粗粉分离器细度调节特性的试验研究

周亮，陈文

(1. 国电长源荆州热电有限公司，湖北 荆州434000；2. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；3. 高效清洁火力发电技术湖南省重点实验室，湖南长沙410007)

0 引言

由于燃料价格、运输、运力等多方面的原因,火力发电机组的入炉煤质经常随着市场变化, 多数电厂实际未燃用设计煤质。煤质的变化对锅炉运行的安全性与经济性影响很大, 机组运行期间经常需要根据入炉煤质变化和制粉系统出力来调整煤粉细度以提高锅炉燃烧的经济性。因用电结构原因, 电网负荷的峰谷差较大, 燃煤机组大多须参与深度调峰。机组负荷变化时, 制粉系统运行工况也不同,锅炉燃烧的最佳煤粉细度也会随之发生变化, 需要根据机组实际运行情况调整煤粉细度, 以降低飞灰和炉渣含碳量, 提高锅炉效率。制粉系统的性能直接关系到锅炉带负荷能力和煤粉燃烧的稳定性和经济性, 国内外多位学者专家对制粉系统优化调整进行了相关研究, 开展了磨煤机参数优化调整试验,探讨了输粉管煤粉分配的均匀性和煤粉细度的变化规律[1]。文献 [2-3] 对磨煤机出力和单耗、煤粉细度、风煤比、磨煤机出口温度等因素进行了分析研究, 文献 [4-5] 对炉内热负荷、NOx的生成、锅炉运行特性和经济性等进行了研究论证。文献[6-8] 针对磨煤机运行期间煤粉细度偏粗、煤粉细度调节等问题进行了设备改造, 因缺少在线测量装置, 煤粉细度的测量存在一定的延时。本文针对某燃煤电厂锅炉制粉系统煤粉细度偏粗、煤粉细度无实时数据等问题, 从粗粉分离器调整入手开展了一系列试验研究。

1 系统概述

某电厂锅炉采用冷一次风正压直吹式制粉系统, 配置6 台HP803 型中速磨煤机, 设计燃用晋北烟煤, 磨煤机主要性能数据见表1, 每台磨出口设计有4 根一次粉管, 运行期间存在煤粉细度偏粗、磨出力不足的问题。

表1 磨煤机主要性能参数

依靠调节分离器挡板的不同角度来调节煤粉细度, 调节挡板又可分为静态挡板和动态挡板。静态挡板调节一般为手动形式, 调整起来相对比较困难, 除非煤质发生大的变化, 运行中一般不进行调整。动态调节挡板大多可远程控制, 依靠变频电机带动, 调节方式相对方便灵活, 可以适应入炉煤质变化、机组负荷变化、制粉系统运行方式变化, 通过调整其转速来获得需要的煤粉细度。因此为满足煤种变化、负荷变化、制粉系统出力变化和高效低NOx运行的需要, 选配动态旋转式粗粉分离器。

2 煤粉细度对锅炉运行的影响

2.1 煤粉细度对锅炉运行安全性的影响

煤粉颗粒尺寸越小, 煤粉的比表面积越大, 同等条件下挥发分析出速率越快, 着火和稳燃能力越强。在当前电网要求机组参与深度调峰的大背景下, 锅炉低负荷稳燃能力显得尤为重要。煤粉颗粒的着火特性直接影响低负荷稳燃能力, 煤粉细度越小, 煤粉颗粒着火相对提前, 稳燃能力增强, 燃尽时间相对降低。煤粉细度越大, 挥发分析出越慢,煤粉颗粒的着火温度相应提高, 着火燃烧速率更慢, 燃烧稳定性差, 低负荷下锅炉灭火可能性亦随之增大[5,9], 在燃用贫煤和无烟煤时更为突出。

此外, 煤粉细度值偏大会导致煤粉颗粒着火推迟, 炉膛燃烧火焰中心位置相对升高, 水冷壁吸热量相对减少, 炉膛出口烟温升高, 可能造成受热面超温、结焦[10]。此外, 煤粉颗粒越粗, 燃尽特性越差, 偏粗的飞灰颗粒对水平烟道及尾部烟道受热面的磨损也会加剧, 受热面的磨损、高温腐蚀、结焦、受热面管壁温度超温的可能性增大, 对锅炉运行不利。

2.2 煤粉细度对锅炉运行经济性的影响

煤粉细度对锅炉运行经济性的影响首先表现在煤粉气流着火和燃尽等方面。相关实验研究结果表明, 煤粉越细, 活化能越低, 其着火温度下降, 燃尽时间相对缩短, 煤粉颗粒燃尽时间与颗粒直径的平方成正比。

煤粉气流的着火温度随煤粉细度变细而明显下降, 这是因为煤粉颗粒尺寸减小后增大了燃烧反应的相对比表面积, 降低了煤粉颗粒的活化能, 煤粉颗粒更易着火燃烧, 使得飞灰和炉渣可燃物含量下降, 机械不完全燃烧热损失减小, 锅炉效率提高。曾对某1 000 MW 机组进行了煤粉细度调整试验,煤粉细度R90从11%降至8.3%时, 锅炉效率从92.76%提高至93.19%[11-12]。

虽然煤粉细度降低, 可以增强煤粉着火和燃尽, 提高锅炉效率, 但是也会带来制粉系统出力下降、磨煤机电耗升高、金属耗量增大等问题。因此, 需要综合考虑煤粉细度的最佳值, 使锅炉运行经济性处于较好水平。

2.3 煤粉细度对锅炉运行环保指标的影响

煤粉细度的变化也会对煤粉燃烧后形成的污染物排放产生影响, 研究显示煤粉细度对NOx、PM10、PM2.5和痕量元素等污染物的排放具有一定影响。煤粉细度减小后, 无论是NOx生成还是NOx还原,NOx体积分数呈现下降趋势[4]。煤粉越细、燃烧时间越长、燃烧温度越高, 生成的 PM10、PM2.5、PM1的量均越大[13]。同时, 煤粉越细, 排放颗粒物中Cu、Ni、Pb、Zn、Cr 等痕量元素含量越高[14]。

3 煤粉细度调节试验

影响煤粉细度的因素较多, 煤质因素 (如水分、灰分、可磨性指数等)、制粉系统设备状况(如磨辊磨损、回粉管堵塞等) 和运行参数 (如磨煤机出力、系统通风量、加载力等) 都会直接影响到煤粉细度值。排除煤质因素和制粉系统设备状况外, 制粉系统运行期间一般通过调整旋转分离器的转速、系统通风量、加载力等方法来调整煤粉细度, 其中动态旋转分离器的实时调整可以在线调整煤粉细度以增加对煤种的适应性。虽然旋转分离器确保了煤粉细度可以根据煤质和负荷变化情况进行调节, 但因缺乏在线检测手段无法获知在不同出力和分离器转速下的煤粉细度值, 运行人员一般依靠经验值。

3.1 变分离器转速试验

动态分离器利用离心分离和撞击分离将合格的细煤粉从煤粉流中分离出来, 分离器转速越高, 分离出来的煤粉粒子直径越小。因煤粉细度随动态分离器转速的变化规律受煤种变化影响较小, 为获得动态分离器转速对煤粉细度的特性函数, 将磨煤机出力调至30 t/h 不变, 保持运行参数稳定, 分离器转速从500 r/min 变化至900 r/min, 在磨煤机出口4 根煤粉管的取样孔上进行等速取样抽取煤粉, 利用气流筛分析煤粉细度R90, 煤粉细度试验结果见表2, 煤质数据见表3。

表2 煤粉细度试验值

表3 试验煤质数据

从试验结果分析可知, 随着分离器转速的升高, 煤粉细度R90值下降, 表明分离器挡板对煤粉颗粒的离心分离和撞击分离作用越强, 煤粉的细度越低。从试验数据上看, 在分离器转速 500 ～900 r/min时, 煤粉细度与分离器转速之间存在较好的线性调节关系。

更换煤质为神混煤后, 在磨煤机出力下降至21 t/h时进行了同样的试验, 如图1 所示, 动态分离器转速与煤粉细度之间的关系也存在着同样的线性关系, 在制粉系统运行期间可以参照该线性曲线来进行煤粉细度的调节。如在30 t/h 出力下时, 煤粉细度R90与分离器转速x间存在着如下关系式:

图1 煤粉细度与分离器转速的关系曲线

同时从试验可知, 在分离器转速500 r/min 时,磨煤机煤粉细度偏粗,R90达到30%以上。煤粉细度的调整应根据入炉煤质情况, 可参考燃烧调整试验结果和响应规程进行。根据该锅炉试验情况, 结合DL/T 467 《电站磨煤机及制粉系统性能试验》宜将煤粉细度控制在18%～22%。

3.2 煤粉细度与磨煤机出力特性试验

分离器转速不变时, 即分离器转速不进行调节时, 煤粉细度与磨煤机出力之间存在着一定的函数关系。为研究磨煤机出力与煤粉细度之间的关系, 维持分离器转速600 r/min 不变, 对该磨煤机出口煤粉细度进行取样分析, 试验结果如图 2所示。

图2 煤粉细度与磨煤机出力的关系曲线

从煤粉细度与磨煤机出力特性试验中可以看出, 在分离器转速不变的情况下, 随着磨煤机出力的增大, 煤粉细度R90值逐渐增大。分析认为, 磨煤机出力为研磨出力、通风出力和干燥出力, 且为其中最小者。对于该磨煤机而言, 磨煤机出力越大, 其研磨能力要求越强, 同时为保证一定的风煤比, 通风量也随着磨煤出力的增大而增大, 煤粉细度与磨煤机出力之间存在着一定的函数关系, 进一步研究可以得出, 对于该磨煤机, 磨煤机出力为20～30 t/h 时, 通过试验数据的曲线拟合得到煤粉细度R90与磨煤机出力x间存在着如下关系式:

在试验条件下, 煤粉细度与磨煤机出力之间存在二次函数关系, 为达到煤粉经济细度, 结合试验结果可以得到磨煤机在不同出力下的分离器转速控制曲线, 如图3 所示。

图3 不同出力下分离器转速控制曲线

4 结语

1) 煤粉的经济细度受煤种变化、电网负荷变化和制粉系统出力变化而变化, 只有根据实际入炉煤质和电网调度负荷情况调整煤粉细度, 才能确保机组安全、经济运行。

2) 煤粉细度R90值随着分离器转速的升高而下降, 在分离器转速500 ～900 r/min 之间时, 煤粉细度与分离器转速之间存在较好的线性调节关系。若燃用煤质发生变化时, 应对分离器转速进行调整。

3) 在分离器转速不变的情况下, 随着磨煤机出力的增加, 煤粉细度R90值逐渐增大, 煤粉细度R90与磨煤机出力之间存在着二次函数关系。

4) 制粉系统的健康运行对锅炉经济性影响较大, 通过煤粉细度调整试验可得到磨煤机在不同出力下的分离器转速控制曲线, 能有效提高锅炉运行经济性。