600MW機組鍋爐飛灰可燃物含量高原因及對策

劉學增,徐國軍,馮軍文

（1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006; 2.華能國際電力股份有限公司大連電廠,遼寧 大連 116100）

某電廠一期2臺600 MW超臨界燃煤發電機組飛灰可燃物含量一直居高不下,且隨著機組負荷的升高,飛灰可燃物含量呈上升趨勢,曾達20%左右,僅飛灰未完全燃燒熱損失一項就使鍋爐熱效率降低近2個百分點,機組供電煤耗增加近6 g/kWh。針對上述問題,從運行、管理、設計、維護等方面對影響鍋爐燃燒的因素進行了系統分析,并根據分析結果提出了降低飛灰可燃物含量的建議,供摻燒無煙煤的機組在經濟、安全運行方面參考。

1 鍋爐設備概況

1.1 設備簡介

鍋爐為超臨界變壓直流本生型,采用一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結構,煙氣擋板用于調節再熱汽溫,固態排渣,平衡通風,露天布置。燃用貧煤、煙煤的混合煤種。

鍋爐過熱器系統受熱面由四部分組成,第一部分為頂棚及后豎井煙道四壁及后豎井分隔墻;第二部分為布置在尾部豎井煙道內的水平對流過熱器;第三部分為位于爐膛上部的屏式過熱器;第四部分為位于折焰角上方的末級過熱器。過熱器按蒸汽流程分為頂棚過熱器、包墻過熱器/分隔墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器及末級過熱器。過熱蒸汽溫度通過水/煤比和兩級噴水減溫控制;再熱汽溫通過布置在低溫再熱器和省煤器后的平行煙氣擋板來調節,通過調節煙氣擋板開度的大小來控制流經后豎井水平再熱器管束及過熱器管束煙氣量的多少,從而控制再熱蒸汽出口溫度。

爐膛四周為全焊式膜式水冷壁,爐膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁2種不同的結構組成,兩者間由過渡水冷壁轉換連接。

鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統,配6臺磨煤機,1臺備用。采用前后墻對沖燃燒方式,24只旋流燃燒器分3層布置在爐膛前后墻上。旋流燃燒器中空氣被分為3股：直流一次風、直流二次風和旋流三次風。燃燒器上部布置有12只燃燼風（OFA）風口,燃燼風包含2股獨立氣流;中央部位為非旋轉氣流,直接穿透爐膛中心;外圈氣流是旋轉氣流,用于和靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進行混合。

1.2 鍋爐主要設計參數（見表1）

表1 鍋爐主要設計參數

1.3 設計燃料特性（見表2）

表2 設計燃料特性

2 飛灰可燃物含量高原因分析

一般情況下,飛灰可燃物含量的高低與鍋爐燃煤特性、配風情況、煤粉細度、鍋爐主輔設備是否存在缺陷等有關。經過多次試驗分析確認,鍋爐摻燒揮發分含量較低的無煙煤是飛灰可燃物含量高的主要原因。

圖1是該廠1號爐不同負荷下鍋爐飛灰可燃物含量的柱狀趨勢圖,由圖1可見,飛灰可燃物含量高達7%～10%,且隨著負荷升高,飛灰可燃物含量也隨之升高,機組滿負荷時飛灰可燃物含量最高。以下就影響飛灰可燃物含量的主要因素進行分析。

圖1 飛灰可燃物含量與負荷變化關系柱狀圖

2.1 鍋爐燃煤特性對飛灰可燃物含量的影響

鍋爐設計燃用貧煤、煙煤的混合煤種,但機組投運后,一直燃用10余種混煤,其中包含無煙煤,其特點是碳化程度高,揮發分含量不足10%,揮發分析出溫度高（500～700℃）,著火困難。

為保證鍋爐燃燒穩定,下層燃燒器配煤揮發分較高,中層燃燒器配煤揮發分次之,上層燃燒器燃用揮發分最低的無煙煤。機組低負荷運行時,一般采用中、下兩層燃燒器運行方式;高負荷運行時,采用上、中、下三層燃燒器運行方式,即為圖1中低負荷時飛灰可燃物含量相對低,高負荷時飛灰可燃物含量偏高的原因,均為燃用無煙煤所致。上層燃燒器燃煤量所占比例越大,飛灰可燃物含量越高。

飛灰可燃物含量的高低是由煤粉的燃燼程度決定的,與煤化程度、煤的組分、巖相結構、礦物組分及研磨細度有關,還與爐內空氣動力學和熱動力因素有關,爐內停留時間和爐膛壓力對其也有一定作用。國內常用Vdaf來判別煤粉的燃燼程度,但該指標未考慮不同煤粉細度對煤粉燃燼程度的影響,因此在同一條件下,采用Vdaf來判別褐煤和煙煤的煤粉燃燼程度不適宜。美國和日本常用燃料比R作為判別可燃性的指標,比單純用揮發分作判別分辨率更高。

式中 Cgd——固定碳,%;

V——揮發分,%（Cgd和V是同一基準）。

利用燃料比判別燃料的可燃性,有如下關系：

R＜4（易燃）

R=4～9（中等）

R＞9（難燃）

表3是該電廠和其它電廠所燒煤質的燃料比及飛灰可燃物含量表,由表3可見,電廠混煤屬中等燃燒煤,無煙煤屬難燃煤,鐵法煤和神華混煤都屬易燃煤。根據燃料比,通過圖2飛灰可燃物含量與燃料比的關系曲線可查得,電廠燒混煤其飛灰可燃物含量為10%左右,與目前實際測試的飛灰可燃物含量基本一致,表明該廠鍋爐飛灰可燃物含量高主要是燃用無煙煤所致。

2.2 運行調整不當對飛灰可燃物含量的影響

a.煤粉細度對飛灰可燃物含量的影響

適宜的煤粉細度是鍋爐燃燒、燃燼的必要保證,既能提高機組的穩燃能力,又能使鍋爐高效、清潔燃燒。

表3 部分電廠所燒煤質的燃料比

圖2 飛灰可燃物含量與燃料比的關系

表4是該廠1號爐各臺磨煤機的煤粉細度匯總表,由表4可見,6臺磨的煤粉細度R75在15%～18%,低于設計值20%,即低于200目篩子煤粉通過率是80%這一指標。因此,單從設計指標上看,煤粉細度并不粗。但機組自投產以來,鍋爐并未燃用設計煤種,而一直燃用當地和其它地區10余種混煤,鍋爐燃煤特性已發生很大變化,因而煤粉細度也應隨煤質特性的變化而改變。

表4 磨煤機煤粉細度匯總

根據《電站磨煤機及制粉系統選型導則》（DL/T466—2004）,對于固態排渣煤粉爐,燃用無煙煤、貧煤和煙煤時,在無燃燼率指數BP的分析值時,煤粉細度按以下公式選取：

式中 R90——用90μm篩子篩分時篩上剩余量占煤粉總量的百分比,%;

n——煤粉均勻性指數;

Vdaf——煤的干燥無灰基揮發分,%。由公式（2）可見,煤粉細度主要與Vdaf有關。按照目前Vdaf含量,依據公式（2）算得電廠混煤的煤粉細度R90應為9%左右（n取1.2）,換算到R75約為14.4%;單燒無煙煤的煤粉細度R90應為5%左右,換算到R75約為9%。由計算結果可見,目前2臺爐燃用混煤所保持的煤粉細度略粗;而上層燃燒器燃用無煙煤的煤粉細度則明顯偏粗,上層燃燒器投運后飛灰可燃物含量偏高。

由圖2可見,降低煤粉細度能降低飛灰可燃物含量。若將煤粉細度R75降到10%以下,飛灰可燃物含量將大幅度降到5%以下,無疑可使鍋爐效率提高1個百分點以上,這對機組的經濟運行是有利的。但是降低煤粉細度會降低磨煤機出力,尤其目前在2臺爐上層磨煤機出力不足40 t/h（設計56.8 t/h）的情況下,繼續降低煤粉細度并不現實。

b.爐膛出口氧量控制水平對飛灰可燃物含量的影響

爐膛出口煙氣含氧量是運行人員監測鍋爐運行的一個重要指標,如果爐膛出口氧量偏小,煤粉燃燒缺氧,燃燒不充分,灰渣可燃物含量高,鍋爐熱效率低;如果爐膛出口氧量過大,不利于煤粉著火和燃燒,增加送、引風機電耗,加速尾部受熱元件磨損,影響機組經濟性。

圖3為爐膛出口氧量控制參數與飛灰可燃物含量的關系圖。當機組負荷為470 MW,氧量升至4.2%時,CO含量從300～1 400μL/L降至60μL/ L以下,飛灰可燃物含量相對偏低,說明鍋爐采用稍高的運行氧量時,對降低飛灰可燃物含量乃至CO含量是有利的。目前鍋爐運行氧量要求控制在3.8%（表盤比實測偏高0.5個百分點）,從試驗結果上看略低。

圖3 飛灰可燃物含碳量與氧量關系柱狀圖

綜上所述,該廠一期2臺鍋爐飛灰可燃物含量高的原因是摻燒無煙煤,而爐膛出口煙氣含氧量保持偏低又使這一問題更加嚴重。按《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》規定,燃用無煙煤,宜采用球磨制粉系統、W型爐,無煙煤的煤粉細度應按公式（2）選取,采用目前的煤粉細度對無煙煤偏粗,但降低煤粉細度又受到磨煤機出力不足的限制,總體來說,該廠一期2臺鍋爐不適合摻燒無煙煤。

二期3號、4號機組與一期1號、2號機組除制粉系統不同外,其它方面都是相同的。從設計方面比較來看,二期采用雙進雙出鋼球磨直吹式制粉系統,要比一期采用中速磨直吹式制粉系統更適合摻燒晉城無煙煤,多次對比試驗的結果也驗證了結論的正確性（在配煤方式相同情況下,二期2臺機組可將煤粉細度R75降至5%以下,仍能保證機組滿出力運行,且飛灰可燃物含量在6%左右）。建議二期2臺機組多燃用無煙煤,而一期則少燃用或不燃用該煤種,采用這種配煤方式,可使一期2臺鍋爐飛灰可燃物含量降低約3個百分點,鍋爐熱效率提高約1個百分點。

3 磨煤機出力不足的原因分析

該廠磨煤機設計基本出力為50.9 t/h,最大出力是58.6 t/h,目前1號、2號機組磨煤機單燒無煙煤其出力不足40 t/h,磨煤機出力偏低。

式（3）是磨煤機碾磨出力計算公式。由式（3）可見,影響磨煤機出力的因素分別為可磨性指數、煤粉細度、原煤水分、原煤灰分、原煤粒度及碾磨件磨損等。表5是磨煤機出力與其修正系數匯總表。表5中,可磨性系數為80的是中下兩層磨的混合煤樣化驗結果,可磨性系數為60的是上中下三層磨的混合煤樣化驗結果,通過對比可見,無煙煤的可磨性系數遠小于64,據此計算上層磨出力不會超過40 t/h,而中下層磨煤機出力為50～57 t/h,理論計算與實際情況相吻合。由此可推斷,磨煤機出力不足是燃用無煙煤所致。

表5 靡煤機出力及修正系數匯總表