鍋爐制粉系統(tǒng)混煤摻燒防爆機(jī)理研究及工程實(shí)踐

王承亮

摘 要：為降低燃煤采購成本和適應(yīng)煤炭市場(chǎng)變化，發(fā)電廠都在最大限度地進(jìn)行高揮發(fā)分煙煤或褐煤的變煤種摻燒，這對(duì)改善燃料供應(yīng)緊張局面、降低發(fā)電成本、提高電廠經(jīng)濟(jì)效益具有顯著意義；但同時(shí)出現(xiàn)了高揮發(fā)分煤種摻燒在制粉過程中引發(fā)的制粉系統(tǒng)爆炸等安全性問題；本文進(jìn)行了鍋爐制粉系統(tǒng)防爆機(jī)理研究，確定了制粉系統(tǒng)防爆治理技術(shù)方向，并結(jié)合電廠生產(chǎn)實(shí)際提出了不同的制粉系統(tǒng)防爆技術(shù)改造技術(shù)路線，進(jìn)一步通過技術(shù)分析確定了優(yōu)先采用冷爐煙再循環(huán)防爆治理技術(shù)路線，并結(jié)合某電廠實(shí)際成功實(shí)施了冷爐煙再循環(huán)防爆技術(shù)改造，從而實(shí)現(xiàn)高揮發(fā)分煤種混燒的制粉系統(tǒng)的安全、環(huán)保和高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：爆炸 冷爐煙 摻燒 制粉系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（c）-0042-04

Abstract： In order to reduce the cost of coal purchasing and adapt to the changes of coal market， all power plants are blending high volatile bituminous coal or lignite to the greatest extent， which is significant to improve the tight fuel supply situation， and reduce the cost of power generation， and improve the economic benefits of power plants； but at the same time， Safety problems such as explosion of pulverizing system caused by blending of high volatile coal. This paper studies the explosion-proof mechanism of the pulverizing system of the boiler， determines the technical direction of explosion-proof treatment of the pulverizing system， and combined with the actual production of the power plant， this paper puts forward different technical routes of pulverizing system explosion-proof transformation； Furthermore， through technical analysis， the paper is determined firstly adopt the pulverizing system explosion-proof technical line with cold flue gas recycling.and combining with the actual situation of a power plant， the technical route of explosion-proof treatment of cold furnace flue gas recycling has been successfully carried out， So as to realize the safe， environmental protection and efficient operation of the pulverizing system with high volatile coal mixed combustion.

Key Words： Explosion； Cold furnace flue gas； Mixed Coal Combustion； Pulverizing system

近年來，為了降低燃煤采購成本，適應(yīng)煤炭市場(chǎng)變化，各發(fā)電廠都在最大限度地進(jìn)行高揮發(fā)分煙煤和褐煤的變煤種摻燒[1]，這對(duì)改善燃料供應(yīng)緊張局面、降低發(fā)電成本、提高電廠經(jīng)濟(jì)效益具有顯著意義；但是同時(shí)，由于高揮發(fā)分煤種摻燒在制粉過程中引發(fā)的制粉系統(tǒng)爆炸等安全性問題則越來越受到關(guān)注。因此，在變煤種或進(jìn)行煙/褐煤摻燒的機(jī)組上，如何提高制粉系統(tǒng)防爆性能亟待研究解決。本文重點(diǎn)從采用冷爐煙再循環(huán)送粉技術(shù)提高制粉系統(tǒng)防爆性能機(jī)理研究出發(fā)，提出具體實(shí)施方案并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施。

1 高揮發(fā)分煤種條件下的制粉系統(tǒng)爆燃問題

高揮發(fā)分的特點(diǎn)賦予了該類煤較好的著火和燃盡特性，但是對(duì)現(xiàn)有的制粉系統(tǒng)的安全性卻帶來極大隱患，燃煤的爆炸性與煤的干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf基本成線性正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)燃煤Vdaf<10%時(shí)，屬于難爆煤種；當(dāng)燃煤Vdaf>25%時(shí)，屬于極易爆煤種。我國(guó)當(dāng)前大型燃煤鍋爐的主力煤種的干燥無灰基揮發(fā)分普遍高于25%以上，因此制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行將成為我國(guó)大型燃煤鍋爐需要面臨的普遍性問題。

隨著單機(jī)容量的增大，為保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、合理地運(yùn)行，對(duì)制粉系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能和運(yùn)行調(diào)節(jié)提出了更高更新的要求。對(duì)目前高揮發(fā)分煤種普遍采用的直吹式制粉系統(tǒng)的大容量鍋爐而言，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)產(chǎn)生爆燃則會(huì)設(shè)備損壞，并危及現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全，嚴(yán)重影響到制粉系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。即使不考慮機(jī)組突然停運(yùn)給電網(wǎng)帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)，單以一臺(tái)300MW機(jī)組為例，非計(jì)劃停運(yùn)一次造成損失最少為200萬元，機(jī)組容量越大，非計(jì)劃停運(yùn)造成損失也越大。此外，由于制粉系統(tǒng)的出力直接影響鍋爐燃燒工況的穩(wěn)定性，一旦發(fā)生異常，將直接對(duì)鍋爐燃燒工況產(chǎn)生影響，而從著火溫度與爆炸性指數(shù)的關(guān)系可以看出，隨著爆炸性指數(shù)的下降，煤粉氣流的著火溫度也愈發(fā)增大，即意味著會(huì)影響到煤粉氣流的著火，從而影響煤粉的燃燒效率。經(jīng)近5年以來統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，高揮發(fā)分煙煤或褐煤變煤種摻燒的燃煤鍋爐制粉系統(tǒng)約30%以上發(fā)生過不同程度的爆燃問題，嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行。因此，在低階煤越來越多被開發(fā)利用的現(xiàn)狀下，研究如何防止高揮發(fā)分煤種的制粉系統(tǒng)發(fā)生爆燃意義重大。通常認(rèn)為煤粉濃度、含氧量和風(fēng)粉混合物溫度是制粉系統(tǒng)發(fā)生爆燃的三個(gè)必要因素，而磨煤機(jī)和輸粉管道內(nèi)煤粉的沉積和自燃也往往成為在制粉系統(tǒng)爆燃的直接誘因。

2 抑爆機(jī)理及制粉系統(tǒng)抑爆氣體的選擇

制粉系統(tǒng)發(fā)生爆炸的威脅主要來源于煤粉及其揮發(fā)釋放的CO、H2及其他碳?xì)浠衔镉龅礁邷鼗蛎骰鸢l(fā)生局部燃燒，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)制粉系統(tǒng)的爆燃。

N2及CO2氣體各自單獨(dú)對(duì)CH4/air爆炸強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖1所示，可見不論是N2還是CO2均可以明顯降低CH4/air的爆炸強(qiáng)度，且隨著混合物中加入N2和CO2含量的增加，爆炸強(qiáng)度逐漸降低。對(duì)比兩種氣體的抑爆性能，發(fā)現(xiàn)在相同的摻混比例下，CO2對(duì)CH4/air混合物爆炸強(qiáng)度的抑制作用大于N2，這是由于CO2相比N2比熱容大，因而CO2可以更加明顯的降低火焰溫度。

將CO2和N2按照一定比例混合，混合物作為抑爆劑填入CH4中，這時(shí)混合物的爆炸強(qiáng)度曲線如圖2所示。可見，對(duì)于相同總含量的抑爆氣體，其中CO2的比例越高，其抑爆能力越強(qiáng)，混合物的爆炸強(qiáng)度也就越低。這也說明了CO2相比N2擁有更強(qiáng)的抑爆能力。

有以上分析知，CO2和N2對(duì)于CO、H2及CH4等可燃?xì)饩哂惺謨?yōu)良的抑爆能力。電站鍋爐的煙氣中這兩種氣體的含量很高，因而十分適合作為抑爆氣用于制粉系統(tǒng)的抑爆。環(huán)境溫度對(duì)可燃?xì)怏w的爆燃規(guī)律是溫度越低系統(tǒng)的爆炸危險(xiǎn)性也越低，因而冷爐煙氣相比熱煙氣具有更為明顯的抑爆性能優(yōu)勢(shì)，故優(yōu)先選用冷爐煙作為制粉系統(tǒng)抑爆介質(zhì)。

3 制粉系統(tǒng)抑爆改造現(xiàn)有技術(shù)分析

參照國(guó)內(nèi)同類型改造工程經(jīng)驗(yàn)，鍋爐改燒煙煤（或褐煤摻燒）技術(shù)中，對(duì)于制粉系統(tǒng)的改造有兩類技術(shù)[2]，一類將中間儲(chǔ)倉式制粉系統(tǒng)改造為直吹式制粉系統(tǒng)，并對(duì)鍋爐燃燒器進(jìn)行相應(yīng)改造；第二類是將中間儲(chǔ)倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)改造為乏氣送粉系統(tǒng)。

（1）直吹式制粉系統(tǒng)改造。

采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，則需要重新配置制粉系統(tǒng)，現(xiàn)有原煤倉需要更改，粉倉、鋼球磨、排粉機(jī)、粗細(xì)粉分離器、給粉機(jī)、乏氣管和乏氣噴口等予以拆除，同時(shí)增加相應(yīng)給煤機(jī)和中速磨，增加一層一次風(fēng)噴口和對(duì)應(yīng)粉管，一次風(fēng)機(jī)、空預(yù)器、風(fēng)系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)都需要進(jìn)行大的調(diào)整。這種改造方式改造工作量大、投資大、施工周期長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)布置較為困難，同時(shí)改造后基本上只能燃用煙煤，原有貧煤和無煙煤不能燃用，改造對(duì)鍋爐的風(fēng)險(xiǎn)較大。如果采用雙進(jìn)雙出直吹式制粉系統(tǒng)進(jìn)行改造，則既可以磨制煙煤，也可以磨制貧煤，但改造工作量和改造帶來的風(fēng)險(xiǎn)不低于中速磨制粉系統(tǒng)的改造，同時(shí)制粉系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

（2）乏氣送粉系統(tǒng)改造。

采用乏氣送粉系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有制粉系統(tǒng)進(jìn)行改造，一般性的改造需要拆除現(xiàn)有一次風(fēng)道和一次風(fēng)機(jī)，同時(shí)只能磨制和燃用煙煤，喪失了燃用貧煤和無煙煤的能力。在一臺(tái)磨停止后，為保證乏氣風(fēng)箱壓力，排粉機(jī)不能停，需要摻入冷風(fēng)保證風(fēng)溫，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。乏氣送粉系統(tǒng)改造對(duì)現(xiàn)有一次風(fēng)系統(tǒng)影響較大，需要拆除一次風(fēng)機(jī)，改造空預(yù)器，增加送風(fēng)機(jī)出力改造。為了克服以上的技術(shù)問題，減少改造工作量，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提出了第三種改造技術(shù)：冷爐煙再循環(huán)送粉技術(shù)。

（3）冷爐煙再循環(huán)送粉技術(shù)。

冷爐煙再循環(huán)送粉技術(shù)以中儲(chǔ)式球磨機(jī)熱風(fēng)送粉貧煤制粉系統(tǒng)為原型，從引風(fēng)機(jī)出口經(jīng)冷爐煙風(fēng)機(jī)抽取部分低溫爐煙作為惰性介質(zhì)和部分干燥介質(zhì)，與取自空氣預(yù)熱器出口的熱風(fēng)以及冷空氣混合進(jìn)入磨煤機(jī)干燥和輸送煤粉[3]。同時(shí)，將排粉機(jī)出口部分乏氣風(fēng)經(jīng)過旁路管道引至熱一次風(fēng)機(jī)入口，與熱風(fēng)混合進(jìn)入一次風(fēng)箱輸送煤粉，降低一次風(fēng)粉混合物溫度和系統(tǒng)氧濃度。

該技術(shù)通過冷爐煙與熱一次風(fēng)的混合，降低了制粉系統(tǒng)的含氧量，能夠滿足磨制煙煤的防爆要求。另外，將排粉機(jī)出口部分乏氣引至熱一次風(fēng)機(jī)入口，可以降低一次風(fēng)粉混合物溫度和系統(tǒng)氧濃度，滿足了煙煤輸送的防燃防爆要求。技術(shù)實(shí)施中在冷爐煙系統(tǒng)和乏氣旁路系統(tǒng)均裝設(shè)有擋板門，通過擋板門的開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)原有熱風(fēng)送粉貧煤系統(tǒng)與冷爐煙再循環(huán)送粉系統(tǒng)的切換，既能適應(yīng)原有貧煤又適應(yīng)煙煤或煙煤摻燒褐煤。

4 某煙氣再循環(huán)技術(shù)在制粉系統(tǒng)抑爆中的應(yīng)用案例

（1）機(jī)組概況。

某電廠6號(hào)鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG-1025/16.7-M313UP型亞臨界壓力再熱式直流鍋爐，單爐膛，固態(tài)排渣煤粉爐。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，煤粉燃燒器為直流式噴燃器，每組燃燒器由12層噴嘴組成，其中煤粉燃燒器5層，二次風(fēng)噴嘴7層。制粉系統(tǒng)采用鋼球磨煤機(jī)中間儲(chǔ)倉式熱風(fēng)送粉方式，每臺(tái)爐配4臺(tái)磨煤機(jī)，2個(gè)煤粉倉。鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)為晉北煙煤，工業(yè)分析見表1所示。

（2）制粉系統(tǒng)存在爆炸安全問題。

受煤炭供應(yīng)市場(chǎng)變化的影響，低揮發(fā)分煙煤采購困難，電廠長(zhǎng)期采購和燃用高揮發(fā)分煙煤，燃用煤的Vdaf在35%以上，屬于高揮發(fā)份煙煤，煤粉爆炸性很強(qiáng)，制粉系統(tǒng)發(fā)生多次自燃和爆炸，主要發(fā)生爆炸的部位有磨煤機(jī)入口、細(xì)粉分離器入口、粗粉分離器上部、煤粉倉、煤粉篩以及木塊分離器等。

（3）制粉系統(tǒng)改造方案。

結(jié)合制粉系統(tǒng)防爆機(jī)理研究，擬采用冷爐煙再循環(huán)送粉技術(shù)提高制粉系統(tǒng)防爆能力，可將制粉系統(tǒng)改造為惰性干燥介質(zhì)運(yùn)行方式，用氧含量較低的惰性熱煙氣替代部分熱風(fēng)進(jìn)行煤粉干燥，用冷煙氣對(duì)磨煤機(jī)出口溫度進(jìn)行調(diào)控；從兩側(cè)省煤器后煙道處分別抽取熱煙氣，從兩側(cè)引風(fēng)機(jī)出口通向脫硫塔的總煙道上抽取冷煙氣，兩者按照一定比例混合后進(jìn)入爐煙風(fēng)機(jī)升壓，爐煙風(fēng)機(jī)升壓后的混合煙氣直接引入磨煤機(jī)熱風(fēng)管道，與熱風(fēng)混合后作為磨煤機(jī)干燥和輸送介質(zhì)，再循環(huán)煙氣量設(shè)計(jì)應(yīng)滿足系統(tǒng)在大氣壓力下以濕氣容積百分?jǐn)?shù)計(jì)的磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混合物最高允許氧含量為14%的防爆要求；相對(duì)于熱風(fēng)來說，混合煙氣作為惰性介質(zhì)，可以降低制粉系統(tǒng)氧含量，在不影響磨煤機(jī)干燥出力和通風(fēng)出力的條件下，有效提高了制粉系統(tǒng)防爆能力；此外并對(duì)粗粉分離器結(jié)構(gòu)形式、粉倉抽吸系統(tǒng)等易積粉部位進(jìn)行相應(yīng)治理。

（4）冷爐煙再循環(huán)運(yùn)行方式。

根據(jù)《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DLT5203-2005）的規(guī)定，按照制粉系統(tǒng)干燥介質(zhì)性質(zhì)不同，制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)可分為惰性氣氛設(shè)計(jì)和非惰性氣氛設(shè)計(jì)兩種。鋼球磨煤機(jī)中間儲(chǔ)倉式制粉系統(tǒng)磨制煙煤時(shí)，采用煙氣空氣混合干燥惰性氣氛時(shí)，系統(tǒng)在大氣壓力下以濕氣容積百分?jǐn)?shù)計(jì)的最高允許氧含量為14%，磨煤機(jī)出口最高允許溫度為120℃；采用純空氣干燥時(shí)磨煤機(jī)出口最高允許溫度僅為70℃。

（5）煙氣再循環(huán)投運(yùn)后制粉系統(tǒng)防爆運(yùn)行效果。

從實(shí)際運(yùn)行情況看，制粉系統(tǒng)防爆效果良好，避免了制粉系統(tǒng)爆炸事故的發(fā)生；由此可見，改造后增加的爐煙再循環(huán)系統(tǒng)能顯著提高制粉系統(tǒng)防爆性能，不僅使制粉系統(tǒng)能夠安全磨制高揮發(fā)份煙煤，同時(shí)為適應(yīng)煤炭市場(chǎng)變化和提高煤種適應(yīng)性提供了更有利的空間。

5 結(jié)語

本文重點(diǎn)進(jìn)行了鍋爐制粉系統(tǒng)防爆機(jī)理研究，同時(shí)經(jīng)過技術(shù)分析確定了冷爐煙再循環(huán)防爆治理技術(shù)路線，并結(jié)合某電廠實(shí)際成功實(shí)施了冷爐煙再循環(huán)防爆技術(shù)改造，從而實(shí)現(xiàn)某電廠高揮發(fā)分煤種摻燒的制粉系統(tǒng)的安全、環(huán)保和高效運(yùn)行，為制粉系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行積累了經(jīng)驗(yàn)。

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