改燒神華煤對制粉系統(tǒng)及鍋爐運行的影響

　　近年來煤炭資源日益緊張，煤炭價格逐年升高，發(fā)電廠燃用非設計煤種的現(xiàn)象越來越普遍。大港發(fā)電廠2號鍋爐原主要燃用山西、河北等地劣質(zhì)煙煤，自2012年7月開始改燒神華煤。

　　改燒神華煤對制粉系統(tǒng)及鍋爐運行的影響

　　神華煤是目前我國主要的動力煤種。程志強、趙炎鈞等對神華煤的煤質(zhì)特性、燃燒特性和結(jié)渣特性進行深入研究，表明神華煤具有發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰中含鈣量高、灰分、含硫量低的特點，這些特性決定了神華煤具有良好的著火和穩(wěn)燃性能，通過經(jīng)濟性分析也表明燃用神華煤鍋爐具有熱效率高，NOX、灰塵和SO2排放低的良好經(jīng)濟性和環(huán)保性；但研究中發(fā)現(xiàn)的神華煤灰熔點較低、易結(jié)渣的特性決定其容易導致制粉系統(tǒng)爆炸、鍋爐結(jié)渣、堵渣等直接影響機組安全運行的問題，這嚴重制約了神華煤在電站鍋爐上的應用。針對神華煤易結(jié)渣的特點，很多學者也進行了深入分析。俞海淼等在2.11MW四角試驗爐上研究了噴鈣和再燃對燃燒神華煤爐內(nèi)沾污結(jié)渣特性的影響；周俊虎等使用掃描電鏡和X射線衍射儀分別研究了神華煤燃燒過程中在0.25MW試驗爐不同部位的沉積樣品的形貌學和晶相組成，提出了定量判斷不同煤種的結(jié)渣傾向的兩個指標：沉積灰渣的平均脫落周期和平均熱流衰減幅度；Zhu等在600MW鍋爐機組上通過受熱面污染監(jiān)測模型監(jiān)測各受熱面的污染增長特性和污染上、下限，并檢驗吹灰器的吹掃對結(jié)渣的影響；張志遠分析了660MW超臨界鍋爐增刊在燃用神華煤時的結(jié)渣特性；任銳等提出了大容量煤粉鍋爐燃用神華煤結(jié)渣特性判別的兩種方法。在實際應用中很多電廠往往采用摻燒高灰熔點煤的方式提高入爐煤的灰熔點，減少爐內(nèi)結(jié)渣現(xiàn)象的出現(xiàn)。李永華和梁紹華等分別以800MW超臨界旋流燃燒直流爐機組和1 025t/h單爐體雙爐膛四角切圓汽包爐為對象開展了神華煤和其他不易結(jié)焦煤種的混煤燃燒進行了模擬研究，分析了摻燒時不同工況爐內(nèi)的溫度和速度分布，并通過試驗進行了驗證；閻維平等對100、200 MW燃煤機組摻燒強結(jié)渣煤的混煤結(jié)渣性能研究，分析預測了不同摻燒比的結(jié)渣指標和程度；陳懷珍等系統(tǒng)分析了神華煤摻入不同比例其它煙煤后，混煤的著火、燃盡和結(jié)渣性能及沾污性能的變化規(guī)律；高繼錄等在1000MW機組上進行了神華煤與霍林河褐煤摻燒試驗，研究了褐煤摻燒比例對磨煤機最大出力、機組最大出力和機組性能的影響，并進行了燃燒優(yōu)化試驗。

　　大港發(fā)電廠2號鍋爐采用神華煤和準格爾煤爐外摻混的摻燒方案。由于燃煤性質(zhì)較先前煤種發(fā)生較大變化，不僅原煤發(fā)熱量、灰份、灰的成分和硫份差距較大，相應的燃燒生成的煙氣量、灰渣量也變化明顯，可能對鍋爐運行以及除塵器、除灰除渣、脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，因此需要開展改燒、摻燒神華煤相關(guān)試驗研究，評估對鍋爐及其相關(guān)系統(tǒng)的影響，這對鍋爐系統(tǒng)及全廠的安全性和經(jīng)濟性具有重要意義。本文以大港發(fā)電廠2號鍋爐為對象開展改燒、摻燒神華煤的試驗研究，重點對試驗中遇到制粉系統(tǒng)調(diào)整和鍋爐運行參數(shù)控制問題進行了分析。

　　1設備簡介大港發(fā)電廠2號機組鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG1080A7.6亞臨界壓力、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐。爐膛寬度為14 022mm，深度為12615mm，寬深比為1：1.11，近似正方形爐膛截面，爐頂管中心線標高為59600mm，鍋筒中心線標高為60520mm，爐頂大板梁標高67800mm.鍋爐采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置5臺ZGM95G中速磨煤機，2臺密封風機，1臺運行1臺備用，配有5臺電子稱重式給煤機。燃燒器的一、二次風噴嘴呈間隔排列，頂部設有OFA二次風，用來控制NOX的排放量。A、B、C、D、E為煤粉噴嘴，在燃燒器二次風室中配置了3層共12支輕油槍，AB、BC、DE為油槍噴嘴，燃用0號輕柴油。為了滿足鍋爐調(diào)節(jié)汽溫的需要，燃燒器噴嘴采用擺動式結(jié)構(gòu)，由氣動驅(qū)動裝置通過連桿結(jié)構(gòu)來驅(qū)動，一次風上下擺動20°；二次風上下擺動30°，頂部手動噴嘴向上擺30°，向下擺6°。燃燒器布置采用四角切園、同心正反切燃燒方式，可使煤粉與空氣之間產(chǎn)生強烈的混合，增加煤粉的完全燃燒，減少對水冷壁的沖刷，從而減輕爐膛結(jié)焦。為了改善煤粉著火性能和低負荷燃燒穩(wěn)定性，燃燒器采用水平濃淡分離和V型鈍體寬調(diào)節(jié)比噴嘴。

　　2試驗面臨的問題2.1制粉系統(tǒng)爆炸風險神華煤揮發(fā)分含量高，屬于易著火易爆炸煤質(zhì)。煤粉濃度、煤粉揮發(fā)分、煤粉細度與可燃氣體共存是引起制粉系統(tǒng)爆炸的內(nèi)部原因；系統(tǒng)內(nèi)的積煤和積粉、磨煤機斷煤運行、出口溫度過高、煤粉過細、水分過低，熱風門不嚴以及外來火源等，是其外部原因。改燒神華煤，應采取消除積粉、消除漏風、控制磨煤機出口溫度、控制煤粉細度、加強煤質(zhì)檢驗、控制外來火源等措施來預防制粉系統(tǒng)爆炸。

　　2.2鍋爐運行參數(shù)控制由于現(xiàn)用煤種與原來煤種的特性相差較大，原有的鍋爐運行控制方式需要相應的進行改變，特別是針對神華煤摻燒過程中出現(xiàn)的排煙溫度較高、末級再熱器受熱面壁溫分布不均、超溫的問題，需要通過對鍋爐運行參數(shù)的調(diào)整分析，找到問題出現(xiàn)的原因，確定合理的鍋爐運行參數(shù)控制方式。

　　3試驗結(jié)果及分析3.1制粉系統(tǒng)調(diào)整控制3.1.1煤粉細度調(diào)整神華煤揮發(fā)分較高，從安全性角度考慮，需要采用較粗的煤粉細度來防止制粉系統(tǒng)著火、爆炸；從運行角度分析，較粗的煤粉可延長煤粉燃燒火炬，降低燃燒器區(qū)域熱負荷，咸緩燃燒器區(qū)域結(jié)渣，但可能導致屏及對流受熱面結(jié)渣，根據(jù)其他電廠燃用神華煤的經(jīng)驗，爐膛上部及對流受熱面無結(jié)渣問題時，煤粉細度私?？稍?632左右，燃燒器區(qū)不結(jié)渣時，煤粉細度辦?？稍?0左右。綜合考慮制粉系統(tǒng)安全性和防止結(jié)渣兩方面因素，煤粉細度尺90控制在30°%左右，表1給出了各磨煤機的煤粉細度調(diào)整后結(jié)果。

　　磨煤機給煤量/（t/h）分離器開度/% 3.1.2磨煤機組合控制燃用神華煤鍋爐的結(jié)渣部位主要集中在燃燒器區(qū)域，因此可通過改變磨煤機運行方式，調(diào)整各臺磨煤機的給煤量來改變各層燃燒器負荷分配，使燃燒器區(qū)域熱負荷均勻分布，并減小燃燒器擺角下傾的角度，避免局部熱負荷偏高問題出現(xiàn)，最終達到減緩爐膛結(jié)渣之目的。為分析爐內(nèi)結(jié)焦情況，采用紅外高溫儀測量鍋爐不同標高處的爐內(nèi)火焰溫度，該儀器的分辨率為rc，并通過觀火孔對爐內(nèi)結(jié)焦情況進行觀察。溫度測試過程中分別測量了6層標高共36個測點的火焰溫度，將同一標高處不同測點檢測的溫度取平均值作為該標高的火焰平均溫度，將6層標高所有測點綜合求平均溫度得到爐膛火焰平均溫度。8月22日至23日期間，2號爐進行了改變磨煤機組合方式的試驗，此時神混與準混的摻燒比例為7：3，表2中給出了幾種磨煤機組合方式時爐膛不同高度處的火焰平均溫度。

　　8月22日在鍋爐330MW時分別在吹灰結(jié)束后、吹灰結(jié)束后3h和吹灰結(jié)束后5h進行了3種不同磨煤機組合運行方式下的爐膛火焰溫度檢測試驗，即表2中的工況1、2、3.從表中可以看出，工況2與工況1相比爐內(nèi)火焰溫度略有增加，鍋爐沾污在正常水平；而工況3中D磨煤機的運行使得表2不同磨煤機組合方式時爐膛不同高度處的火焰平均溫度磨煤機組合方式爐膛標高/m工況1工況2工況6平均溫度爐內(nèi)火焰中心提升，爐內(nèi)火焰溫度水平有明顯提高，平均溫度增大60C，增大了墻式再熱器區(qū)域、折焰角、屏底和尾部受熱面結(jié)焦和積灰的可能，而且從表盤參數(shù)看，工況3時空氣預熱器入口煙氣溫度增加了2C，排煙溫度升高約1C.8月23日在鍋爐300MW磨煤機ABCD組合方式時分別在吹灰結(jié)束后、吹灰結(jié)束后3h和吹灰結(jié)束后5h測試了爐內(nèi)的火焰溫度分布，即表2中工況4、5、6.從表中可以看出，在該磨煤機組合方式下，爐內(nèi)火焰中心降低，爐內(nèi)溫度水平有明顯降低，有助于減輕分隔屏底的結(jié)焦和降低排煙溫度。由此，建議在制粉系統(tǒng)設備正常情況下，優(yōu)先選用下層磨煤機組合方式運行。

　　3.1.3磨煤機出口溫度控制工況6進行了提高磨煤機出口溫度試驗，將磨煤機出口溫度設定值由工況5中的68C提高至73C，對比兩個工況的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，磨煤機出口溫度平均增加5C后，爐內(nèi)火焰平均溫度有所降低，特別是燃燒器上部28.6m到標高34.2m的區(qū)域內(nèi)溫度降低了10C左右，表明煤粉進入爐內(nèi)著火呈現(xiàn)提前趨勢，但受熱面沾污未有明顯變化；一次風機出力基本未變，熱一次風母管溫度降低3C，排煙溫度降低3C，表明進入空氣預熱器的冷一次風量增加，空氣預熱器換熱效率提高。因此提高磨煤機出口溫度，能夠有效提升煤粉著火性能，并降低鍋爐排煙溫度，提升鍋爐整體運行效率，而神華煤屬于極易著火和極易爆炸的煤種，燃用神華煤時要控制好磨煤機出口溫度，防止制粉系統(tǒng)及石子煤系統(tǒng)的自燃和爆炸，根據(jù)電力工程師手冊中經(jīng)驗公式計算及燃用神華煤的經(jīng)驗，磨煤機出口溫度不要超過75C，鍋爐按照工況6的方式經(jīng)過一天運行發(fā)現(xiàn)，磨煤機出口溫度設定為73C可以保證制粉系統(tǒng)運行的安全性，也能提高鍋爐整體運行效率。

　　3.2燃燒過程參數(shù)控制3.2.1―二次風控制在入爐煤配比確定，制粉系統(tǒng)調(diào)整合適后，運行人員可操控的調(diào)節(jié)手段主要是一、二次風控制，包括一、二次風速、風壓以及風門開度的調(diào)整，同時針對試驗中出現(xiàn)的2號爐排煙溫度較高、再熱器壁溫超溫的問題，通過對一二風的調(diào)整找到問題的原因和解決方案。

　　在7月底，經(jīng)過近半個月的神混與準混7：3的摻燒運行后，2號鍋爐進行了停爐檢修，進入爐膛檢查發(fā)現(xiàn)個別燃燒器火嘴處和下層燃燒器區(qū)域的水冷壁上存在少量焦塊（大部分焦塊已隨停爐冷卻而掉落）。從所結(jié)的焦塊看，貼水冷壁的那面明顯呈現(xiàn)較深的顏色，表明有未完全燃燒的煤粉微粒粘結(jié)。分析原因，主要由以下幾部分構(gòu)成。

　　經(jīng)過風量標定試驗發(fā)現(xiàn)2號鍋爐A、B磨煤機風量測量裝置存在指示不準的問題，此時運行人員為防止一次風速過低導致堵塞粉管，易通入過量一次風，相應的，必須投入過量一次冷風來控制出口溫度；雖然較高的一次風速能避免煤粉在燃燒器出口過早著火而燒壞噴嘴，但在燃燒器擺動不同步或不一致時，未燃盡的煤粉顆粒容易沾污在燃燒器區(qū)域水冷壁上，遇有嚴重沾污傾向煤種時，結(jié)焦也相對嚴重；過量冷風進入爐內(nèi)，降低空預器換熱效果，導致排煙溫度升高，降低機組整體運行效率。

　　調(diào)整期間進行了變一次風壓運行試驗，在額定負荷下，將一次風母管壓力由10.4kPa降至9.5kPa，期間A、B、C各臺磨煤機出力均在36t/h左右，D磨煤機出力在31t/h左右，隨風壓降低，B磨煤機呈現(xiàn)堵磨趨勢，故試驗終止。試驗結(jié)果表明，當前2號鍋爐一次風母管壓力額定負荷維持10kPa較為合適，過低一次風壓存在發(fā)生堵磨的風險。

　　綜上分析，2號鍋爐需要對磨煤機風量測量系統(tǒng)進行優(yōu)化，建議在進行低N0X燃燒器改造時，全面考慮對測量裝置及其附近冷熱風道的改造。

　　通常認為神華煤在弱還原性氣氛下灰熔點更低，為避免燃燒器區(qū)域氧量過低，運行人員易通入過量二次風。一次風和二次風在燃燒器出口耦合時，過量的二次風對一次風產(chǎn)生干擾，卷吸作用加強，流場紊亂強烈，使得燃燒初期還熔融狀態(tài)的煤粉顆粒在噴口處發(fā)生貼壁。二次風速過高，會引起切圓加大，加速灰粒向水冷壁的慣性遷移而導致結(jié)焦加劇。因此，燃用神華煤時，二次風速不宜過高，可較一般煙煤鍋爐低，或取其下限值。

　　燃燒調(diào)整期間，為了分析2號鍋爐排煙溫度和再熱器壁溫較高的原因，對2號鍋爐二次風門開度進行了調(diào)整，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在某一風門開度時，末級再熱器受熱面壁溫在正?？刂浦祪?nèi)，無超溫點，最高點為55-1點達到570.1°C；左右側(cè)再熱器出口汽溫測點分別為534.7和538.7°C，偏差4°C，接近額定值；空氣預熱器入口煙氣溫度基本一致，分別為346.6和345.4°C，但對二次風門進行微調(diào)以后，在10min之內(nèi)，末級再熱器受熱面壁溫就發(fā)生了明顯的變化。2號鍋爐二次風門調(diào)整前后的開度及調(diào)整前后再熱器受熱面壁溫變化可見表3、4，調(diào)整前后入爐燃料量和總風量基本未變。

　　從表中可以看出，二次風門調(diào)整前后末級再熱器受熱面壁溫變化非常明顯，55-1點快速升溫到585C，而39-1點則降溫到489C，上述變化在10min之內(nèi)產(chǎn)生，基本可以排除結(jié)焦導致的吸熱不均現(xiàn)象，二次風門恢復調(diào)整前開度后，壁溫測點也回到初始調(diào)整值。試驗表明，導致末級再熱器個別壁溫測點頻繁超溫的原因在于二次風門送入不均（實際二次風門開度與DCS反饋不一致），導致四角煤粉燃燒放熱速率不均；同時，就地檢查燃燒器擺角，四角燃燒器一致性不佳，導致煤粉由不同角度送入爐膛，無法形成正常切圓燃燒，二次風‘’同心反切‘又會加劇燃燒不均，從而引起墻式再熱器區(qū)域溫度分布嚴重不均；由于墻式再熱器以輻射吸熱為主，某一再熱器區(qū)域煙氣頻繁波動，引起再熱器吸熱不均；在鍋爐再熱汽源設計沒有良好混合及交叉的情況下，墻式再熱器的吸熱不均傳導至末級再熱器，最終引起55-1點對爐內(nèi)熱負荷波動極為敏感，經(jīng)常超溫，而在空氣預熱器入口煙溫測點標定時發(fā)現(xiàn)右側(cè)煙氣溫度偏低，與右側(cè)再熱汽溫偏低一致，也進一步驗證了上述推斷。

　　基于上述分析，2號鍋爐在相同負荷工況下排煙溫度高于1號鍋爐，也是由燃燒器系統(tǒng)故障導致的。爐內(nèi)燃燒工況不佳，受熱面吸熱不均，必然導致燃燒效率降低，相同負荷下需要更多燃料量補充，排煙溫度必然升高。因此建議利用低氮燃燒器改造機會，對2號鍋爐燃燒器系統(tǒng)進行徹底更換。3.2.2.氧量控制表3二次風門調(diào)整前后開度變化通常認為低氧燃燒會使燃燒器區(qū)域處于還原性氣氛中，不利于降低鍋爐結(jié)渣趨勢，而神華煤屬于極易結(jié)渣的煤種，因此燃用神華煤的電廠較多采用高氧量運行。高氧量運行通常采用增加二次風量表4二次風門調(diào)整前后末級再熱器受熱面壁溫變化Tab.4Laststagereheaterheating位置調(diào)整前溫度調(diào)整后溫度的辦法實現(xiàn)，對類似2號爐的四角切圓燃燒鍋爐，過高的二次風使得切圓變大，導致一次風貼墻，反而加劇結(jié)渣；而且高氧量運行會增大風機的電耗，對于控制煙氣中NOx濃度也是不利的。

　　基于高氧量運行的上述缺點，有的電廠嘗試采用低氧燃燒的方式，結(jié)果證明在保證鍋爐運行安全性的前提下，低氧燃燒對于降低風機電耗和NOx排放濃度確實有一定效果，也能提高鍋爐效率，但低氧燃燒也容易造成燃料的不完全燃燒，而且由于二次風量的減少，煤粉顆粒燃盡時間延長，燃燒器上部以及分隔屏區(qū)域的燃燒溫度呈明顯上升趨勢，相應地燃燒器上部區(qū)域以及屏底的結(jié)渣傾向趨強，因此在運行中，根據(jù)爐內(nèi)實際的結(jié)焦情況，及時檢測排煙中的CO和飛灰可燃物含量，消除或降低爐內(nèi)的還原性氣氛，以減少爐膛內(nèi)結(jié)焦。

　　試驗期間，進行了低氧燃燒測試，在滿負荷工況下控制空預器入口氧量在3.0%左右，測得CO含量極低，煤粉燃燒較為完全?？紤]當前2號鍋爐各臺磨煤機煤粉細度私。均控制約在30%左右，顆粒已經(jīng)相對較粗，滿負荷工況3.0±0.2%的運行氧量是綜合各種因素后的較為合理的控制水平。

　　3.2.3爐底漏風控制由于2號鍋爐存在排煙溫度較高的情況，試驗期間，我們對爐底漏風情況進行了重點關(guān)注。經(jīng)檢查，2號鍋爐底部冷卻風正常投入，冷卻風門開度較小，但干排渣系統(tǒng)仍然存在較多漏風點，如未關(guān)閉嚴密的檢查孔（門），撈渣機金屬外墻連接處密封老化或脫落而導致的漏風多有存在，建議利用檢修機會，徹底消除不應存在的底部漏風，以提升鍋爐運行效率。

　　4結(jié)論大港發(fā)電廠2號爐由原來燃用劣質(zhì)山西煙煤改燒神華煤與準格爾煤的混煤，對鍋爐及相關(guān)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行提出了挑戰(zhàn)。本文通過對鍋爐開展燃燒調(diào)整試驗，分析了改燒、摻燒神華煤和準格爾煤后鍋爐制粉系統(tǒng)的變化，并對鍋爐運行中重要參數(shù)進行了調(diào)整試驗，確定了滿足鍋爐安全經(jīng)濟運行的合理的參數(shù)。試驗結(jié)果表明：改燒神華煤和準格爾煤的混煤以后，磨煤機出口的煤粉細度設定為30%左右；在制粉系統(tǒng)設備正常情況下，優(yōu)先選用下層磨煤機組合方式運行；磨煤機出口溫度設定為73C可以保證制粉系統(tǒng)運行的安全性，也能提高鍋爐整體運行效率。

　　在電廠以后進行低氮燃燒器改造過程中，要對磨煤機風量測量系統(tǒng)進行優(yōu)化，解決一次風量測量不準帶來的運行誤導問題，同時要對燃燒器系統(tǒng)中二次風門開度和燃燒器擺角的一致性進行修正改造，以解決再熱器受熱面壁溫分布不均、超溫和鍋爐排煙溫度較高的問題；2號鍋爐在滿負荷工況下，3.0±0.2%的運行氧量是綜合各種因素后的較為合理的控制水平。

　　在以后的檢修工作中，要徹底消除爐底漏風，以降低鍋爐排煙溫度。