倉儲式制粉系統四角切圓燃燒鍋爐混煤摻燒方式探索

段學農,朱光明,賓誼沅,雷 霖,焦慶豐

(湖南省電力公司試驗研究院,湖南長沙 410007)

隨著國內火電廠建設規模的持續增加,發電燃煤需求增長迅猛,而我國煤炭資源分布極不均衡,“北多南少、西富東貧”,煤炭的生產和供應基本在中、西部地區,煤炭消費則主要在東部地區。國內多數地區,尤其是東部和中部地區,煤炭資源本身儲量少、開采程度高,造成煤炭資源逐漸枯竭,煤炭產量有下降趨勢。隨著經濟的高速發展,電力需求大幅增加,本地煤炭供應已不能滿足電廠正常生產要求,由于交通運輸能力的限制,電煤供應形勢日益緊張,目前越來越多的電廠在生產運行時很難燃用設計煤種,在現有燃煤條件下,為最大限度地保證鍋爐燃燒的穩定性、經濟性、安全性以及環保要求,混煤摻燒已成為火電廠的必然選擇。

湖南省電力公司試驗研究院在總結傳統混煤摻燒方式 “爐前摻配、爐內混燒”優缺點的基礎上,提出并實施了 “分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒”、“分磨制粉、倉內摻混、爐內混燒”等混煤摻燒新方式,成功地解決了傳統方式燃燒效率低、燃燒安全性差、摻配煤勞動強度大、輸配煤電耗高等難題。

倉儲式制粉系統四角切圓鍋爐是燃煤鍋爐中比較典型的爐型,其混煤摻燒方式的選取與摻混煤種的特性、粉倉與燃燒器連接方式、粉倉之間的聯絡方式等密切相關。文中重點闡述了倉儲式制粉系統四角切圓燃燒鍋爐粉倉與一次風火嘴的對應關系、粉倉間的輸粉方式對混煤摻燒方式的選取的影響,并在電站鍋爐上得到應用。

1 混煤摻燒方式選取的基本原則

1.1 傳統混煤摻燒方式的不足

傳統的混煤摻燒方式,即 “爐前摻配、爐內混燒”,是指燃料在進入原煤斗之前,通過各種手段按一定的比例混合,混配均勻的原煤在磨煤機中一同被磨制成粉,再送入爐內燃燒。從混煤摻燒理論上看這種方式充分利用了 “混煤的著火特性接近于易著火煤”的優點,有利于煤粉的著火和燃燒的穩定,但無法避免混煤的 “搶風”現象、可磨特性趨向于難磨煤種、燃盡特性接近于難燃盡煤種等不利因素。從實際應用上看存在以下問題:

1.1.1 現有的爐前摻混手段都很難保證煤質摻配的均勻性,摻配煤的管理難度也很大,勞動強度大,輸配煤設備運行時間長,廠用電增加。

1.1.2 如果混煤不均勻,煤質波動較大,會產生一系列的燃燒問題,如發生鍋爐局部甚至全爐膛滅火、鍋爐結焦垮焦、帶不起負荷。在極端情況下,如摻入優質煙煤比例太大、制粉系統參數控制不當,甚至會發生制粉系統爆炸、一次風管燒損等事故。

1.1.3 對于煤質特性差異較大的煤,特別是可磨性差異較大的煤,易磨的煤會 “過磨”,成粉樣中細粉比例大;而難磨的煤 “欠磨”,成粉樣中粗顆粒比例大,煤粉細度和均勻度均難以保證,從而導致飛灰含碳量、爐渣含碳量較高。

1.1.4 由于煙煤著火較迅速,將煤粉氣流周圍氧氣迅速燃燒,就算難著火煤種達到或超過了著火溫度,如果補氧不及時,也無法迅速著火,造成燃燒推遲,因此燃燒不完全。

1.2 新型混煤摻燒方式

為克服 “爐前摻配、爐內混燒”的上述不足,湖南省電力公司試驗研究院創造性地提出了 “分磨磨制”的方法,并根據粉倉之間的聯絡方式,提出并實施了 “分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒”,“分磨制粉、倉內摻混、爐內混燒”等混煤摻燒新方法。

1.2.1 分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒

磨煤機磨制各自選定的煤種,再輸入各自的粉倉,煤粉由不同的粉倉接到不同的燃燒器噴口,即不同的燃燒器所燃用的煤種不同,煤粉的混合在爐內完成。這種混合方式可根據鍋爐的不同溫度區域送入合適的煤種,以改善鍋爐的燃燒環境,例如:將易著火煤種送入下層燃燒器,以提高燃燒穩定性;將不易結渣的煤送入易結渣區域的燃燒器(燃燒器的中間 2層),以減小爐膛結渣問題發生的可能。

1.2.2 分磨制粉、倉內摻混、爐內混燒

磨煤機磨制各自選定的煤種,不同的煤粉輸入同一個煤粉倉,即煤粉的混合在煤粉倉內完成,各燃燒器燃用的是同樣的混煤。這種混合方式保留了混煤著火特性接近于易著火煤種的優點,同時由于分磨制粉可保證磨細難燃盡煤種,克服了可磨特性趨向于難磨煤種、混煤燃盡特性接近于難燃盡煤種的缺點。

1.3 混煤摻燒方式選取的基本原則

理論研究和實驗研究表明,混煤的著火特性接近于易著火煤種,可磨特性趨向于難磨煤種,燃盡特性接近于難燃盡煤種。在混摻燒方式的選取上必須充分利用著火特性接近于易著火煤種這一特性,以避免可磨特性趨向于難磨煤種,燃盡特性接近于難燃盡煤種的問題。

混煤摻燒實際應用中必須注意以下 4點:

(1)保證入爐煤質的相對穩定,避免煤質大幅度波動,提高鍋爐燃燒穩定性。

(2)保證難著火、難燃盡煤種煤粉細度,提高燃燒經濟性。

(3)考慮不同煤種燃燒器的均勻投入,以保證對難著火煤種的火焰支持,確保難著火煤種的著火、燃盡。

(4)要綜合考慮摻混煤種的著火、燃盡特性,合理進行二次風的分配,保證各煤種氧量的及時補充,確保燃燒效率。

2 中儲式制粉系統鍋爐粉倉與燃燒器連接的幾種典型布置方式

2.1 粉倉與燃燒器同邊連接

以湖南大唐某發電有限公司 1,2號鍋爐、湖南華電某發電有限公司 3,4號鍋爐為例,300 MW機組中儲式制粉系統、四角切圓鍋爐,配 4套制粉系統,A,B制粉系統和 C,D制粉系統分別對應1,2號 2個粉倉,1號粉倉通過一次風管與 1,2號角燃燒器 (爐左)相接,2號粉倉通過一次風管與 3,4號燃燒器 (爐右)相接。這種連接方式管道布置簡單,一次風速調平容易,但對混煤摻燒方式的適應性較弱。

2.2 粉倉與燃燒器對角連接

以某廠 300 MW機組倉儲式制粉系統、四角切圓鍋爐為例,4套制粉系統,A,B制粉系統和 C,D制粉系統分別對應 1,2號 2個粉倉,1號粉倉對應 2,4號角燃燒器 (對角),2號粉倉對應 1,3號角燃燒器 (對角)。這種管道連接方式簡單,同層一次風管長短偏差小,一次風速調平簡單,對混煤摻燒方式的適應性較好。

2.3 粉倉與燃燒器分層連接

湖南華潤某發電有限公司 300MW機組 1,2號鍋爐,倉儲式制粉系統、四角切圓鍋爐,配 4套制粉系統,A,B制粉系統和 C,D制粉系統分別對應 1,2號 2個粉倉,1號粉倉對應 A,B層燃燒器和 C1,C3燃燒器,2號粉倉對應D,E層燃燒器和 C2,C4燃燒器。

湖南大唐某發電有限公司 300MW機組 1,2號鍋爐,湖南經投某發電有限公司 300 MW機組 1,2號鍋爐,其粉倉與燃燒器的分層相接方式則是 1號粉倉對應 A,C層火嘴和 E2,E4燃燒器,2號粉倉對應 B,D層和 E1,E3燃燒器。

這種管道布置方式復雜,一次風速調平工作量大,一次風管阻力損失也較大,但對混煤摻燒方式的適應性較強,幾乎可適用于各種混煤摻燒方式。

3 倉儲式制粉系統粉倉與粉倉的聯絡方式

為保證 2個粉倉粉位的匹配,同爐 2個粉倉之間、甚至與鄰爐粉倉之間一般設置有相互輸粉的設備或裝置,主要有以下 2種。

3.1 輸粉機

最典型、最常見的粉倉與粉倉聯絡方式是輸粉機。輸粉機靈活、方便,但可靠性不高,維修也不方便,利用率不高。輸粉機無法實現兩粉倉間煤粉的同步摻混。

3.2 輸粉褲叉管

輸粉褲叉管是一種方便簡單、可靠性高的新裝置。湖南大唐某發電有限公司 1,2號鍋爐、湖南華電某發電有限公司 3,4號鍋爐,選取離 2個粉倉相近的 B,C制粉系統,將細粉分離器粉篩下的原單根落粉管設計為褲叉管并裝設調節檔板,使B,C制粉系統可單獨或同時向 1,2號粉倉輸粉,見示意圖 1。輸粉褲叉管裝置能較好地實現不同制粉系統所制煤粉的倉內摻混,并保證混合基本均勻。此外,通過調節擋板位置,還可實現粉位調節,避免頻繁啟停磨煤機。

圖 1 細粉分離器輸粉褲叉管示意圖

4 倉儲式制粉系統、四角切圓燃燒鍋爐混煤摻燒方式的選擇

4.1 粉倉與燃燒器同邊連接時混煤摻燒方式的選取

在粉倉與燃燒器同邊連接系統中,沒有實現倉內摻混手段時,只能選取 “爐前摻混、爐內混燒”,不能選用 “分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒”,否則,將會出現鍋爐半邊爐燒好煤,另半邊爐燒差煤的情況,產生燃燒穩定性變差、汽溫、煙溫左右偏差大、飛灰含碳量分布不均勻且整體高等一系列問題。

如果有實現倉內摻混的輸粉褲叉裝置,最佳的混煤摻燒方式是 “分磨制粉、倉內摻混、爐內混燒”,華電某發電有限公司 3,4號鍋爐采用該混煤摻燒方法,取得了良好的效果;如果摻混煤種差異不大亦可采用 “爐前摻混,爐內混燒”,大唐某發電有限公司 1,2號鍋爐就采用這種混煤摻燒方式。

4.2 粉倉與燃燒器對角連接時混煤摻燒方式的選取

在粉倉與燃燒器對角連接系統中,如果摻混原煤可磨性差異不大、又能保證摻混基本均勻,可優先采用 “爐前摻混,爐內混燒”。

如果原煤可磨性差異大、又裝有輸粉庫叉裝置,建議采用 “分磨制粉,倉內摻混,爐內混燒”。

如果混煤可磨性差異大、又沒有輸粉褲叉裝置時,建議采用 “分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒”,此時,一個對角燒好煤,另一個對角燒差煤,2個對角可根據各自煤種的燃燒特性采用不同的煤粉細度和配風方式,燒好煤的火焰對燒差煤的一次風射流起火焰支持作用,依然能保證燃燒的穩定。

4.3 粉倉與燃燒器分層連接時混煤摻燒方式的選取

在粉倉與燃燒器分層連接系統中,如果混煤的可磨性差異不大、又能保證摻混基本均勻,可優先采用 “爐前摻混、爐內混燒”,如大唐湖南某發電有限公司 1,2號鍋爐就長期使用該混煤摻燒方式。

如果混煤的可磨性差異大、又裝設有輸粉褲叉裝置,建議采用 “分磨制粉、倉內摻混、爐內混燒”。如華電湖南某發電有限公司 3,4號鍋爐就采用該混煤摻燒方式成功地摻燒了晉城無煙煤,使飛灰含碳量由 “爐前摻混,爐內混燒”的 20%降到了 10%以下。

如果混煤的可磨性差異大、又沒有裝輸粉褲叉裝置,建議采用 “分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒”,此時,某 2層半火嘴燒好煤、另外 2層半火嘴燒差煤,可根據各自煤種的燃燒特性采用不同的煤粉細度和配風方式,上下層之間的火焰支持力度也很大,鍋爐燃燒較穩定。湖南華潤某發電有限公司 1,2號鍋爐、湖南經投某發電有限公司 1,2號鍋爐就長期采用 “分磨制粉、分倉儲存、爐內摻燒”的方式。

5 結 論

5.1 倉儲式制粉系統鍋爐混煤摻燒方法各種各樣,應根據摻混煤種的可磨性、著火特性、燃盡特性,以及煤種摻混設備、粉倉與燃燒器的連接方式等綜合考慮,選取合適的混煤摻燒方法。

5.2 新建火電廠采用倉儲式制粉系統鍋爐設計時,應充分考慮混煤摻燒需要,建議粉倉與燃燒器的連接方式以分層連接或對角連接為宜,非特殊情況不采用同邊連接方式。

5.3 鑒于“分磨制粉、倉內摻混、爐內混燒”混煤摻燒方法的優勢,建議新建火電廠設計選型時或有條件進行制粉系統設備改造的在役火電廠,在細粉分離器下增設輸粉褲叉管,以獲得倉內摻混手段,提高煤粉摻混質量,保證鍋爐燃燒穩定性和發電機組的安全經濟運行水平。

〔1〕段學農,朱光明,焦慶豐,等.電站鍋爐混煤摻燒技術研究與實踐 〔J〕.中國電力,2008,41(6),51-54.

〔2〕湘電技中 〔2007〕18號,湖南省電力系統技術中心:湖南省電站鍋爐混煤摻燒指導性意見.

〔3〕侯棟岐,馮金梅,陳春元,等.混煤煤粉著火和燃盡特性的試驗研究 〔J〕.電站系統工程,1995,11(2),30-34.

〔4〕鐘德惠,丘紀華.可磨性對混煤燃燒特性的影響 〔J〕.電站系統工程,2003,19(2),13-14.

〔5〕高正陽,方立軍,周健,等.混煤燃燒特性的熱重試驗研究〔J〕.動力工程,2002,22(3),1 764-1768.