锅炉制粉系统混煤掺烧防爆机理研究及工程实践

王承亮

摘 要：为降低燃煤采购成本和适应煤炭市场变化，发电厂都在最大限度地进行高挥发分烟煤或褐煤的变煤种掺烧，这对改善燃料供应紧张局面、降低发电成本、提高电厂经济效益具有显著意义；但同时出现了高挥发分煤种掺烧在制粉过程中引发的制粉系统爆炸等安全性问题；本文进行了锅炉制粉系统防爆机理研究，确定了制粉系统防爆治理技术方向，并结合电厂生产实际提出了不同的制粉系统防爆技术改造技术路线，进一步通过技术分析确定了优先采用冷炉烟再循环防爆治理技术路线，并结合某电厂实际成功实施了冷炉烟再循环防爆技术改造，从而实现高挥发分煤种混烧的制粉系统的安全、环保和高效运行。

关键词：爆炸 冷炉烟 掺烧 制粉系统

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：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

近年来，为了降低燃煤采购成本，适应煤炭市场变化，各发电厂都在最大限度地进行高挥发分烟煤和褐煤的变煤种掺烧[1]，这对改善燃料供应紧张局面、降低发电成本、提高电厂经济效益具有显著意义；但是同时，由于高挥发分煤种掺烧在制粉过程中引发的制粉系统爆炸等安全性问题则越来越受到关注。因此，在变煤种或进行烟/褐煤掺烧的机组上，如何提高制粉系统防爆性能亟待研究解决。本文重点从采用冷炉烟再循环送粉技术提高制粉系统防爆性能机理研究出发，提出具体实施方案并结合现场成功实施。

1 高挥发分煤种条件下的制粉系统爆燃问题

高挥发分的特点赋予了该类煤较好的着火和燃尽特性，但是对现有的制粉系统的安全性却带来极大隐患，燃煤的爆炸性与煤的干燥无灰基挥发分Vdaf基本成线性正相关的关系，当燃煤Vdaf<10%时，属于难爆煤种；当燃煤Vdaf>25%时，属于极易爆煤种。我国当前大型燃煤锅炉的主力煤种的干燥无灰基挥发分普遍高于25%以上，因此制粉系统的安全运行将成为我国大型燃煤锅炉需要面临的普遍性问题。

随着单机容量的增大，为保证机组经济、安全、可靠、合理地运行，对制粉系统设备的结构、性能和运行调节提出了更高更新的要求。对目前高挥发分煤种普遍采用的直吹式制粉系统的大容量锅炉而言，如果系统设计或运行调整不当产生爆燃则会设备损坏，并危及现场人员的人身安全，严重影响到制粉系统安全稳定运行。即使不考虑机组突然停运给电网带来的巨大风险，单以一台300MW机组为例，非计划停运一次造成损失最少为200万元，机组容量越大，非计划停运造成损失也越大。此外，由于制粉系统的出力直接影响锅炉燃烧工况的稳定性，一旦发生异常，将直接對锅炉燃烧工况产生影响，而从着火温度与爆炸性指数的关系可以看出，随着爆炸性指数的下降，煤粉气流的着火温度也愈发增大，即意味着会影响到煤粉气流的着火，从而影响煤粉的燃烧效率。经近5年以来统计数据分析，高挥发分烟煤或褐煤变煤种掺烧的燃煤锅炉制粉系统约30%以上发生过不同程度的爆燃问题，严重影响锅炉安全运行。因此，在低阶煤越来越多被开发利用的现状下，研究如何防止高挥发分煤种的制粉系统发生爆燃意义重大。通常认为煤粉浓度、含氧量和风粉混合物温度是制粉系统发生爆燃的三个必要因素，而磨煤机和输粉管道内煤粉的沉积和自燃也往往成为在制粉系统爆燃的直接诱因。

2 抑爆机理及制粉系统抑爆气体的选择

制粉系统发生爆炸的威胁主要来源于煤粉及其挥发释放的CO、H2及其他碳氢化合物遇到高温或明火发生局部燃烧，进而导致整个制粉系统的爆燃。

N2及CO2气体各自单独对CH4/air爆炸强度的影响规律如图1所示，可见不论是N2还是CO2均可以明显降低CH4/air的爆炸强度，且随着混合物中加入N2和CO2含量的增加，爆炸强度逐渐降低。对比两种气体的抑爆性能，发现在相同的掺混比例下，CO2对CH4/air混合物爆炸强度的抑制作用大于N2，这是由于CO2相比N2比热容大，因而CO2可以更加明显的降低火焰温度。

将CO2和N2按照一定比例混合，混合物作为抑爆剂填入CH4中，这时混合物的爆炸强度曲线如图2所示。可见，对于相同总含量的抑爆气体，其中CO2的比例越高，其抑爆能力越强，混合物的爆炸强度也就越低。这也说明了CO2相比N2拥有更强的抑爆能力。

有以上分析知，CO2和N2对于CO、H2及CH4等可燃气具有十分优良的抑爆能力。电站锅炉的烟气中这两种气体的含量很高，因而十分适合作为抑爆气用于制粉系统的抑爆。环境温度对可燃气体的爆燃规律是温度越低系统的爆炸危险性也越低，因而冷炉烟气相比热烟气具有更为明显的抑爆性能优势，故优先选用冷炉烟作为制粉系统抑爆介质。

3 制粉系统抑爆改造现有技术分析

参照国内同类型改造工程经验，锅炉改烧烟煤（或褐煤掺烧）技术中，对于制粉系统的改造有两类技术[2]，一类将中间储仓式制粉系统改造为直吹式制粉系统，并对锅炉燃烧器进行相应改造；第二类是将中间储仓式热风送粉系统改造为乏气送粉系统。

（1）直吹式制粉系统改造。

采用中速磨直吹式制粉系统，则需要重新配置制粉系统，现有原煤仓需要更改，粉仓、钢球磨、排粉机、粗细粉分离器、给粉机、乏气管和乏气喷口等予以拆除，同时增加相应给煤机和中速磨，增加一层一次风喷口和对应粉管，一次风机、空预器、风系统和汽水系统都需要进行大的调整。这种改造方式改造工作量大、投资大、施工周期长，现场布置较为困难，同时改造后基本上只能燃用烟煤，原有贫煤和无烟煤不能燃用，改造对锅炉的风险较大。如果采用双进双出直吹式制粉系统进行改造，则既可以磨制烟煤，也可以磨制贫煤，但改造工作量和改造带来的风险不低于中速磨制粉系统的改造，同时制粉系统运行经济性相对较差。

（2）乏气送粉系统改造。

采用乏气送粉系统对现有制粉系统进行改造，一般性的改造需要拆除现有一次风道和一次风机，同时只能磨制和燃用烟煤，丧失了燃用贫煤和无烟煤的能力。在一台磨停止后，为保证乏气风箱压力，排粉机不能停，需要掺入冷风保证风温，运行经济性较差。乏气送粉系统改造对现有一次风系统影响较大，需要拆除一次风机，改造空预器，增加送风机出力改造。为了克服以上的技术问题，减少改造工作量，扩大应用范围，提出了第三种改造技术：冷炉烟再循环送粉技术。

（3）冷炉烟再循环送粉技术。

冷炉烟再循环送粉技术以中储式球磨机热风送粉贫煤制粉系统为原型，从引风机出口经冷炉烟风机抽取部分低温炉烟作为惰性介质和部分干燥介质，与取自空气预热器出口的热风以及冷空气混合进入磨煤机干燥和输送煤粉[3]。同时，将排粉机出口部分乏气风经过旁路管道引至热一次风机入口，与热风混合进入一次风箱输送煤粉，降低一次风粉混合物温度和系统氧浓度。

该技术通过冷炉烟与热一次风的混合，降低了制粉系统的含氧量，能够满足磨制烟煤的防爆要求。另外，将排粉机出口部分乏气引至热一次风机入口，可以降低一次风粉混合物温度和系统氧浓度，满足了烟煤输送的防燃防爆要求。技术实施中在冷炉烟系统和乏气旁路系统均装设有挡板门，通过挡板门的开关控制实现原有热风送粉贫煤系统与冷炉烟再循环送粉系统的切换，既能适应原有贫煤又适应烟煤或烟煤掺烧褐煤。

4 某烟气再循环技术在制粉系统抑爆中的应用案例

（1）机组概况。

某电厂6号锅炉为上海锅炉厂生产的SG-1025/16.7-M313UP型亚临界压力再热式直流锅炉，单炉膛，固态排渣煤粉炉。锅炉采用四角切圆燃烧方式，煤粉燃烧器为直流式喷燃器，每组燃烧器由12层喷嘴组成，其中煤粉燃烧器5层，二次风喷嘴7层。制粉系统采用钢球磨煤机中间储仓式热风送粉方式，每台炉配4台磨煤机，2个煤粉仓。锅炉设计煤质为晋北烟煤，工业分析见表1所示。

（2）制粉系统存在爆炸安全问题。

受煤炭供应市场变化的影响，低挥发分烟煤采购困难，电厂长期采购和燃用高挥发分烟煤，燃用煤的Vdaf在35%以上，属于高挥发份烟煤，煤粉爆炸性很强，制粉系统发生多次自燃和爆炸，主要发生爆炸的部位有磨煤机入口、细粉分离器入口、粗粉分离器上部、煤粉仓、煤粉筛以及木块分离器等。

（3）制粉系统改造方案。

结合制粉系统防爆机理研究，拟采用冷炉烟再循环送粉技术提高制粉系统防爆能力，可将制粉系统改造为惰性干燥介质运行方式，用氧含量较低的惰性热烟气替代部分热风进行煤粉干燥，用冷烟气对磨煤机出口温度进行调控；从两侧省煤器后烟道处分别抽取热烟气，从两侧引风机出口通向脱硫塔的总烟道上抽取冷烟气，两者按照一定比例混合后进入炉烟风机升压，炉烟风机升压后的混合烟气直接引入磨煤机热风管道，与热风混合后作为磨煤机干燥和输送介质，再循环烟气量设计应满足系统在大气压力下以湿气容积百分数计的磨煤机出口风粉混合物最高允许氧含量为14%的防爆要求；相对于热风来说，混合烟气作为惰性介质，可以降低制粉系统氧含量，在不影响磨煤机干燥出力和通风出力的条件下，有效提高了制粉系统防爆能力；此外并对粗粉分离器结构形式、粉仓抽吸系统等易积粉部位进行相应治理。

（4）冷炉烟再循环运行方式。

根据《火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规定》（DLT5203-2005）的规定，按照制粉系统干燥介质性质不同，制粉系统防爆设计可分为惰性气氛设计和非惰性气氛设计两种。钢球磨煤机中间储仓式制粉系统磨制烟煤时，采用烟气空气混合干燥惰性气氛时，系统在大气压力下以湿气容积百分数计的最高允许氧含量为14%，磨煤机出口最高允许温度为120℃；采用纯空气干燥时磨煤机出口最高允许温度仅为70℃。

（5）烟气再循环投运后制粉系统防爆运行效果。

从实际运行情况看，制粉系统防爆效果良好，避免了制粉系统爆炸事故的发生；由此可见，改造后增加的炉烟再循环系统能显著提高制粉系统防爆性能，不仅使制粉系统能够安全磨制高挥发份烟煤，同时为适应煤炭市场变化和提高煤种适应性提供了更有利的空间。

5 结语

本文重點进行了锅炉制粉系统防爆机理研究，同时经过技术分析确定了冷炉烟再循环防爆治理技术路线，并结合某电厂实际成功实施了冷炉烟再循环防爆技术改造，从而实现某电厂高挥发分煤种掺烧的制粉系统的安全、环保和高效运行，为制粉系统安全经济运行积累了经验。

参考文献

[1] 张兴豪.贫煤锅炉掺烧烟煤热炉烟风机运行问题及其解决措施[J].热力发电，2014（8）.

[2] 蔡兴飞，张文斌.贫煤锅炉改烧烟煤综合改造技术的应用[J].锅炉技术，2015（5）.

[3] 张树林，曹晖，李剑宁，等.燃烧烟煤锅炉大比例掺烧褐煤的技术改造[J].发电设备，2018，32（3）：208-211.