改烧神华煤对制粉系统及锅炉运行的影响

改烧神华煤对制粉系统及锅炉运行的影响

　近年来煤炭资源日益紧张，煤炭价格逐年升高，发电厂燃用非设计煤种的现象越来越普遍。大港发电厂2号锅炉原主要燃用山西、河北等地劣质烟煤，自2012年7月开始改烧神华煤。

　　神华煤是目前我国主要的动力煤种。程志强、赵炎钧等对神华煤的煤质特性、燃烧特性和结渣特性进行深入研究，表明神华煤具有发热量、挥发分、灰中含钙量高、灰分、含硫量低的特点，这些特性决定了神华煤具有良好的着火和稳燃性能，通过经济性分析也表明燃用神华煤锅炉具有热效率高，NOX、灰尘和SO2排放低的良好经济性和环保性；但研究中发现的神华煤灰熔点较低、易结渣的特性决定其容易导致制粉系统爆炸、锅炉结渣、堵渣等直接影响机组安全运行的问题，这严重制约了神华煤在电站锅炉上的应用。针对神华煤易结渣的特点，很多学者也进行了深入分析。俞海淼等在2.11MW四角试验炉上研究了喷钙和再燃对燃烧神华煤炉内沾污结渣特性的影响；周俊虎等使用扫描电镜和X射线衍射仪分别研究了神华煤燃烧过程中在0.25MW试验炉不同部位的沉积样品的形貌学和晶相组成，提出了定量判断不同煤种的结渣倾向的两个指标：沉积灰渣的平均脱落周期和平均热流衰减幅度；Zhu等在600MW锅炉机组上通过受热面污染监测模型监测各受热面的污染增长特性和污染上、下限，并检验吹灰器的吹扫对结渣的影响；张志远分析了660MW超临界锅炉增刊在燃用神华煤时的结渣特性；任锐等提出了大容量煤粉锅炉燃用神华煤结渣特性判别的两种方法。在实际应用中很多电厂往往采用掺烧高灰熔点煤的方式提高入炉煤的灰熔点，减少炉内结渣现象的出现。李永华和梁绍华等分别以800MW超临界旋流燃烧直流炉机组和1 025t/h单炉体双炉膛四角切圆汽包炉为对象开展了神华煤和其他不易结焦煤种的混煤燃烧进行了模拟研究，分析了掺烧时不同工况炉内的温度和速度分布，并通过试验进行了验证；阎维平等对100、200 MW燃煤机组掺烧强结渣煤的混煤结渣性能研究，分析预测了不同掺烧比的结渣指标和程度；陈怀珍等系统分析了神华煤掺入不同比例其它烟煤后，混煤的着火、燃尽和结渣性能及沾污性能的变化规律；高继录等在1000MW机组上进行了神华煤与霍林河褐煤掺烧试验，研究了褐煤掺烧比例对磨煤机最大出力、机组最大出力和机组性能的影响，并进行了燃烧优化试验。

　　大港发电厂2号锅炉采用神华煤和准格尔煤炉外掺混的掺烧方案。由于燃煤性质较先前煤种发生较大变化，不仅原煤发热量、灰份、灰的成分和硫份差距较大，相应的燃烧生成的烟气量、灰渣量也变化明显，可能对锅炉运行以及除尘器、除灰除渣、脱硫系统产生较大影响，因此需要开展改烧、掺烧神华煤相关试验研究，评估对锅炉及其相关系统的影响，这对锅炉系统及全厂的安全性和经济性具有重要意义。本文以大港发电厂2号锅炉为对象开展改烧、掺烧神华煤的试验研究，重点对试验中遇到制粉系统调整和锅炉运行参数控制问题进行了分析。

　　1设备简介大港发电厂2号机组锅炉为上海锅炉厂生产的SG1080A7.6亚临界压力、一次中间再热、控制循环汽包炉。炉膛宽度为14 022mm，深度为12615mm，宽深比为1：1.11，近似正方形炉膛截面，炉顶管中心线标高为59600mm，锅筒中心线标高为60520mm，炉顶大板梁标高67800mm.锅炉采用正压直吹式制粉系统，配置5台ZGM95G中速磨煤机，2台密封风机，1台运行1台备用，配有5台电子称重式给煤机。燃烧器的一、二次风喷嘴呈间隔排列，顶部设有OFA二次风，用来控制NOX的排放量。A、B、C、D、E为煤粉喷嘴，在燃烧器二次风室中配置了3层共12支轻油枪，AB、BC、DE为油枪喷嘴，燃用0号轻柴油。为了满足锅炉调节汽温的需要，燃烧器喷嘴采用摆动式结构，由气动驱动装置通过连杆结构来驱动，一次风上下摆动20°；二次风上下摆动30°，顶部手动喷嘴向上摆30°，向下摆6°。燃烧器布置采用四角切园、同心正反切燃烧方式，可使煤粉与空气之间产生强烈的混合，增加煤粉的完全燃烧，减少对水冷壁的冲刷，从而减轻炉膛结焦。为了改善煤粉着火性能和低负荷燃烧稳定性，燃烧器采用水平浓淡分离和V型钝体宽调节比喷嘴。

　　2试验面临的问题2.1制粉系统爆炸风险神华煤挥发分含量高，属于易着火易爆炸煤质。煤粉浓度、煤粉挥发分、煤粉细度与可燃气体共存是引起制粉系统爆炸的内部原因；系统内的积煤和积粉、磨煤机断煤运行、出口温度过高、煤粉过细、水分过低，热风门不严以及外来火源等，是其外部原因。改烧神华煤，应采取消除积粉、消除漏风、控制磨煤机出口温度、控制煤粉细度、加强煤质检验、控制外来火源等措施来预防制粉系统爆炸。

　　2.2锅炉运行参数控制由于现用煤种与原来煤种的特性相差较大，原有的锅炉运行控制方式需要相应的进行改变，特别是针对神华煤掺烧过程中出现的排烟温度较高、末级再热器受热面壁温分布不均、超温的问题，需要通过对锅炉运行参数的调整分析，找到问题出现的原因，确定合理的锅炉运行参数控制方式。

　　3试验结果及分析3.1制粉系统调整控制3.1.1煤粉细度调整神华煤挥发分较高，从安全性角度考虑，需要采用较粗的煤粉细度来防止制粉系统着火、爆炸；从运行角度分析，较粗的煤粉可延长煤粉燃烧火炬，降低燃烧器区域热负荷，咸缓燃烧器区域结渣，但可能导致屏及对流受热面结渣，根据其他电厂燃用神华煤的经验，炉膛上部及对流受热面无结渣问题时，煤粉细度私。可在2632左右，燃烧器区不结渣时，煤粉细度办。可在20左右。综合考虑制粉系统安全性和防止结渣两方面因素，煤粉细度尺90控制在30°%左右，表1给出了各磨煤机的煤粉细度调整后结果。

　　磨煤机给煤量/（t/h）分离器开度/% 3.1.2磨煤机组合控制燃用神华煤锅炉的结渣部位主要集中在燃烧器区域，因此可通过改变磨煤机运行方式，调整各台磨煤机的给煤量来改变各层燃烧器负荷分配，使燃烧器区域热负荷均匀分布，并减小燃烧器摆角下倾的角度，避免局部热负荷偏高问题出现，最终达到减缓炉膛结渣之目的。为分析炉内结焦情况，采用红外高温仪测量锅炉不同标高处的炉内火焰温度，该仪器的分辨率为rc，并通过观火孔对炉内结焦情况进行观察。温度测试过程中分别测量了6层标高共36个测点的火焰温度，将同一标高处不同测点检测的温度取平均值作为该标高的火焰平均温度，将6层标高所有测点综合求平均温度得到炉膛火焰平均温度。8月22日至23日期间，2号炉进行了改变磨煤机组合方式的试验，此时神混与准混的掺烧比例为7：3，表2中给出了几种磨煤机组合方式时炉膛不同高度处的火焰平均温度。

　　8月22日在锅炉330MW时分别在吹灰结束后、吹灰结束后3h和吹灰结束后5h进行了3种不同磨煤机组合运行方式下的炉膛火焰温度检测试验，即表2中的工况1、2、3.从表中可以看出，工况2与工况1相比炉内火焰温度略有增加，锅炉沾污在正常水平；而工况3中D磨煤机的运行使得表2不同磨煤机组合方式时炉膛不同高度处的火焰平均温度磨煤机组合方式炉膛标高/m工况1工况2工况6平均温度炉内火焰中心提升，炉内火焰温度水平有明显提高，平均温度增大60C，增大了墙式再热器区域、折焰角、屏底和尾部受热面结焦和积灰的可能，而且从表盘参数看，工况3时空气预热器入口烟气温度增加了2C，排烟温度升高约1C.8月23日在锅炉300MW磨煤机ABCD组合方式时分别在吹灰结束后、吹灰结束后3h和吹灰结束后5h测试了炉内的火焰温度分布，即表2中工况4、5、6.从表中可以看出，在该磨煤机组合方式下，炉内火焰中心降低，炉内温度水平有明显降低，有助于减轻分隔屏底的结焦和降低排烟温度。由此，建议在制粉系统设备正常情况下，优先选用下层磨煤机组合方式运行。

　　3.1.3磨煤机出口温度控制工况6进行了提高磨煤机出口温度试验，将磨煤机出口温度设定值由工况5中的68C提高至73C，对比两个工况的试验数据发现，磨煤机出口温度平均增加5C后，炉内火焰平均温度有所降低，特别是燃烧器上部28.6m到标高34.2m的区域内温度降低了10C左右，表明煤粉进入炉内着火呈现提前趋势，但受热面沾污未有明显变化；一次风机出力基本未变，热一次风母管温度降低3C，排烟温度降低3C，表明进入空气预热器的冷一次风量增加，空气预热器换热效率提高。因此提高磨煤机出口温度，能够有效提升煤粉着火性能，并降低锅炉排烟温度，提升锅炉整体运行效率，而神华煤属于极易着火和极易爆炸的煤种，燃用神华煤时要控制好磨煤机出口温度，防止制粉系统及石子煤系统的自燃和爆炸，根据电力工程师手册中经验公式计算及燃用神华煤的经验，磨煤机出口温度不要超过75C，锅炉按照工况6的方式经过一天运行发现，磨煤机出口温度设定为73C可以保证制粉系统运行的安全性，也能提高锅炉整体运行效率。

　　3.2燃烧过程参数控制3.2.1―二次风控制在入炉煤配比确定，制粉系统调整合适后，运行人员可操控的调节手段主要是一、二次风控制，包括一、二次风速、风压以及风门开度的调整，同时针对试验中出现的2号炉排烟温度较高、再热器壁温超温的问题，通过对一二风的调整找到问题的原因和解决方案。

　　在7月底，经过近半个月的神混与准混7：3的掺烧运行后，2号锅炉进行了停炉检修，进入炉膛检查发现个别燃烧器火嘴处和下层燃烧器区域的水冷壁上存在少量焦块（大部分焦块已随停炉冷却而掉落）。从所结的焦块看，贴水冷壁的那面明显呈现较深的颜色，表明有未完全燃烧的煤粉微粒粘结。分析原因，主要由以下几部分构成。

　　经过风量标定试验发现2号锅炉A、B磨煤机风量测量装置存在指示不准的问题，此时运行人员为防止一次风速过低导致堵塞粉管，易通入过量一次风，相应的，必须投入过量一次冷风来控制出口温度；虽然较高的一次风速能避免煤粉在燃烧器出口过早着火而烧坏喷嘴，但在燃烧器摆动不同步或不一致时，未燃尽的煤粉颗粒容易沾污在燃烧器区域水冷壁上，遇有严重沾污倾向煤种时，结焦也相对严重；过量冷风进入炉内，降低空预器换热效果，导致排烟温度升高，降低机组整体运行效率。

　　调整期间进行了变一次风压运行试验，在额定负荷下，将一次风母管压力由10.4kPa降至9.5kPa，期间A、B、C各台磨煤机出力均在36t/h左右，D磨煤机出力在31t/h左右，随风压降低，B磨煤机呈现堵磨趋势，故试验终止。试验结果表明，当前2号锅炉一次风母管压力额定负荷维持10kPa较为合适，过低一次风压存在发生堵磨的风险。

　　综上分析，2号锅炉需要对磨煤机风量测量系统进行优化，建议在进行低N0X燃烧器改造时，全面考虑对测量装置及其附近冷热风道的改造。

　　通常认为神华煤在弱还原性气氛下灰熔点更低，为避免燃烧器区域氧量过低，运行人员易通入过量二次风。一次风和二次风在燃烧器出口耦合时，过量的二次风对一次风产生干扰，卷吸作用加强，流场紊乱强烈，使得燃烧初期还熔融状态的煤粉颗粒在喷口处发生贴壁。二次风速过高，会引起切圆加大，加速灰粒向水冷壁的惯性迁移而导致结焦加剧。因此，燃用神华煤时，二次风速不宜过高，可较一般烟煤锅炉低，或取其下限值。

　　燃烧调整期间，为了分析2号锅炉排烟温度和再热器壁温较高的原因，对2号锅炉二次风门开度进行了调整，结果发现在某一风门开度时，末级再热器受热面壁温在正常控制值内，无超温点，最高点为55-1点达到570.1°C；左右侧再热器出口汽温测点分别为534.7和538.7°C，偏差4°C，接近额定值；空气预热器入口烟气温度基本一致，分别为346.6和345.4°C，但对二次风门进行微调以后，在10min之内，末级再热器受热面壁温就发生了明显的变化。2号锅炉二次风门调整前后的开度及调整前后再热器受热面壁温变化可见表3、4，调整前后入炉燃料量和总风量基本未变。

　　从表中可以看出，二次风门调整前后末级再热器受热面壁温变化非常明显，55-1点快速升温到585C，而39-1点则降温到489C，上述变化在10min之内产生，基本可以排除结焦导致的吸热不均现象，二次风门恢复调整前开度后，壁温测点也回到初始调整值。试验表明，导致末级再热器个别壁温测点频繁超温的原因在于二次风门送入不均（实际二次风门开度与DCS反馈不一致），导致四角煤粉燃烧放热速率不均；同时，就地检查燃烧器摆角，四角燃烧器一致性不佳，导致煤粉由不同角度送入炉膛，无法形成正常切圆燃烧，二次风‘’同心反切‘又会加剧燃烧不均，从而引起墙式再热器区域温度分布严重不均；由于墙式再热器以辐射吸热为主，某一再热器区域烟气频繁波动，引起再热器吸热不均；在锅炉再热汽源设计没有良好混合及交叉的情况下，墙式再热器的吸热不均传导至末级再热器，最终引起55-1点对炉内热负荷波动极为敏感，经常超温，而在空气预热器入口烟温测点标定时发现右侧烟气温度偏低，与右侧再热汽温偏低一致，也进一步验证了上述推断。

　　基于上述分析，2号锅炉在相同负荷工况下排烟温度高于1号锅炉，也是由燃烧器系统故障导致的。炉内燃烧工况不佳，受热面吸热不均，必然导致燃烧效率降低，相同负荷下需要更多燃料量补充，排烟温度必然升高。因此建议利用低氮燃烧器改造机会，对2号锅炉燃烧器系统进行彻底更换。3.2.2.氧量控制表3二次风门调整前后开度变化通常认为低氧燃烧会使燃烧器区域处于还原性气氛中，不利于降低锅炉结渣趋势，而神华煤属于极易结渣的煤种，因此燃用神华煤的电厂较多采用高氧量运行。高氧量运行通常采用增加二次风量表4二次风门调整前后末级再热器受热面壁温变化Tab.4Laststagereheaterheating位置调整前温度调整后温度的办法实现，对类似2号炉的四角切圆燃烧锅炉，过高的二次风使得切圆变大，导致一次风贴墙，反而加剧结渣；而且高氧量运行会增大风机的电耗，对于控制烟气中NOx浓度也是不利的。

　　基于高氧量运行的上述缺点，有的电厂尝试采用低氧燃烧的方式，结果证明在保证锅炉运行安全性的前提下，低氧燃烧对于降低风机电耗和NOx排放浓度确实有一定效果，也能提高锅炉效率，但低氧燃烧也容易造成燃料的不完全燃烧，而且由于二次风量的减少，煤粉颗粒燃尽时间延长，燃烧器上部以及分隔屏区域的燃烧温度呈明显上升趋势，相应地燃烧器上部区域以及屏底的结渣倾向趋强，因此在运行中，根据炉内实际的结焦情况，及时检测排烟中的CO和飞灰可燃物含量，消除或降低炉内的还原性气氛，以减少炉膛内结焦。

　　试验期间，进行了低氧燃烧测试，在满负荷工况下控制空预器入口氧量在3.0%左右，测得CO含量极低，煤粉燃烧较为完全。考虑当前2号锅炉各台磨煤机煤粉细度私。均控制约在30%左右，颗粒已经相对较粗，满负荷工况3.0±0.2%的运行氧量是综合各种因素后的较为合理的控制水平。

　　3.2.3炉底漏风控制由于2号锅炉存在排烟温度较高的情况，试验期间，我们对炉底漏风情况进行了重点关注。经检查，2号锅炉底部冷却风正常投入，冷却风门开度较小，但干排渣系统仍然存在较多漏风点，如未关闭严密的检查孔（门），捞渣机金属外墙连接处密封老化或脱落而导致的漏风多有存在，建议利用检修机会，彻底消除不应存在的底部漏风，以提升锅炉运行效率。

　　4结论大港发电厂2号炉由原来燃用劣质山西烟煤改烧神华煤与准格尔煤的混煤，对锅炉及相关系统的安全经济运行提出了挑战。本文通过对锅炉开展燃烧调整试验，分析了改烧、掺烧神华煤和准格尔煤后锅炉制粉系统的变化，并对锅炉运行中重要参数进行了调整试验，确定了满足锅炉安全经济运行的合理的参数。试验结果表明：改烧神华煤和准格尔煤的混煤以后，磨煤机出口的煤粉细度设定为30%左右；在制粉系统设备正常情况下，优先选用下层磨煤机组合方式运行；磨煤机出口温度设定为73C可以保证制粉系统运行的安全性，也能提高锅炉整体运行效率。

　　在电厂以后进行低氮燃烧器改造过程中，要对磨煤机风量测量系统进行优化，解决一次风量测量不准带来的运行误导问题，同时要对燃烧器系统中二次风门开度和燃烧器摆角的一致性进行修正改造，以解决再热器受热面壁温分布不均、超温和锅炉排烟温度较高的问题；2号锅炉在满负荷工况下，3.0±0.2%的运行氧量是综合各种因素后的较为合理的控制水平。