低位发热量。除此之外，塔尔煤外水含量高导致原煤流动性差，造成输煤系统原煤仓落煤管堵塞，出现难以安全运行的情形。所以大规模掺烧塔尔煤的情况下，不进行晾晒很难实现煤粉锅炉正常运行。进行晾晒彻底除尽外水后，塔尔煤理论低位发热量可达4998 kcal/kg。塔尔煤空气干燥基水分为5.6%，内水含量过低会导致，塔尔煤在晾晒及取用过程中易发生扬尘现象，加之塔尔煤空气干燥基挥发分含量高达45.3%，扬尘后发生堆积的细煤粉极易发生自燃、爆炸。同时因为塔尔煤空气干燥基挥发分含量高，电站所在地卡拉奇市夏季气温最高可达50℃，所以塔尔煤在煤场晾晒过程中极易发生大面积自燃，将对煤场三类存煤构成严重火灾隐患。高硫份烟气污染周边环境存在环保风险，并造成经济损失。大量掺烧塔尔煤的情况下，塔尔煤晾晒、堆取、防自燃、防输煤系统着火和栈桥爆炸，对专业化技术管理提出了很高要求。
此外，塔尔煤收到基灰分为11.3%，现实际燃烧煤种收到基灰分为15.72%，所以在不进行大规模掺烧情况下，气力输灰系统不用考虑增容改造问题。在进行大规模掺烧且对塔尔煤进行晾晒时，塔尔煤空气干燥基灰分含量为18.7%，需要根据输灰系统出力核算掺烧比例。
根据巴基斯坦LUCKY电站取塔尔煤矿煤样化验数据塔尔煤收到基含硫量1.68，根据塔尔电厂取塔尔煤矿煤样化验数据塔尔煤收到基含硫量2.03，空气干燥基含硫量3.4%。当前实际燃烧煤种收到基含硫量为0.59%。锅炉设计燃烧煤种收到基含硫量0.85%。脱硫系统出力是一项限制塔尔煤掺烧的重要指标[[[]张国平. 火力发电厂劣质煤掺烧技术探讨及应用[J]. 陕西电力. 2013, 41(3): 83-85.
Yao Wei, Hao Bing, Liu Jia-li, et al. Main characteristics of coal blending method and adaptability analysis for blended coal[J]. Electric Power. 2012, 10(6): 30-33.]]。
3.2磨煤机出力核算
3.2.1磨煤机机械出力核算
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从上图以及2.5磨煤机液压站主要技术参数综合来看，磨煤机最大机械出力约为85t。设计磨制煤种哈式可磨系数为49，实际燃烧煤种哈式可磨系数56，塔尔煤哈式可磨系数为70，塔尔煤属于极易磨制煤种。
考虑电厂长周期运行情况，磨煤机采用五运一备方式进行核算。磨煤机最大出力85t，考虑磨煤机长周期安全运行，磨煤机拟采用80t出力进行核算。
5台磨煤机最大机械出力：5×80 t = 400 t
锅炉设计总燃料量308.78t，收到基低位发热量4298kcal/kg，塔尔煤收到基低位发热量2890kcal/kg。
308.78 t × 4298 kcal/kg ÷ 2890 kcal/kg = 459 t > 400 t
显然全燃不进行晾晒的塔尔煤时，磨煤机最大机械出力无法满足机组带满负荷要求。现对磨煤机磨制煤场晾晒后的塔尔煤出力进行核算。
煤场进行晾晒每千克塔尔煤节约汽化潜热:
0.374 kg×2675 kJ/kg ÷ 4.1858=239 kcal
晾晒后塔尔煤低位发热量：
（2890 kcal ＋ 239 kcal）÷（1 kg - 0.374 kg）= 4998 kcal/kg
以上为假想状态外水除尽的计算值，煤场晾晒会发生自燃存损（干燥无灰基挥发分数值达59.84，极易自燃），外水也不可能完全除尽。实际数值需要煤场晾晒后，根据自燃存损程度与外水晾晒除尽程度进行测定。
308.78 t × 4298 kcal/kg ÷ 4998 kcal/kg = 265 t < 400 t
全燃进行晾晒的塔尔煤时，磨煤机最大机械出力能够满足机组带满负荷要求。但是塔尔煤需要晾晒多久才能外水除尽，且在晾晒过程中因自燃产生的存损占比为多少，还需要具体的科学的实验。
那么采用南非烟煤与塔尔煤掺烧，磨煤机最大机械出力所能允许的掺烧比例为：
假定塔尔煤质量为X，南非煤为Y（收到基低位发热量为5313 kcal/kg），那么
X + Y ≤ 400 t
2890 × X + 5313 × Y = 308.78 t × 4298 kcal/kg
X/Y 取最大值，那么计算后结果为：
X（塔尔煤）= 329t ，Y（南非烟煤）=71t
3.2.2磨煤机干燥出力核算
3.2.2.1塔尔煤在煤场不晾晒，直接入炉燃用情况下，设定磨制南非煤与塔尔煤磨煤机出口温度一致，不改变原设计整体冷热风参配比例的情况下，核算磨煤机干燥出力。
原设计热一次风携带与干燥印尼煤入炉燃烧，印尼煤收到基水分为28.3%，收到基低位发热量为4390kcal/kg。而塔尔煤收到基水分为43.0%，收到基低位发热量2890kcal/kg。由于塔尔煤热值低，收到基水分高，显然热一次风干燥出力无法满足全燃塔尔煤带满负荷的干燥出力需求。锅炉实际上采用以南非煤（南非煤煤种数据见2.3）为基煤进行配煤掺烧，那么塔尔煤与南非煤掺烧比例为：
南非煤收到基低位发热量5313kcal/kg，收到基水分为5.44%
308.78 t × 4298 kcal/kg ÷ 4390 = 302.31 t
302.31 t × 28.3% = 85.55t
假定塔尔煤质量为X，南非煤为Y
43% × X + 5.44% × Y =85.55 t
2890kcal/kg × X + 5313kcal/kg × Y = 308.78 t × 4298 kcal/kg
X = 179.73 t ，Y = 151.95 t
总燃料量：X + Y = 331.68 < 400 t
塔尔煤与南非煤掺烧比例: X/Y = 1.18 ∶ 1
3.2.2.2煤场进行晾晒后入炉燃用情况下，塔尔煤内水为5.6%磨煤机干燥出力不成问题。
3.3脱硫系统出力核算
从2.4脱硫系统设计参数来看，脱硫系统设计参数：收到基低位发热量4298.2 kcal/kg，总燃料量323.80t/h，收到基硫份0.85%。下面对燃用煤场不晾晒塔尔煤与晾晒塔尔煤情况分别对脱硫系统出力进行核算。
3.3.1煤场不进行晾晒，塔尔煤直接入炉燃用情况下，核算脱硫系统出力。
不进行晾晒塔尔煤收到基硫份2.13%，收到基低位发热量2890 kcal/kg ，南非煤收到基硫份0.8%，收到基低位发热量5313 kcal/kg。
假定塔尔煤质量为X，南非煤为Y
2890 kcal/kg × X ＋ 5313 kcal/kg × Y = 4298.2 kcal/kg × 323.80 t
2.13% × X ＋ 0.8% × Y = 0.85% × 323.80t
X = 38.75 t，Y = 240.87
X ＋ Y = 279.62 t ＜ 331.68t ＜ 400 t
X/Y = 1 ∶ 6.22
3.3.2锅炉燃用煤场晾晒后的塔尔煤情况下，对脱硫系统出力进行核算。
进行晾晒彻底除尽外水后的塔尔煤空气干燥基硫份3.4%，低位发热量4998 kcal/kg，南非煤收到基硫份0.8%，收到基低位发热量5313 kcal/kg。
4998 kcal/kg× X ＋ 5313 kcal/kg × Y = 4298.2 kcal/kg × 323.80 t
3.4% × X ＋ 0.8% × Y = 0.85% × 323.80t
X = 24.8 t，Y = 238.64
X ＋ Y = 263.44 t ＜ 400 t
X/Y = 1 ∶ 9.62
3.4输灰系统出力核算
从2.5气力输灰系统设计出力可知，气力输灰系统设计出力为85 t/h，考虑到1电场故障情况下，增加2电场出力，整个电除尘实际设计出力可达165 t/h。飞灰占煤种灰分比例为0.9。因换煤种后，飞灰占比是一个专业的判断与实验过程，电站技术人员不具备判断的能力与实验条件，本部分输灰出力核算，塔尔煤与南非基煤采用飞灰占比系数仍为0.9。下面对燃用煤场不晾晒塔尔煤与晾晒塔尔煤情况分别对输灰系统出力进行核算。
3.4.1煤场不进行晾晒，塔尔煤直接入炉燃用情况下，核算输灰系统出力。
不进行晾晒塔尔煤收到基灰分11.29%，收到基低位发热量2890 kcal/kg，南非煤收到基灰分23%，收到基低位发热量5313 kcal/kg。
假定塔尔煤质量为X，南非煤为Y
2890 kcal/kg × X ＋ 5313 kcal/kg × Y = 4298.2 kcal/kg × 308.78 t
0.9 × 11.29% × X ＋ 0.9 × 23% × Y ≤ 85 t
X ≥ 0 ， Y ≥ 0 ，X ＋ Y ≤ 400 t
X/Y 为最大值
X = 329.4 t ，Y = 82.8 t
此时灰量为：50.6t
3.4.2锅炉燃用煤场晾晒后的塔尔煤情况下，对输灰系统出力进行核算。进行晾晒塔尔煤空气干燥基灰分18.7%，低位发热量4998 kcal/kg，南非煤收到基灰分23%，收到基低位发热量5313 kcal/kg。
4998 kcal/kg × X ＋ 5313 kcal/kg × Y = 4298.2 kcal/kg × 308.78 t
0.9 × 18.7% × X ＋ 0.9 × 23% × Y ≤ 85 t
X ≥ 0 ， Y ≥ 0 ，X ＋ Y ≤ 400 t
X/Y 为最大值
X = 265.5 t ，Y = 0 t
此时灰量为：44.7t
3.5统计表格
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4.结论
4.1塔尔煤的挥发分高，干燥无灰基挥发分 Vdaf 高达 59.8%，掺烧塔尔煤需综合考虑项目所在地气温，堆放塔尔煤极易发生自燃现象，构成煤场存煤火灾隐患，并造成极大经济损失，需考虑单独设置煤场存放。
4.2塔尔煤的挥发分高，煤粉属于极易爆炸特性，如果掺烧该煤种，制粉系统极易发生爆炸，粉管也极易发生着火，对锅炉安全运行构成极大安全隐患；此外喷口煤粉燃烧会提前，会烧损燃烧器喷口，掺烧塔尔煤对锅炉燃烧调整和稳定性的影响较大，必须进行燃煤掺烧试验，确定是否能进行掺烧，并进一步按照系统出力核算的掺烧比例是否合适。
4.3塔尔煤的水分高，全水分 Mar 达到43.0%，原煤流动性差，会造成输煤系统原煤仓落煤管堵塞，出现难以安全运行的情形，若发生不能及时上煤的情况可能导致机组限制负荷，供电可靠性下降会造成容量考核。
4.4由于塔尔煤煤挥发分高，掺烧塔尔煤时，为了防止制粉系统爆炸，磨煤机出口温度预计只能控制在 60℃左右，而塔尔煤水分较高，这样在粉管内煤粉易于粘结，在粉管内输送时，会形成沉积，粉管堵管和着火的风险极大[[[]姚伟, 郝兵, 刘家利, 等. 配煤掺烧方式主要特点及燃煤适应性分析[J]. 中国电力. 2018, 51(9): 20-27.
Yao Wei, Hao Bing, Liu Jia-li, et al. Main characteristics of coal blending method and adaptability analysis for blended coal[J]. Electric Power. 2012, 10(6): 30-33.]]。
4.5塔尔煤外水高，高水分会增加磨煤机干燥空气量与锅炉燃烧空气量，空气量增加会导致烟气量增加，排烟温度升高，进而锅炉效率会下降，具体下降值需要做经济性指标试验。
4.6塔尔煤外水高，硫份高会使烟气中水蒸气、二氧化硫、三氧化硫分压力大幅增加，使烟气露点大幅增加，在排烟温度低于或接近烟气露点时，导致空气预热器冷端与尾部烟道低温腐蚀，造成经济损失。烟气露点需要根据实际烟气成分进行科学实验。
4.7塔尔煤硫份高达南非煤（折同热值）四倍到五倍之间，在燃烧高温负荷区域欠氧环境下易形成FeS加重结焦程度，且锅炉一旦结焦，会在焦中生成大量的碱金属硫酸盐，造成受热面管材强烈的高温腐蚀，严重降低受热面的使用寿命。
4.8与南非煤相比，塔尔煤含硫量是设计煤的四到五倍，两种煤的差异导致塔尔煤无法大量掺烧，掺配比例达到13%左右就会达到脱硫系统的设计出力，如果大量掺配，为满足环保达标排放要求，脱硫系统需要配套改造。
4.9脱硫系统改造后理论上能够大幅度提高塔尔煤的掺烧比例，燃用晾晒塔尔煤时，需综合考虑晾晒时间、煤场有效存煤量、燃煤日消耗量、摊平晾晒造成库存总量降低、煤场扩容改造可行性等。
［参考文献］