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基于混煤掺烧的燃煤锅炉安全性与经济性研究

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  • 作者: 祝英浩 秦淇 安敬学
  • 发布时间: 2018-04-02

基于混煤掺烧的燃煤锅炉安全性与经济性研究  

祝英浩 秦淇 安敬学

(秒速时时彩_秒速时时彩计划_秒速时时彩计划网页版华中分公司,河南 郑州 450000

摘要:鉴于火电机组配煤掺烧的必要性及紧迫性,本文基于配煤掺烧机理和特性,介绍了混煤掺烧方式的选择和混煤掺配比例依据,分析混煤掺烧中出现的问题并提出相应避免措施。在此基础上对混煤掺烧试验进行研究,从多个方面分析评估不同混煤掺烧方案的经济性和安全性,确定最佳混煤方案,为混煤掺烧提供了掺烧依据。

关键词:混煤掺烧;效率;安全性;经济性


 

0 引言

为更好解决发电成本问题,提高燃煤机组的经济效益,配煤掺烧技术得到逐步应用。配煤掺烧技术能够促进电站锅炉动力煤有效降耗,降低电厂运行成本,符合了我国对节能减排及能源经济可持续发展的政策要求。本文从配煤掺烧的经济性及安全性出发,介绍了配煤掺烧易出现的问题及解决措施。

1 混煤掺烧的必要性

近年来随着煤炭价格的不断攀升,设计、校核煤种供应紧张,为降低燃煤采购成本,应对设备存在的问题,国内电厂普遍采用混煤掺烧技术。

混煤掺烧可解决锅炉多种问题,如掺烧结渣性较低煤种可解决锅炉结渣,掺烧高硫煤以降低燃煤飞灰比电阻,掺烧高灰发分煤种降低灰渣含碳量,掺烧高挥发分煤种解决低负荷稳燃问题,掺烧高挥发分煤种以降低SCR入口NOx浓度等。

2混煤掺烧方式的选择

2.1炉外掺混、混磨混烧掺烧

该掺烧方式在煤场或输煤上煤过程中进行。掺配不均时容易出现诸多问题,配风的调整很难同时满足两种煤的需求,该方式适宜于燃烧特性及可燃性差别不大的煤种的掺烧。对于可磨系数差别较大的煤按此方式掺烧,不仅制粉出力降低、单耗增大,而且会使灰渣含碳量大幅升高,引起锅炉热效率下降。因此该掺烧方式不适宜跨煤种掺烧。

2.2分磨磨制,仓内掺混,炉内混烧

该掺烧方式适用于储仓式制粉系统,采用分仓上煤方式,在磨制完成后,煤粉在粉仓内掺混,在炉内完成混烧。分仓上煤可以避免控制煤粉细度时可磨系数高的煤被磨的偏细、可磨系数低的煤磨的偏粗的现象,以及制粉系统出力降低、单耗增加等问题;根据不同煤的燃尽特性控制细度,该掺烧方式适宜可磨系数及燃烧特性差别较大的煤种掺烧。

2.3分仓上煤,分别磨制、分层送入炉内

该掺烧方式适应于中速磨直吹式制粉系统、双进双出磨直吹式制粉系统及部分仓储式制粉系统。该掺烧方式除有分磨磨制,仓内掺混,炉内混烧的优点外,还可跟据各层燃烧器燃煤的特点针对性地控制各层的一次风速、风温(直吹式制粉系统)等参数,掺烧效果更好。对于储仓式制粉系统及双进双出磨直吹式制粉系统,掺烧煤种的适应性很广,不仅能适应相邻煤种的掺烧也能适应跨煤种掺烧;由于中速磨直吹式制粉系统在磨制无烟煤时细度达不到要求,故该掺烧方式不适宜无烟煤与其它煤种的掺烧。各种煤种掺烧方式的比较及选择见表1。


 

表1  不同煤种掺烧时掺烧方式的比较及选择


 

混磨混烧方式

掺烧煤种

高比例掺烧后性能

不适应磨的形式

可磨系数差异大

掺烧高硫煤适应性

少量低灰熔点煤适应性

贫煤、烟煤

较好

风扇磨

不适应

适应

适应

烟煤、褐煤

较好

钢球磨

不适应

适应

适应

贫煤、无烟煤

较好

中速磨、风扇磨

不适应

适应

适应

烟煤、无烟煤

很差

中速磨、风扇磨

不适应

适应

适应

褐煤、贫煤

很差

风扇磨、钢球磨

不适应

适应

适应

褐煤、无烟煤

很差

中速磨、风扇磨

不适应

适应

适应

分仓上煤炉内分层掺烧

贫煤、烟煤

较好

风扇磨

适应

不适应

适应

烟煤、褐煤

较好

钢球磨

适应

不适应

适应

无烟煤、贫煤

较好

中速磨、风扇磨

适应

不适应

适应

烟煤、无烟煤

较差

中速磨、风扇磨

适应

不适应

适应

褐煤、贫煤

较差

风扇磨、钢球磨

适应

不适应

适应

褐煤、无烟煤

较差

中速磨、风扇磨

适应

不适应

适应

注:分仓上煤分层掺烧低灰熔点煤时,低灰熔点煤放在中、下层掺入。


 

3混煤掺配比例依据

 计算各种煤的掺配比例时按以下约束条件立出方程求解:

                                                    (1)

掺配后煤的最低挥发分主要跟据炉型、燃烧器布置方式考虑锅炉的稳燃性能及燃尽性能确定;

     (2)

掺配后煤的最低发热量主要跟据制粉系统、给粉机出力确定能否满足机组带负荷的需要;

               (3)

掺配后煤的最高灰分主要跟据输灰系统的输灰能力确定。

        (4)

掺配后煤的最高硫分主要跟据脱硫系统的余量及水冷壁高温腐蚀的倾向确定。

4混煤掺烧中出现的问题及避免方法

4.1炉内结渣

掺烧煤种的灰熔点温度较原燃用煤种降低较多时或掺烧高硫分煤种,以及掺烧煤种在燃烧过程中与原煤种形成低灰熔点的共晶体时,将引起锅炉结渣。为避免掺烧低灰熔点煤引发的炉内结渣,采用中速磨直吹式制粉系统的低灰熔点煤应在炉膛中下部送入。高硫煤的掺烧主要避免在高还原性气氛区域形成低灰熔点的共晶体。低氮燃烧器改造后的锅炉,主燃烧区域整体呈现高还原性气氛,高硫煤掺烧应采用炉前掺混方式,避免集中送入。

4.2水冷壁高温腐蚀


 

在掺烧高硫煤时,炉内水冷壁容易出现高温腐蚀。燃用高硫煤时炉内存在较高浓度的H2S气体,H2S与炉管发生反应形成腐蚀,在壁面存在较高浓度CO,炉管温度较高时,腐蚀速率加快。掺烧高硫煤要跟据燃烧器布置的特点确定是否适合掺烧。对于四角切圆燃烧器锅炉,二次风对一次风的包裹性较好,在壁面不容易出现缺风燃烧,壁面的还原性气体浓度较低,掺烧高硫煤时不容易引起锅炉高温腐蚀;对于采用上下浓淡方式燃烧器,且一次风采用小切圆或微反切,二次风采用大切圆方式,二风对煤粉的包裹较好,水冷壁面还原性气氛较低,掺烧高硫煤不容易引起高温腐蚀;对于旋流对冲燃烧方式锅炉,为避免高温腐蚀可在主燃烧器区域布置贴壁风。

4.3排烟温度升高

对于设计燃用高挥发分煤种的烟煤炉型,在掺烧低挥发分的贫煤或无烟煤时,煤粉燃尽性能降低,火焰中心抬高,引起排烟温度升高。为避免排烟温度升高,直吹式制粉系统的锅炉可通过分仓上煤方式将低挥发分煤种放在中下层燃烧器送入降低火焰中心高度,同时对磨制低挥发分煤种的磨提高磨出口温度来减少冷风掺入量,增加空预器换热的方法降低排烟温度。对于设计燃用低挥发分煤种制粉系统为直吹式的锅炉,掺烧高挥发分煤种时,为防止制粉系统爆炸,磨煤机控制出口温度降低,磨煤机入口掺入的冷风量增加,使经过空预器的热风量减少,造成空预器换热能力减弱,同样会引起排烟温度升高。对此应通过优化降低磨煤机风量,减少掺入冷风量达到降低排烟温度的目的。

4.4燃烧器及粉管烧损

设计燃用低挥发分煤种的锅炉,在掺烧高挥发分煤种时容易产生制粉系统爆炸及一次风管回烧问题。为避免爆炸及回烧问题,应在原来基础上整体增加一次风速,避免掺烧高挥发分煤种时着火点前移造成燃烧器及风管烧损。采用分仓上煤炉内掺烧方式的设计烧低挥发分煤种的锅炉,掺烧高挥发分煤种时,要将掺烧高挥发分煤种的磨煤机风量增大,提高对应层的一次风速。


 

5混煤掺烧的燃尽问题及提高燃尽率的措施

5.1 混煤的可磨系数

研究表明,混煤的可磨系数不是在任何情况下均为可单一煤种可磨系数加权平均值,只有掺混的两个单一煤种可磨系数较接近时,混煤的可磨系数采可加权平均;当掺混的两个煤种可煤系数差别很大时,混煤的可磨系数低于加权平均值,且混煤的可磨系数更接近难磨煤种。可磨系数差别较大的煤混磨时,可磨系数是降低的,不同可磨系数煤种掺混后可磨系数变化情况见表2。

表2  不同可磨系数煤种掺混后可磨系数变化

煤种

Mad

Vdaf

FCdaf

Aad

加权平均HGI

实测HGI

A

1.89

8.82

91.18

14.02


59

B

0.68

16.05

83.95

15.49


94

C

1.74

18.93

81.07

14.52


108

D

0. 81

36.22

63.78

37.15


92

A/C

1.19

14.65

85.35

14.80

83.5

74

B/C

0.77

18.07

82.73

16.01

101

97

A/D

0.77

19.27

82.73

21.01

75.5

63

 

5.2混煤磨制后的粒径偏析

表3  混磨后不同煤粒径的偏析情况

煤种

Mad

Vdaf

FCdaf

Aad

A

1.89

8.82

91.18

14.02

C

1.74

18.93

81.07

14.52

D

0. 81

36.22

63.78

37.15

A/C

1.19

14.65

85.35

14.80

A/D

0.77

19.27

82.73

21.01

A/C

1.54

13.54

86.46

14.21

A/C

1.68

17.28

82.72

14.12

A/D

0.82

16.42

83.58

17.01

A/D

0.79

22.15

77.85

16.42

从表3中数据可以看出,粗颗粒中难磨的挥发分低的无烟煤占多数,细颗粒中易磨的挥发分高的烟煤占多数。按混煤等效挥发分控制煤粉细度时可磨系数差别大的煤混磨时,可磨系数大的煤被磨的过细,可磨系数小的煤磨的偏粗。无烟煤由于燃尽特性差,要求磨的更细才能使燃尽率保持在合理水平。无烟煤与烟煤混磨时无法避免这种矛盾,将导致混煤中无烟煤的燃尽率降低。

5.3混煤的着火温度

混煤的挥发分在两种掺配煤的挥发分差别很大(烟煤和无烟煤)时,实测的挥发分低于按各组分加权的挥发分。两种煤混烧时其挥发份的析出是非同步进行的,混煤着火温度通常低于按混煤加权挥发分对应的单一煤种的着火温度,且更接近掺烧的高挥发分煤种的着火温度。

       

图1  无烟煤和烟煤掺混后着火温度随挥发分的变化

由图1得出:在难燃煤中掺混高挥发分的煤种可改善煤的着火特性。

5.4不同煤种混磨混烧时混煤的着火燃尽特性

        

图2  高、低挥发分煤不同比例掺烧       图3  烟煤褐煤、无烟煤贫煤不同比例掺烧

由图2图3可以看出燃尽特性差异较大的煤种混磨混烧时存在交互影响,一方面高挥发分煤种优先着火燃烧,火炬温度升高,使低挥发分煤种更快达到着火温度促进低挥发分煤种的着火燃烧;另一方面高挥发分煤种着火后会消耗氧量,使低挥发分煤种着火时氧浓度降低,着火变慢,着火后燃烧扩展变慢,燃尽延迟,引起混煤的燃尽率降低。混煤的着火燃尽是这两种因素竞争的结果。当低挥发分煤种掺入低比例高挥发分煤时,混煤着火燃尽有改善效果,当掺烧高挥发分煤超过一定比例时,混煤的燃尽性能反而降低,这就是所谓的高挥发分煤种的抢风引起的混煤燃尽性能下降。煤质性能差异越大,这种交互影响越严重。

5.5不同煤种分仓上煤、分别磨制、分层掺烧时燃尽特性

         

图4 无烟煤掺烧不同比例褐煤                 图5 无烟煤掺烧不同比例烟          

图6 贫煤掺烧不同比例褐煤              图7 贫煤掺烧不同比例烟煤

图8 无烟煤掺烧褐煤、贫煤掺烧褐煤

由图4-8可以得出燃尽特性差异较大的煤种采用分仓上煤、分磨磨制、炉内掺烧方式时燃烧的交互作用依然存在,但这种交互影响比混磨混烧方式减弱,着火燃尽特性好的煤越晚掺入,交互作用影响越弱,即特性好的煤越晚掺入,抢风的现象越轻,因此采用分仓上煤、分别磨制、炉内混烧的掺烧方式有助于燃烧特性差异较大煤掺烧比例较高时混煤燃尽率


 

的提高。


混煤掺烧试验分析

上锅SG2102/25.4-M959型炉,四角切圆燃烧方式,采用六台中速磨直吹式制粉系统,设计煤种为烟煤,掺烧低挥发分贫煤。

表 4  掺烧煤种煤质及燃烧特性

样品编号

煤样 1

煤样 2

煤样 3

煤样 4

煤样 5

煤样 6

Mt/%

8.9

7.6

7.9

9.5

12.3

7.1

Mad/%

3.91

1.25

3.68

1.25

3.8

1.43

Aad/%

19.8

32.84

13.02

32.84

26.56

26.09

Vad/%

17.97

13.25

32.16

13.25

14.04

14.25

St,ad/%

1.79

0.92

1.55

0.92

1.21

0.39

Cad/%

63.5

57.27

67.45

57.27

56.12

63.31

Had/%

3.45

2.59

4.44

2.59

4.71

2.75

Oad/%

6.66

4.27

8.99

4.27

7.81

5.08

Nad/%

0.89

0.86

0.87

0.86

0.79

0.95

Qnet,ar/MJ·kg-1

22.868

20.601

23.204

19.478

21.156

22.689

着火温度/℃

446.3

511.9

438.1

540.4

508.8

429.5

燃尽温度/℃

648.6

702.7

625.2

703.4

692.1

623.1

燃烧特性

易着火、易燃尽

不易着火、不易燃尽

易着火、易燃尽

不易着火、不易燃尽

不易着火、较易燃尽

易着火、易燃尽

 

表5   配煤掺烧方案

配煤方案

A

B

C

D

E

F

1

煤样 5

煤样 6

煤样 2+6

煤样 2+6

煤样 5

煤样 3+5

2

   煤样 3+5

 煤样 6

煤样 2+4

煤样 6

煤样 5

煤样 5

3

 煤样 6

 煤样 6

煤样 1+6

煤样 5+6

煤样 5

煤样 4+5

4

   煤样 2+6

 煤样 6

煤样 2+5

煤样 6

煤样 5

煤样 5

5

煤样 6

煤样 6

煤样 2

煤样 2

煤样 3+5

煤样 4+5

6

煤样 6

煤样 6

煤样 1

煤样 5

煤样 3+5

煤样 4+5

7

煤样 5

煤样 6

煤样 5+6

煤样 6

煤样 6

煤样 5

8

煤样 3

煤样 6

煤样 2+3

煤样 6

煤样 5

煤样 5

 

表6   不同掺烧方式下的锅炉效率

配煤方案

单位

1

2

3

4

5

6

7

8

空预器出口氧量(平均)

%

3.51

3.84

3.67

4.02

4.08

3.44

3.94

3.48

排烟温度(平均)

128.7

128.1

118.9

124.5

123.2

122.7

121.7

129.6

飞灰可燃物

%

3.60

4.87

4.48

3.42

3.68

3.59

3.15

3.47

炉渣可燃物

%

5.05

4.21

9.88

4.89

14.08

14.26

6.22

5.66

排烟热损失

%

4.51

4.53

4.78

4.68

4.87

4.93

4.73

4.50

可燃气体未完全燃烧损失

%

0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

固体未完全燃烧热损失

%

1.53

1.98

2.01

1.32

2.75

1.84

1.06

1.54

锅炉散热热损失

%

0.33

0.33

0.34

0.35

0.33

0.34

0.34

0.33

灰渣物理热损失

%

0.17

0.17

0.16

0.15

0.20

0.16

0.12

0.17

锅炉热损失

%

93.46

92.99

92.72

93.51

91.84

92.74

93.74

93.47

进风修正后锅炉效率

%

93.38

92.89

92.80

93.54

91.89

92.80

93.79

93.37

由表4-6试验结果表明:难燃尽煤放在中、下层掺入,最上层掺入燃尽特性好的煤的掺烧方式锅炉效率最高。

7 结论

(1)炉外掺混、混磨混烧掺烧方式不适宜跨煤种掺烧。

(2)分磨磨制,仓内掺混,炉内混烧只适用储藏式制粉系统,适应可磨系数及燃烧特性差别较大煤种的掺烧。

(3)分仓上煤,分别磨制、分层送入炉内掺烧对于储仓式制粉系统及双进双出磨直吹式制粉系统,掺烧煤种的适应性很广,不仅能适应相邻煤种的掺烧也能适应跨煤种掺烧;对于中速磨直吹式制粉系统由于在磨制无烟煤时细度达不到无烟煤的要求,故不适应无烟煤与其它煤种的掺烧。

(4)从混煤的着火温度变化可以得出,在难燃煤中掺混高挥发分的煤种可改善煤的着火特性。

(5)通过分仓上煤、分磨磨制、炉内掺烧方式不同煤种混入前后顺序对比可知,燃尽特性好的煤晚混入炉内掺烧方式能提高混煤燃尽率。

参考文献:

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