提升1 000 MW機(jī)組磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度的措施研究

呂洪坤，常毅君，裘立春，吳俊波，張 明

（1.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)燃煤電廠普遍存在煤種不穩(wěn)定、煤質(zhì)變化較大等現(xiàn)象，因而無法根據(jù)某一煤質(zhì)制定統(tǒng)一的中速磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度限值。另外，許多電廠對(duì)中速磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度的限值均源于以往的老舊資料，受限于舊時(shí)的研究條件，氣流溫度限值普遍較為保守。從目前許多機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況來看，均存在通過提升中速磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度，從而降低排煙溫度、提高鍋爐效率的可行性。張肅[1]認(rèn)為可以通過控制燃煤熱解開始溫度和堆積煤粉起燃溫度這2個(gè)主要參數(shù)來達(dá)到制粉系統(tǒng)防爆目的，且磨煤機(jī)內(nèi)燃煤熱解析出的可燃性氣體存在回火爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為應(yīng)以燃煤的紅外CO（一氧化碳）析出溫度作為磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫的控制值。這些文獻(xiàn)對(duì)進(jìn)口風(fēng)溫的控制要求仍顯保守，且缺乏析出氣體為何容易造成危險(xiǎn)的理論依據(jù)。

本文針對(duì)某1 000 MW機(jī)組鍋爐，在分析磨煤機(jī)內(nèi)氣流溫度的變化情況、研究常用燃煤的熱重著火溫度、紅外CO析出問題之后，對(duì)應(yīng)所研究煤種全面提升磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度，并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)分析，從實(shí)踐中得出了提升磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際測(cè)試中，燃料供給采用分倉(cāng)配煤方式，針對(duì)印尼煤種的試驗(yàn)則首次突破了相關(guān)規(guī)程中對(duì)磨煤機(jī)出口氣流溫度的要求。

1 鍋爐概況

某電廠1 000 MW超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造、三菱重工業(yè)株式會(huì)社提供技術(shù)支持。鍋爐采用Π型布置、單爐膛、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)、反向雙切圓燃燒方式。

該鍋爐采用冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉，系統(tǒng)布置6臺(tái)上海重型機(jī)械廠生產(chǎn)、帶動(dòng)態(tài)分離器的HP1163/Dyn型中速磨煤機(jī)，6臺(tái)給煤機(jī)、6只原煤斗。在燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，投用5臺(tái)磨煤機(jī)就可滿足鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量下的燃煤要求。鍋爐設(shè)計(jì)與校核煤種分別為神府東勝煤與晉北煤，本文研究中采用煤種主要為目前電廠常用的印尼煤、優(yōu)混煤，煤質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

目前，電廠要求燃用印尼煤時(shí)磨煤機(jī)出口氣流溫度控制在65℃，燃用優(yōu)混煤時(shí)磨煤機(jī)出口氣流溫度則控制在75℃。根據(jù)文獻(xiàn)[3-5]中的相關(guān)規(guī)定，中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)分離器后的溫度可以根據(jù)燃煤的干燥無灰基揮發(fā)分來制定。據(jù)此，磨制印尼4煤及印尼112煤時(shí)的磨煤機(jī)出口氣流溫度應(yīng)控制在小于70℃，而磨制優(yōu)混2時(shí)的磨煤機(jī)出口氣流溫度則應(yīng)控制約74±5℃。

表1 設(shè)計(jì)、校核及試驗(yàn)煤種煤質(zhì) %

2 提升磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度的基礎(chǔ)研究

通常，磨煤機(jī)內(nèi)溫度最高的介質(zhì)為進(jìn)入磨煤機(jī)的熱風(fēng)，其與原煤直接接觸時(shí)存在原煤熱解、著火的可能性。磨煤機(jī)出口的氣流溫度一般遠(yuǎn)低于入口熱風(fēng)溫度，適當(dāng)提升其溫度值，在沒有管道積煤的情況下一般不會(huì)發(fā)生爆燃。在磨制水分較高的煤種時(shí)，若磨煤機(jī)出口氣流溫度控制較低，反而容易引起煤粉管道中煤粉結(jié)露堆積，久而久之引起煤粉自燃，形成粉煤管道中的明火，進(jìn)而可能造成煤粉管道中的煤粉顆粒爆燃（通常的煤粉濃度處于其爆炸范圍內(nèi)，且煤粉粒度較細(xì)[1]）。因此，適當(dāng)提升磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度不僅能提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，還能改善機(jī)組制粉系統(tǒng)的結(jié)露爆燃情況。當(dāng)然，中速磨煤機(jī)石子煤室中長(zhǎng)期充滿著高溫?zé)犸L(fēng)，若其中有石子煤或原煤沉積，即使在較低的熱風(fēng)溫度條件下，沉積的石子煤或原煤仍存在著自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，當(dāng)提升磨煤機(jī)進(jìn)、出口溫度時(shí)，安全控制的關(guān)鍵在于進(jìn)口風(fēng)溫是否過高，而非出口風(fēng)溫，重點(diǎn)需要研究磨煤機(jī)入口熱風(fēng)與原煤接觸部位在什么條件下處于安全狀態(tài)。

2.1 可燃性氣體析出與爆燃問題

燃煤在加熱的過程中，可能會(huì)首先釋放出CO，H2，CH4之類的可燃性氣體，存在一定的著火或爆燃風(fēng)險(xiǎn)。CO主要由煤中的羰基、酚類、醚鍵、雜環(huán)氧以及少量短鏈脂肪酸的斷裂產(chǎn)生，H2主要來自于緩慢生成階段自由基之間的相互縮聚以及高溫快速生成階段芳香結(jié)構(gòu)的氫化和芳香結(jié)構(gòu)的縮聚脫氫反應(yīng)，而CH4則主要由脂肪烴通過自由基裂解機(jī)理或芳環(huán)上的烷基側(cè)鏈斷裂生成[6]。文獻(xiàn)[6，7]的研究表明，對(duì)于上述可燃性氣體，煤在熱解過程中首先析出的為CO（約200℃），其次為 CH4（約 300℃），再次為 H2（約 400～600℃）。通常發(fā)電廠的熱風(fēng)溫度不超過350℃，因此在磨煤機(jī)內(nèi)燃煤的輕微熱解過程中一般不會(huì)產(chǎn)生H2。

文獻(xiàn)[8]指出，CO氣體在常溫下的爆燃極限約為體積濃度的12.5%～74%，引燃溫度為609℃；CH4氣體在常溫下的爆燃極限約為體積濃度的5%～15%，引燃溫度為540℃。假設(shè)1 000 MW機(jī)組通常運(yùn)行時(shí)單臺(tái)磨煤機(jī)的出力為60 t/h，通風(fēng)量為130 t/h，要使CO氣體濃度達(dá)到12.5%，CO的析出質(zhì)量需要占煤量的約26%；而要使CH4氣體濃度達(dá)到5%，則CH4的析出質(zhì)量需要占煤量的約6%。顯然，燃煤在磨煤機(jī)內(nèi)經(jīng)歷短暫的輕度熱分解后，從數(shù)量級(jí)上或常理上均不可能達(dá)到上述量值[9]。另外，磨煤機(jī)出口的煤粉氣流溫度即使達(dá)到200℃，上述可燃性氣體的爆燃體積濃度范圍擴(kuò)大量值亦較小[10]。因此，磨煤機(jī)及出口管道內(nèi)一般不會(huì)發(fā)生CO，CH4等氣體的爆燃，燃燒器噴口亦不會(huì)發(fā)生CO，CH4等氣體的回火問題。此外，CO與CH4的引燃溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般鍋爐的熱風(fēng)溫度，磨煤機(jī)內(nèi)一般亦不會(huì)發(fā)生此類氣體的直接引燃著火?？偠灾?，磨煤機(jī)及煤粉管道內(nèi)的CO和CH4氣體濃度不在其可燃范圍內(nèi)，且通常情況下的運(yùn)行溫度范圍亦遠(yuǎn)低于其引燃溫度，故而通常不存在氣體爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 磨煤機(jī)內(nèi)溫度分布

圖1為該1 000 MW機(jī)組所配HP型中速磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)附近外壁面的紅外熱成像圖。如圖所示，磨煤機(jī)外壁面的溫度在風(fēng)環(huán)位置處達(dá)到最高（＞130℃），沿著風(fēng)環(huán)位置垂直向上，外壁面的溫度急劇下降。這說明，在磨煤機(jī)內(nèi)部，一次熱風(fēng)從風(fēng)環(huán)進(jìn)入磨煤機(jī)研磨區(qū)域后受到了原煤的快速冷卻，其溫度在較短的時(shí)間內(nèi)降低為接近磨煤機(jī)出口的氣流溫度。原煤或煤粉與高溫一次熱風(fēng)的接觸時(shí)間極為有限，在研磨區(qū)域一般不會(huì)將原煤或煤粉加熱至接近于一次熱風(fēng)的溫度。因此，燃煤在磨煤機(jī)內(nèi)的熱解程度極其有限，可燃性氣體的析出量亦應(yīng)極其少量。

2.3 試驗(yàn)煤種熱重-紅外研究

圖1 磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)附近壁面溫度分布

分別采用TGA/SDTA 851型熱重儀以及NICOLET NEXUS 670型傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)試驗(yàn)煤樣進(jìn)行了熱重-紅外實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)以15℃/min的升溫速率將樣品由30℃加熱到1 000℃。反應(yīng)氣氛為空氣，流量為50 mL/min；保護(hù)氣為氮?dú)?，流量?0 mL/min。采用150 μL的A12O3坩堝裝樣，樣品用量約為10 mg（經(jīng)過空氣干燥，細(xì)度為100～200目）。

表2列出了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)涉及煤種的熱重-紅外實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中：熱重著火溫度由切線法所得，紅外CO析出溫度是指紅外光譜中開始明顯出現(xiàn)CO時(shí)的溫度。如表2所示，熱重著火溫度均遠(yuǎn)高于紅外CO析出溫度。通常，在溫度達(dá)到由切線法所得的熱重著火溫度之前，實(shí)驗(yàn)樣品質(zhì)量已經(jīng)開始明顯下降，可能已經(jīng)析出一定數(shù)量的揮發(fā)分（包括焦油），若直接以該溫度作為磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)的控制溫度可能存在一些不確定因素。若以紅外CO析出的溫度作為磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)的控制溫度，則如上文所述顯然過于保守?？紤]到需同時(shí)兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性，以熱重著火溫度與紅外CO析出溫度的平均值作為磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)的理論控制溫度暫時(shí)較為妥當(dāng)。而事實(shí)上，磨煤機(jī)進(jìn)口的理論熱風(fēng)溫度控制值很可能可以更高。

表2 熱重-紅外分析結(jié)果 ℃

當(dāng)以熱重著火溫度與紅外CO析出溫度的平均值作為磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)的理論控制溫度時(shí)，已考慮以下安全控制因素：

（1）煤粉氣流的著火溫度一般高于對(duì)應(yīng)煤粉的熱重著火溫度[11]。

（2）熱重-紅外實(shí)驗(yàn)所用的是空氣干燥后的煤粉，而實(shí)際進(jìn)入磨煤機(jī)中的是顆粒較大并存在較多外在水分的原煤，熱一次風(fēng)直接接觸原煤后，外在水分的蒸發(fā)將使其溫度明顯降低。

初中數(shù)學(xué)和小學(xué)數(shù)學(xué)的側(cè)重點(diǎn)是不同的。小學(xué)數(shù)學(xué)側(cè)重是夯實(shí)數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。初中數(shù)學(xué)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)能力，包括計(jì)算能力、自學(xué)能力、分析問題與解決問題的能力、抽象邏輯思維的能力等。

2.4 制粉系統(tǒng)熱力計(jì)算

假設(shè)試驗(yàn)機(jī)組帶6臺(tái)磨煤機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)磨煤機(jī)的給煤量和通風(fēng)量分別約為60 t/h和130 t/h（環(huán)境溫度20℃，相對(duì)濕度30%），參考文獻(xiàn)[12]對(duì)該機(jī)組的制粉系統(tǒng)進(jìn)行了熱力計(jì)算，結(jié)果如表3所示，其中的進(jìn)口理論風(fēng)溫為2.3節(jié)中所述對(duì)應(yīng)煤種磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)的理論控制溫度。

表3 磨煤機(jī)進(jìn)出口理論溫度 ℃

按照表3中的計(jì)算條件與結(jié)果，磨制印尼4煤種、印尼112煤種以及優(yōu)混2煤種時(shí)，磨煤機(jī)出口氣流溫度可分別達(dá)到100℃，83℃和120℃，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上文所述原有文獻(xiàn)的規(guī)定數(shù)值。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

由于該廠長(zhǎng)期燃用大量印尼煤，而印尼煤水分較高、熱值較低，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)經(jīng)常以6臺(tái)磨煤機(jī)的方式運(yùn)行?；诖?，為了適應(yīng)機(jī)組的運(yùn)行習(xí)慣，試驗(yàn)中亦保持滿負(fù)荷用6臺(tái)磨煤機(jī)的運(yùn)行方式。

為能夠合理比較提升磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度前后的鍋爐主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化，在2個(gè)類似氣象條件的連續(xù)日子進(jìn)行了基礎(chǔ)工況（T-base）與提升進(jìn)、出口溫度工況（T-improve）的試驗(yàn)。2個(gè)工況均大致在同一時(shí)間段開展，試驗(yàn)前均完成一次鍋爐常規(guī)吹灰。試驗(yàn)人員在T-improve試驗(yàn)開始前，檢查了磨煤機(jī)石子煤室的石子煤刮板，確保殘余石子煤能夠順利排出。試驗(yàn)開始后，通過磨煤機(jī)出口氣氛測(cè)試及石子煤室、煤粉管道表面溫度測(cè)試等措施保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

3.1 磨煤機(jī)參數(shù)

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，磨制印尼4煤種的為E磨；磨制印尼112煤種的為C磨與F磨；磨制優(yōu)混2煤種的為A磨、B磨與D磨。表4、表5分別列出了基礎(chǔ)工況與提升進(jìn)、出口溫度工況各臺(tái)磨煤機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)。T-improve工況時(shí)考慮到確保電網(wǎng)運(yùn)行安全的因素，磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度參考表3中的結(jié)果進(jìn)行保守處理。需要指出的是，表4、表5中的數(shù)據(jù)均為試驗(yàn)工況期間機(jī)組SIS（廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)）數(shù)據(jù)的平均值，其準(zhǔn)確性有所欠缺，尤其是通風(fēng)量與進(jìn)口溫度。出口溫度則由于出口氣流溫度分布已經(jīng)較為均勻，相對(duì)較為準(zhǔn)確，因此作為本文進(jìn)行提升溫度比較說明的主要依據(jù)。

如表4、5所示，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，磨制印尼4煤種的磨煤機(jī)出口氣流溫度從約66℃提升到了79℃，磨制印尼112煤種的磨煤機(jī)出口氣流平均溫度從約65℃提升到了約76℃，磨制優(yōu)混2煤種的磨煤機(jī)出口氣流平均溫度從約75℃提升到了約96℃。雖然，為確保安全，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行提升進(jìn)出口溫度試驗(yàn)時(shí)取值較為保守，但其實(shí)際出口溫度亦已突破了有關(guān)文獻(xiàn)規(guī)定的限值[3-5]。

表4 T-base工況磨煤機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)

表5 T-improve工況磨煤機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)

3.2 排煙溫度

表6 排煙溫度及X比

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

若試驗(yàn)工況所產(chǎn)生的灰/渣量值按照9:1分配[13]，則T-base工況與T-improve工況的灰渣綜合可燃物含量分別為3.1%和2.9%，變化不甚明顯。理論上，進(jìn)入爐膛內(nèi)部的煤粉氣流溫度提升后，其著火熱下降、著火提前，將有利于尾部灰渣的燃盡，同時(shí)亦可能對(duì)鍋爐的減溫水量等參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，但其量值可能較小，很難通過試驗(yàn)有效確定其真實(shí)數(shù)值。本文出于比較的需要，規(guī)定僅以排煙溫度的變化作為鍋爐效率提升的參考，并且略去風(fēng)機(jī)功耗變化的影響。如此，T-improve工況排煙溫度相對(duì)降低約6.3℃，相當(dāng)于鍋爐效率提升了約0.30%[13，14]，機(jī)組發(fā)電煤耗下降約0.9 g/kWh。該1 000 MW機(jī)組年等效利用小時(shí)較高，若按6 000 h計(jì)算，則單臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約5 400 t標(biāo)煤。

4 總結(jié)

本文分析了中速磨煤機(jī)內(nèi)溫度分布、可燃性氣體析出及爆燃問題，對(duì)典型混煤、印尼煤進(jìn)行了熱重-紅外研究。在某1 000 MW機(jī)組上成功實(shí)施了提升磨煤機(jī)進(jìn)、出口氣流溫度的試驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）產(chǎn)生于磨煤機(jī)及煤粉管道內(nèi)的可燃性氣體通常不會(huì)發(fā)生爆燃或回火。

（2）一次熱風(fēng)進(jìn)入磨煤機(jī)研磨區(qū)域后，其溫度將在較短時(shí)間內(nèi)降低至接近于磨煤機(jī)出口氣流的溫度。

（3）以熱重著火溫度與紅外CO析出溫度的平均值作為磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)的理論控制溫度暫時(shí)較為妥當(dāng)。

（4）在分倉(cāng)配煤的方式下，磨煤機(jī)的出口氣流溫度從75℃提升到96℃（優(yōu)混煤）、65℃提升到76℃（稍低熱值印尼煤）、66℃提升到 79℃（稍高熱值印尼煤）時(shí)，排煙溫度可以下降約6.3℃。

（5）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中磨制優(yōu)混煤與印尼煤時(shí)的出口氣流溫度雖然都突破了原有規(guī)程的限值，但仍過于謹(jǐn)慎，在理論與實(shí)踐中該值均可以更高，機(jī)組排煙溫度可以進(jìn)一步降低。

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