制粉系統(tǒng)特性對(duì)準(zhǔn)東煤燃燒的影響

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(1.神華四川能源有限公司,四川 成都 610021; 2.上海電力學(xué)院,上海 200090)

準(zhǔn)東煤田是中國(guó)最大的整裝煤田,煤質(zhì)具有低灰、低硫、高水分、高揮發(fā)分、高灰融點(diǎn)等特點(diǎn)。準(zhǔn)東煤在使用過(guò)程中普遍出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的結(jié)渣沾污情況[1-5],直接影響到該煤種在鍋爐上的大比例燃燒和使用,甚至影響到準(zhǔn)東煤電基地的開(kāi)發(fā)。本文主要針對(duì)磨煤機(jī)在使用準(zhǔn)東煤過(guò)程中,制粉系統(tǒng)特性的變化對(duì)鍋爐結(jié)渣過(guò)程的影響進(jìn)行分析,以期為準(zhǔn)東煤鍋爐制粉系統(tǒng)選型提供參考。

1 存在的問(wèn)題

新疆某電廠300 MW四角切圓亞臨界煤粉鍋爐,配備5臺(tái)HP863型碗式中速磨煤機(jī),設(shè)計(jì)煤種為烏魯木齊“堿溝煤”,設(shè)計(jì)4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行可達(dá)到額定負(fù)荷,另1臺(tái)備用。設(shè)計(jì)煤種哈氏可磨系數(shù)為55,低位發(fā)熱量為22.1 MJ/kg,設(shè)計(jì)煤種煤粉細(xì)度R90為22%,磨煤機(jī)最大出力為60 t/h。隨著煤炭市場(chǎng)的變化,堿溝煤的市場(chǎng)價(jià)格增長(zhǎng)較多,為節(jié)約燃料成本,該電廠逐步增加了價(jià)格更低的準(zhǔn)東煤的使用比例。當(dāng)準(zhǔn)東煤使用比例達(dá)到60%以上時(shí),出現(xiàn)了明顯的爐膛結(jié)渣。

燃燒優(yōu)化試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),相同制粉系統(tǒng)使用準(zhǔn)東煤和堿溝煤時(shí)的特性會(huì)發(fā)生顯著變化,這些變化對(duì)準(zhǔn)東煤的燃燒組織過(guò)程產(chǎn)生了重要影響。

2 制粉系統(tǒng)特性試驗(yàn)

為掌握準(zhǔn)東煤摻燒過(guò)程中磨煤機(jī)出口煤粉細(xì)度的變化情況,對(duì)磨煤機(jī)磨制準(zhǔn)東煤和堿溝煤,在相同動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速、磨煤機(jī)出口溫度和一次風(fēng)量條件下,R90和均勻性指數(shù)n進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖1,圖2和圖3所示。

由圖1可以看出,當(dāng)一次風(fēng)量分別為70 t/h,75 t/h和80 t/h,動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速ω的調(diào)整范圍為250～550 r/min時(shí),準(zhǔn)東煤和堿溝煤都呈現(xiàn)出R90逐漸減小、均勻性指數(shù)n逐漸升高的變化特性。準(zhǔn)東煤的R90由28%減小至10%,均勻性指數(shù)由0.45升高至1.2;堿溝煤的R90由40%左右減小至10%,均勻性指數(shù)由0.65升高至1.5。總體上堿溝煤的均勻性要好于準(zhǔn)東煤。

圖1 分離器轉(zhuǎn)速變化對(duì)R90和均勻性指數(shù)n的影響

由圖2可以看出,當(dāng)一次風(fēng)量分別為70 t/h和80 t/h,磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度的調(diào)整范圍為70～80 ℃時(shí),準(zhǔn)東煤和堿溝煤呈現(xiàn)出不同的變化特性。溫度升高的過(guò)程中,準(zhǔn)東煤和堿溝煤的R90出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。準(zhǔn)東煤R90由23%降低至21%,均勻性指數(shù)由0.7降低至0.62;堿溝煤的R90由25%左右升高至40%,均勻性指數(shù)由1.0降低至0.6～0.9。

由圖3可以看出,保持動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速在350 r/min,磨煤機(jī)出力在30～40 t/h之間變化,一次風(fēng)量調(diào)整范圍為70～80 t/h時(shí),準(zhǔn)東煤和堿溝煤的R90也呈現(xiàn)不同的變化特性。準(zhǔn)東煤R90隨著出力的變化基本保持不變,均勻性指數(shù)小幅下降;堿溝煤的R90隨著出力增加呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),均勻性指數(shù)也小幅下降。但是堿溝煤的均勻性指數(shù)顯著高于準(zhǔn)東煤。假設(shè)R90為22%,當(dāng)n=0.9時(shí),根據(jù)均勻性指數(shù)公式計(jì)算得到R200=4.3%;當(dāng)n=0.66時(shí),計(jì)算得到R200=7.7%。兩者的R200差值為3.4%,即直徑大于200 μm煤粉的比例增加了3.4%。

使用堿溝煤,隨著磨煤機(jī)出口溫度升高,R90不斷增加。這在一定程度上緩解了著火速度加快、火焰溫度升高對(duì)火焰射流衰減加快的影響。使用準(zhǔn)東煤,隨著磨煤機(jī)出口溫度的升高,R90不斷降低。隨著溫度升高,著火速度加快,火焰的射流行程縮短。而煤粉粒度減小又使得顆粒前沖的慣性減小,增加了煤粉在水冷壁區(qū)域結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。所以在使用準(zhǔn)東煤過(guò)程中,采用相對(duì)較低的一次風(fēng)溫度,對(duì)緩解爐膛結(jié)渣更加有利。

圖2 磨煤機(jī)出口溫度變化對(duì)R90和均勻性指數(shù)的影響

圖3 一次風(fēng)量變化對(duì)R90和均勻性指數(shù)n的影響

隨著磨煤機(jī)出力的增加,準(zhǔn)東煤的均勻性指數(shù)與堿溝煤相比明顯降低。均勻性指數(shù)低意味著大顆粒煤粉的比例增加,煤粉在爐膛的燃燒需要更長(zhǎng)的燃盡時(shí)間。

在鍋爐增負(fù)荷時(shí),煙氣量增加,煤粉在爐膛里的停留時(shí)間縮短。準(zhǔn)東煤的大顆粒煤粉在到達(dá)爐膛出口如果沒(méi)有完全燃盡時(shí),極容易在屏式過(guò)熱器發(fā)生黏結(jié)。由于準(zhǔn)東煤灰黏性較大[6],一旦發(fā)生結(jié)渣就難以清除。因此,如何提高大顆粒煤粉的燃盡速度,同時(shí)避免著火速度過(guò)快導(dǎo)致小顆粒煤粉在水冷壁結(jié)渣成為保障鍋爐安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

3 熱重測(cè)量試驗(yàn)

為進(jìn)一步掌握準(zhǔn)東煤和堿溝煤的燃燒特性差異,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中使用的準(zhǔn)東煤和設(shè)計(jì)使用的堿溝煤進(jìn)行了熱重特性測(cè)量試驗(yàn)。表1是試驗(yàn)樣本對(duì)應(yīng)的工況條件及試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的主要數(shù)據(jù)。

表1 準(zhǔn)東煤、堿溝煤熱重測(cè)量對(duì)比

熱重測(cè)量結(jié)果反映出準(zhǔn)東煤和堿溝煤在燃燒性能方面存在以下特點(diǎn)。

(1) 煤粉細(xì)度R90相近的情況下,準(zhǔn)東煤兩種樣本的著火溫度的平均值較堿溝煤偏低約25 K。這反映出準(zhǔn)東煤較堿溝煤具有更快的著火速度。當(dāng)準(zhǔn)東煤的煤粉細(xì)度R90減小時(shí),著火溫度會(huì)降低更多,而且準(zhǔn)東煤的相對(duì)密度較小,一旦煤粉偏細(xì),著火速度較快,很容易發(fā)生燃燒的煤粉顆粒受火焰氣流卷吸作用在水冷壁區(qū)域發(fā)生黏結(jié)、結(jié)渣的情況。所以運(yùn)行過(guò)程中細(xì)煤粉細(xì)度不宜過(guò)高。

(2) 準(zhǔn)東煤和堿溝煤兩種樣本的最大失重率的平均值較為接近,反映出兩種煤在燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的最大熱強(qiáng)度相對(duì)較為接近。

(3) 準(zhǔn)東煤的燃盡速度(失重速率)較堿溝煤明顯偏低。同等條件下,準(zhǔn)東煤兩種樣本在800 ℃時(shí)失重率的平均值較堿溝煤低9.15%,燃盡過(guò)程的平均失重速率的平均值低11.03%。相同燃燒工況條件下,相同顆粒直徑煤粉在爐膛出口達(dá)到相同的燃盡程度,準(zhǔn)東煤的燃盡時(shí)間需要增加11.03%。高負(fù)荷條件下,磨煤機(jī)在出力較高時(shí),堿溝煤的均勻性指數(shù)為0.9～1.0,準(zhǔn)東煤的均勻性指數(shù)為0.6～0.7。如果考慮到磨煤機(jī)出口煤粉均勻性指數(shù)降低帶來(lái)的大顆粒煤粉數(shù)量和尺寸增加的影響,準(zhǔn)東煤煤粉在爐膛內(nèi)燃盡將會(huì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)于300 MW等級(jí)鍋爐20 m左右的燃盡高度而言,燃盡高度至少需要增加2.5 m以上。這一問(wèn)題是制約現(xiàn)役鍋爐在額定負(fù)荷下提高準(zhǔn)東煤燃燒比例的關(guān)鍵之一。如何保證準(zhǔn)東煤煤粉顆粒在爐膛出口達(dá)到足夠的燃盡程度是防止屏式過(guò)熱器結(jié)渣的關(guān)鍵因素。

4 煤粉粒徑分布測(cè)量

磨煤機(jī)使用準(zhǔn)東煤,在出力為40 t/h時(shí),試驗(yàn)煤粉樣本通過(guò)TSM型激光粒度儀測(cè)量得到的煤粉粒徑分布曲線如圖4所示。測(cè)量結(jié)果顯示,準(zhǔn)東煤煤粉在300～400 μm粒徑區(qū)間存在粒徑分布異常的現(xiàn)象。這些大顆粒煤粉在到達(dá)爐膛出口時(shí),由于不能完全燃燒,一方面會(huì)導(dǎo)致飛灰含碳量升高,另一方面正在燃燒的煤粉更加容易在屏式過(guò)熱器表面形成結(jié)渣。

圖4 煤粉粒徑分布測(cè)量結(jié)果

根據(jù)制粉系統(tǒng)特性試驗(yàn)的結(jié)果,利用機(jī)組停機(jī)檢修的機(jī)會(huì)對(duì)所有磨煤機(jī)的分離器進(jìn)行了內(nèi)部檢查,發(fā)現(xiàn)在分離器內(nèi)有異物堵塞的現(xiàn)象。在異物清理完畢后,再次使用TSM型激光粒度儀對(duì)煤粉樣本進(jìn)行了粒徑測(cè)量,其結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,大顆粒煤粉異常升高的問(wèn)題消失了。

圖5 異物清理后煤粉粒徑分布測(cè)量結(jié)果

5 制粉系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)制粉系統(tǒng)試驗(yàn)的結(jié)果,對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行了以下調(diào)整:采用了分磨摻燒的運(yùn)行方式,即單臺(tái)磨煤機(jī)使用100%的準(zhǔn)東煤或者其他煤種;磨煤機(jī)使用準(zhǔn)東煤時(shí),磨煤機(jī)出口溫度較使用堿溝煤時(shí)偏低5～8 K;相同出力條件下,使用準(zhǔn)東煤的磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速較堿溝煤磨煤機(jī)降低30 r/min,一次風(fēng)流量減少2～4 t/h;將相同條件下,使用準(zhǔn)東煤燃燒器的周界風(fēng)擋板開(kāi)度增加15%,輔助二次風(fēng)擋板開(kāi)度減小10%,以此來(lái)提高燃燒器出口的火焰剛性,減小水冷壁結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)調(diào)整后,準(zhǔn)東煤的燃用比例由優(yōu)化前的60%提高到80%;優(yōu)化后的飛灰含碳量較優(yōu)化前降低約2%。連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月后,鍋爐整體狀態(tài)保持穩(wěn)定,未發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)渣問(wèn)題。

6 結(jié) 論

(1) 相同制粉系統(tǒng)在使用準(zhǔn)東煤和堿溝煤時(shí),制粉系統(tǒng)特性存在明顯差異,使用準(zhǔn)東煤時(shí),需要適當(dāng)降低磨煤機(jī)出口溫度和動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速。

(2) 相同粒徑的準(zhǔn)東煤較堿溝煤著火溫度更低,但是其燃燒速度慢。需要更高的爐膛高度才能滿足準(zhǔn)東煤充分燃盡的需要。

(3) 分離器運(yùn)行不正?；蚨氯麜r(shí),會(huì)導(dǎo)致磨煤機(jī)出口大顆粒煤粉增加,飛灰含碳量升高,屏式過(guò)熱器受熱面結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)增大。因此,運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)分離器進(jìn)行定期檢查。

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