百萬燃煤機組降低飛灰含碳量的實驗及分析

徐英倫

（華潤電力湖北有限公司，湖北 赤壁 437300）

1 前言

1.1 研究背景

根據(jù)華潤電力湖北有限公司的運行調(diào)整規(guī)定，飛灰含碳量應當?shù)陀?%。但從2017年、2018年、及2019上半年這兩年半的飛灰含碳量平均數(shù)分別為2.9%、3.78%、5.1%，飛灰含碳量有逐年上升的趨勢，尤其在2018年年末和2019年年初加大無煙煤摻燒比例后，飛灰含碳量上升較為明顯。根據(jù)鍋爐設計規(guī)定，灰渣各占比例為80%、20%，因此，降低飛灰含碳量，提高機組經(jīng)濟性顯得尤為重要。

1.2 研究鍋爐的概況介紹

該公司兩臺百萬機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司引進ALSTOM技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界變壓直流煤粉爐，型號為SG-3103/27.46-M536，型式為：單爐膛、雙切圓、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π式煤粉直流鍋爐，BMCR工況下，主、再熱蒸汽溫度為605℃/603℃，主、再熱蒸汽壓力為27.46MPa/5.86MPa。燃燒方式采用單爐膛雙切圓布置擺動式直吹燃燒器技術(shù)，低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNCFS），主要由百葉窗水平濃淡分離煤粉噴嘴、CCOFA風噴嘴、SOFA風噴嘴和預置水平偏角的輔助風噴嘴（CFS）組成，燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在水平濃淡分離燃燒器四周布置周界風，上下布置CFS風和直吹風（油配風），采用雙進雙出鋼球磨煤機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，共六臺磨煤機。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)

2 影響飛灰含碳量因素分析

2.1 無煙煤摻燒

隨著近兩年煤價的走高，為節(jié)省發(fā)電成本在入爐煤內(nèi)摻燒無煙煤已成為新常態(tài)。該司3#機組所摻燒無煙煤主要為晉煤-陽城和晉煤-嘉峰兩種無煙煤，摻燒的晉煤無煙煤干燥無灰基揮發(fā)分6%～8%，低位發(fā)熱量22000～26000kJ/kg，可磨性系數(shù)HGI≤1.2。相關(guān)研究表明，煤的著火與揮發(fā)分的質(zhì)量和數(shù)量有關(guān)，隨著煤化程度的提高，揮發(fā)分含量減小，煤發(fā)熱量中揮發(fā)分的發(fā)熱量的比率降低，使煤的著火變得困難。煤的巖相結(jié)構(gòu)也相應變化，煤化作用的加深使結(jié)構(gòu)緊密而穩(wěn)定，孔隙率小，使煤的磨碎性能減弱，反應性降低，燃盡變差。因此，要盡量延長無煙煤在爐膛內(nèi)的停留時間，使其有足夠的燃燒時間。

2.2 配風方式

在氧量一定的情況下，根據(jù)燃燒需要對進入爐膛內(nèi)的二次風進行不同區(qū)域送入風量的分配，就需要通過各層二次風門的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。由于各層煤粉對應的煤質(zhì)不同，其著火準備階段、燃燒階段、燃盡階段所需要的空氣量都不一致，因此，在正常運行中應當及時摸索調(diào)整出適合當前配煤摻燒方案下所對應的配風方式，而不是拘泥于一種配風方式。

2.3 煤粉細度

煤粉越細，即煤粉細度越小，單位質(zhì)量的煤粉表面積越大，揮發(fā)分越容易析出，著火及燃燒反應速度越快，煤粉容易燃盡，從而飛灰含碳量降低。影響煤粉細度的主要因素有：（1）折向擋板的開度。折向擋板開度大，煤粉氣流旋流強度增大，離心分離的作用增強，出口煤粉變細。當開度在40～55°時，所得到的煤粉細度最適合。當開度超過這個范圍，通過擋板的系統(tǒng)阻力增大，磨煤機通風出力減小，磨的出力下降。（2）回粉管堵塞。回粉管堵塞導致細度不合格的煤粉無法再進入磨內(nèi)重新研磨，使細度大的煤粉直接進入爐內(nèi)燃燒，影響煤粉的燃盡效果。（3）鎖氣器動作不正常。動作頻繁，使細度合格的煤粉重復進入磨內(nèi)研磨，存在循環(huán)往復研磨的情況，使煤粉細度太小降低了制粉系統(tǒng)的出力；鎖氣器失效，在回粉管內(nèi)直接形成通路，降低了重力分離的效果，顆粒較大的煤粉直接進入磨筒體內(nèi)。

2.4 其他因素

影響飛灰含碳量的因素有多種，除了上述的配煤方式、配風方式、煤粉細度，還有一次風壓、爐膛風箱差壓、燃燒器擺角、磨煤機分離器出口溫度、氧量。一次風壓越高則入磨風壓和風速也越大，帶粉能力強，容易將較粗的煤粉直接吹入爐膛內(nèi)燃燒；爐膛與風箱差壓、燃燒器擺角影響爐內(nèi)火焰中心高度，數(shù)值越高，火焰中心被抬得越高，導致煤粉在爐內(nèi)停留時間短來不及充分燃燒；對于磨的分離器出口溫度，溫度越高，那么煤粉在爐內(nèi)吸熱量越小，容易著火燃燒，但同時要考慮制粉系統(tǒng)爆燃的問題；氧量越大，爐內(nèi)空氣越充足，能使煤粉有足夠的助燃空氣從而充分燃燒。

3 實驗說明

3.1 實驗前準備

檢查該公司各臺磨煤機的回粉管沒有堵塞，若有堵塞則安排清理疏通。確認各臺磨煤機的折向擋板開度在規(guī)定值。保證各磨的鎖氣器擋板沒有缺失且工作正常。在檢查中發(fā)現(xiàn)，6臺磨煤機回粉管鎖氣器擋板均缺失，聯(lián)系檢修單位將該擋板重新裝上并確認能正確動作。如圖2、圖3所示。

圖2 鎖氣器擋板缺失

圖3 鎖氣器擋板回裝后

在保證好磨煤機的各項檢查結(jié)果后，從各磨的分離器出口取煤粉樣并進行煤粉細度的測量，得到結(jié)果如表1所示。

表1 各臺磨檢查確認后的煤粉細度

3.2 試驗方案設計

由于影響鍋爐飛灰含碳量的因素有許多，試驗時則要根據(jù)該公司生產(chǎn)實際情況基于鍋爐穩(wěn)燃保證進行定量分析，因此，在進行試驗時選取三種不同的配風方式、三種不同的配煤方式和確定的煤粉細度為主要的組合方式，其他參數(shù)一次風壓、爐膛風箱差壓、sofa風門開度、coffa風門開度、燃燒器擺角、氧量，則能夠通過運行調(diào)節(jié)手段來進行調(diào)整，使這些參數(shù)基本維持在一個確定值。配風方式三種分別為正寶塔、倒寶塔、均勻，配煤方式分別為3D磨煤機燒無煙煤（配煤方案1），3B磨煤機燒無煙煤（配煤方案2），3B、3D磨煤機燒無煙煤（配煤方案3）。在機組1000MW工況下，通過不同配風和配煤的組合方式來發(fā)現(xiàn)對飛灰含碳量的影響。

三種配煤方式的各倉配煤煤種的低位發(fā)熱量、空干基揮發(fā)分、灰分如表2～4所示。其余參數(shù)如表5所示。三種配風方式的各個二次風門擋板開度如表6所示。

表2 3#爐D磨磨無煙煤時的配煤方案1

表3 3#爐B磨磨無煙煤時的配煤方案2

表4 3#爐B、D磨磨無煙煤時的配煤方案3

表5 3#爐1000MW工況下其余參數(shù)

表6 3#爐1000MW三種配風方式各層風門開度

4 實驗結(jié)果與分析

由上述實驗方案設計可得到實驗結(jié)果如表7所示。

表7 3#機組1000MW工況下實驗所得飛灰含碳量

圖4所示為在正寶塔配風方式下，三種不同配煤方式所得飛灰含碳量數(shù)值，隨著磨制無煙煤的磨煤機臺數(shù)增加至2臺時，飛灰含碳量顯著增加，飛灰樣本含碳量平均數(shù)值為10.31%，在3D磨內(nèi)燒無煙煤與3B磨內(nèi)燒無煙煤相比，可知在3B磨內(nèi)燒無煙煤的飛灰含碳量要小，這是因為：（1）3B磨煤機送入爐膛內(nèi)燃燒的煤粉處于爐膛燃燒區(qū)域下部，在爐內(nèi)有較長的停留時間有助于煤粉燃盡。且其相鄰煤粉層的揮發(fā)分高，均值大于20%。（2）3D磨送入爐膛的煤粉相較于3B磨更靠近爐膛出口，在燃燒區(qū)域停留時間較短，由于無煙煤揮發(fā)分較低，燃燒準備階段時間較長，導致飛灰含碳量較高。且與D粉層相鄰的E粉層的煤粉平均揮發(fā)分小于20%。（3）在3B、3D兩臺磨內(nèi)磨制無煙煤，則除了有在燃燒區(qū)域停留時間較短外，還因送入爐內(nèi)的無煙煤粉層相隔間距不大造成不同煤種的相互搶風，導致爐內(nèi)煤粉整體燃盡效果不好。同理，在均勻和倒寶塔配風方式下也存在相同的原因，導致飛灰含碳量數(shù)值偏高。

圖4 正寶塔配風下飛灰含碳量

圖5所示為僅3B磨磨制無煙煤時在正寶塔、倒寶塔、均勻三種配風方式下所得到的飛灰含碳量，從圖中可以看出，在正寶塔方式下飛灰含碳量最小，樣本平均值為3.82%。而倒寶塔方式下所取樣本飛灰含碳量最高，均勻方式次之。這是因為在倒寶塔方式下3B磨燒無煙煤時，倒寶塔配風[4]減少了爐膛主燃燒區(qū)域所分配的風量，使爐內(nèi)下部燃燒區(qū)域所供助燃空氣不足，煤粉形成焦炭燃燒時表面的氧氣分壓力減小，降低了焦炭的燃燒速率，推遲了焦炭的燃盡過程，在爐膛高度一定的條件下，造成飛灰含碳量高。

圖5 3B磨磨制無煙煤時不同配風方式的飛灰含碳量

5 結(jié)語

（1）由表7、圖4、圖5可以看出，針對華潤電力湖北有限公司3#機組，通過比較，在采用正寶塔配風加3B磨內(nèi)磨制無煙煤的組合方式所產(chǎn)生的飛灰含碳量最小，五個樣本均值為3.82%，且低于該司規(guī)定的4%，能夠符合要求。（2）結(jié)合目前該司所燃燒的煤種，采用配煤方案2時能使飛灰含碳量降低，若采用配煤方案1或者3時飛灰含碳量均顯著升高，對于鍋爐燃燒效率和機組經(jīng)濟性都有較大影響，因此，建議只在3B磨內(nèi)摻燒無煙煤。（3）若遇有磨煤機檢修工作，需要停運磨煤機時，在穩(wěn)燃的基礎上盡量將無煙煤送入爐膛燃燒區(qū)域下面，這樣能夠加大煤粉在爐內(nèi)燃燒區(qū)域停留的時間，從而有利于煤粉的燃盡。而無煙煤的相鄰粉層則送入平均揮發(fā)分不低于20%的煤粉，也有利于無煙煤的著火燃燒和燃盡。（4）磨煤機檢修時，應當按照檢修工藝，將折向擋板調(diào)節(jié)在規(guī)定范圍內(nèi)且無缺損，定期清理磨煤機的回粉管保證回粉管通暢，檢查回粉管鎖氣器能夠正常動作，定期取煤粉樣進行細度測量，從而保證煤粉細度在規(guī)定值。