制粉系统特性对准东煤燃烧的影响

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(1.神华四川能源有限公司,四川 成都 610021; 2.上海电力学院,上海 200090)

准东煤田是中国最大的整装煤田,煤质具有低灰、低硫、高水分、高挥发分、高灰融点等特点。准东煤在使用过程中普遍出现了较为严重的结渣沾污情况[1-5],直接影响到该煤种在锅炉上的大比例燃烧和使用,甚至影响到准东煤电基地的开发。本文主要针对磨煤机在使用准东煤过程中,制粉系统特性的变化对锅炉结渣过程的影响进行分析,以期为准东煤锅炉制粉系统选型提供参考。

1 存在的问题

新疆某电厂300 MW四角切圆亚临界煤粉锅炉,配备5台HP863型碗式中速磨煤机,设计煤种为乌鲁木齐“碱沟煤”,设计4台磨煤机运行可达到额定负荷,另1台备用。设计煤种哈氏可磨系数为55,低位发热量为22.1 MJ/kg,设计煤种煤粉细度R90为22%,磨煤机最大出力为60 t/h。随着煤炭市场的变化,碱沟煤的市场价格增长较多,为节约燃料成本,该电厂逐步增加了价格更低的准东煤的使用比例。当准东煤使用比例达到60%以上时,出现了明显的炉膛结渣。

燃烧优化试验过程中发现,相同制粉系统使用准东煤和碱沟煤时的特性会发生显著变化,这些变化对准东煤的燃烧组织过程产生了重要影响。

2 制粉系统特性试验

为掌握准东煤掺烧过程中磨煤机出口煤粉细度的变化情况,对磨煤机磨制准东煤和碱沟煤,在相同动态分离器转速、磨煤机出口温度和一次风量条件下,R90和均匀性指数n进行了对比试验,试验结果如图1,图2和图3所示。

由图1可以看出,当一次风量分别为70 t/h,75 t/h和80 t/h,动态分离器转速ω的调整范围为250～550 r/min时,准东煤和碱沟煤都呈现出R90逐渐减小、均匀性指数n逐渐升高的变化特性。准东煤的R90由28%减小至10%,均匀性指数由0.45升高至1.2;碱沟煤的R90由40%左右减小至10%,均匀性指数由0.65升高至1.5。总体上碱沟煤的均匀性要好于准东煤。

图1 分离器转速变化对R90和均匀性指数n的影响

由图2可以看出,当一次风量分别为70 t/h和80 t/h,磨煤机出口一次风温度的调整范围为70～80 ℃时,准东煤和碱沟煤呈现出不同的变化特性。温度升高的过程中,准东煤和碱沟煤的R90出现相反的变化趋势。准东煤R90由23%降低至21%,均匀性指数由0.7降低至0.62;碱沟煤的R90由25%左右升高至40%,均匀性指数由1.0降低至0.6～0.9。

由图3可以看出,保持动态分离器转速在350 r/min,磨煤机出力在30～40 t/h之间变化,一次风量调整范围为70～80 t/h时,准东煤和碱沟煤的R90也呈现不同的变化特性。准东煤R90随着出力的变化基本保持不变,均匀性指数小幅下降;碱沟煤的R90随着出力增加呈现逐渐升高的趋势,均匀性指数也小幅下降。但是碱沟煤的均匀性指数显著高于准东煤。假设R90为22%,当n=0.9时,根据均匀性指数公式计算得到R200=4.3%;当n=0.66时,计算得到R200=7.7%。两者的R200差值为3.4%,即直径大于200 μm煤粉的比例增加了3.4%。

使用碱沟煤,随着磨煤机出口温度升高,R90不断增加。这在一定程度上缓解了着火速度加快、火焰温度升高对火焰射流衰减加快的影响。使用准东煤,随着磨煤机出口温度的升高,R90不断降低。随着温度升高,着火速度加快,火焰的射流行程缩短。而煤粉粒度减小又使得颗粒前冲的惯性减小,增加了煤粉在水冷壁区域结渣的风险。所以在使用准东煤过程中,采用相对较低的一次风温度,对缓解炉膛结渣更加有利。

图2 磨煤机出口温度变化对R90和均匀性指数的影响

图3 一次风量变化对R90和均匀性指数n的影响

随着磨煤机出力的增加,准东煤的均匀性指数与碱沟煤相比明显降低。均匀性指数低意味着大颗粒煤粉的比例增加,煤粉在炉膛的燃烧需要更长的燃尽时间。

在锅炉增负荷时,烟气量增加,煤粉在炉膛里的停留时间缩短。准东煤的大颗粒煤粉在到达炉膛出口如果没有完全燃尽时,极容易在屏式过热器发生黏结。由于准东煤灰黏性较大[6],一旦发生结渣就难以清除。因此,如何提高大颗粒煤粉的燃尽速度,同时避免着火速度过快导致小颗粒煤粉在水冷壁结渣成为保障锅炉安全运行的关键因素。

3 热重测量试验

为进一步掌握准东煤和碱沟煤的燃烧特性差异,对试验过程中使用的准东煤和设计使用的碱沟煤进行了热重特性测量试验。表1是试验样本对应的工况条件及试验测量结果的主要数据。

表1 准东煤、碱沟煤热重测量对比

热重测量结果反映出准东煤和碱沟煤在燃烧性能方面存在以下特点。

(1) 煤粉细度R90相近的情况下,准东煤两种样本的着火温度的平均值较碱沟煤偏低约25 K。这反映出准东煤较碱沟煤具有更快的着火速度。当准东煤的煤粉细度R90减小时,着火温度会降低更多,而且准东煤的相对密度较小,一旦煤粉偏细,着火速度较快,很容易发生燃烧的煤粉颗粒受火焰气流卷吸作用在水冷壁区域发生黏结、结渣的情况。所以运行过程中细煤粉细度不宜过高。

(2) 准东煤和碱沟煤两种样本的最大失重率的平均值较为接近,反映出两种煤在燃烧过程中所产生的最大热强度相对较为接近。

(3) 准东煤的燃尽速度(失重速率)较碱沟煤明显偏低。同等条件下,准东煤两种样本在800 ℃时失重率的平均值较碱沟煤低9.15%,燃尽过程的平均失重速率的平均值低11.03%。相同燃烧工况条件下,相同颗粒直径煤粉在炉膛出口达到相同的燃尽程度,准东煤的燃尽时间需要增加11.03%。高负荷条件下,磨煤机在出力较高时,碱沟煤的均匀性指数为0.9～1.0,准东煤的均匀性指数为0.6～0.7。如果考虑到磨煤机出口煤粉均匀性指数降低带来的大颗粒煤粉数量和尺寸增加的影响,准东煤煤粉在炉膛内燃尽将会需要更长的时间。对于300 MW等级锅炉20 m左右的燃尽高度而言,燃尽高度至少需要增加2.5 m以上。这一问题是制约现役锅炉在额定负荷下提高准东煤燃烧比例的关键之一。如何保证准东煤煤粉颗粒在炉膛出口达到足够的燃尽程度是防止屏式过热器结渣的关键因素。

4 煤粉粒径分布测量

磨煤机使用准东煤,在出力为40 t/h时,试验煤粉样本通过TSM型激光粒度仪测量得到的煤粉粒径分布曲线如图4所示。测量结果显示,准东煤煤粉在300～400 μm粒径区间存在粒径分布异常的现象。这些大颗粒煤粉在到达炉膛出口时,由于不能完全燃烧,一方面会导致飞灰含碳量升高,另一方面正在燃烧的煤粉更加容易在屏式过热器表面形成结渣。

图4 煤粉粒径分布测量结果

根据制粉系统特性试验的结果,利用机组停机检修的机会对所有磨煤机的分离器进行了内部检查,发现在分离器内有异物堵塞的现象。在异物清理完毕后,再次使用TSM型激光粒度仪对煤粉样本进行了粒径测量,其结果如图5所示。由图5可知,大颗粒煤粉异常升高的问题消失了。

图5 异物清理后煤粉粒径分布测量结果

5 制粉系统优化结果

根据制粉系统试验的结果,对制粉系统进行了以下调整:采用了分磨掺烧的运行方式,即单台磨煤机使用100%的准东煤或者其他煤种;磨煤机使用准东煤时,磨煤机出口温度较使用碱沟煤时偏低5～8 K;相同出力条件下,使用准东煤的磨煤机动态分离器转速较碱沟煤磨煤机降低30 r/min,一次风流量减少2～4 t/h;将相同条件下,使用准东煤燃烧器的周界风挡板开度增加15%,辅助二次风挡板开度减小10%,以此来提高燃烧器出口的火焰刚性,减小水冷壁结渣的风险。

经过调整后,准东煤的燃用比例由优化前的60%提高到80%;优化后的飞灰含碳量较优化前降低约2%。连续运行3个月后,锅炉整体状态保持稳定,未发生严重的结渣问题。

6 结 论

(1) 相同制粉系统在使用准东煤和碱沟煤时,制粉系统特性存在明显差异,使用准东煤时,需要适当降低磨煤机出口温度和动态分离器转速。

(2) 相同粒径的准东煤较碱沟煤着火温度更低,但是其燃烧速度慢。需要更高的炉膛高度才能满足准东煤充分燃尽的需要。

(3) 分离器运行不正常或堵塞时,会导致磨煤机出口大颗粒煤粉增加,飞灰含碳量升高,屏式过热器受热面结渣风险增大。因此,运行过程中需要对分离器进行定期检查。

参考文献：

[1] 孟建强.准东煤燃烧及结渣特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[2] 赵乐强.准东煤的燃烧特性及对策分析[J].电力勘测设计,2017(1):26-30.

[3] 杜智华,姚伟,方顺利,等.350 MW机组锅炉掺烧准东煤结渣问题分析[J].热力发电,2015,44(11):109-113.

[4] 王礼鹏,赵永椿,张军营,等.准东煤沾污结渣特性研究[J].工程热物理学报,2015(6):1381-1385.

[5] 白杨.锅炉全烧准东煤沾污结渣特性分析[J].洁净煤技术,2017(3):118-123.

[6] 程智海,王义,李学兵,等.现役锅炉纯烧准东煤技术研究[C]//中国动力工程学会锅炉专业委员会.中国动力工程学会锅炉专业委员会2012年学术研讨会论文集.2012:19.