燃煤鍋爐變煤種運行對鍋爐運行和排放的影響

施愛弟

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，200540)

燃煤鍋爐變煤種運行對鍋爐運行和排放的影響

施愛弟

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，200540)

隨著環(huán)保意識的提高，電站鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格。針對目前燃燒硫、氮元素及灰分多變的煤的現(xiàn)狀，單燒設(shè)計煤種不易實現(xiàn)，取而代之的是燒一些偏離設(shè)計煤種的混煤。文章闡述了變煤種運行對制粉系統(tǒng)閃爆、鍋爐燃燒、傳熱、結(jié)焦產(chǎn)生影響及鍋爐排放的防范措施。

變煤種運行 燃煤鍋爐 燃燒排放

動力煤主要依據(jù)煤的干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)來分類，分可為貧煤、煙煤、褐煤、無煙煤等。貧煤的Vdaf在10%～20%，灰分較多；煙煤的Vdaf在10%～50%，含碳多，灰分、水分少，發(fā)熱量高；褐煤的Vdaf大于40%，水分與灰分較高，發(fā)熱量低，著火與燃燒容易；無煙煤的Vdaf不大于10%，含碳最多，發(fā)熱量高，難以點燃。煤主要的可燃質(zhì)是碳，燃燒產(chǎn)物主要是CO2；煤中的硫(S)燃燒產(chǎn)生的SO2或SO3氣體從煙囪排出時會污染大氣，對人體和動物都有害(標(biāo)準(zhǔn)為不大于100 mg/m3)；煤中的氮(N)成分復(fù)雜，燃燒后產(chǎn)生的NOx從煙囪排出后污染大氣，危害人的身體健康(標(biāo)準(zhǔn)為不大于100 mg/m3)；煤中的灰分燃燒后轉(zhuǎn)變成的粉塵也是危害人體健康的有害物質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)為不大于20 mg/m3)。為此，許多火力發(fā)電廠都在尋找合適自己的煤源，導(dǎo)致鍋爐燃單煤種已經(jīng)不現(xiàn)實，隨之而來的是采用品種繁多的混煤。這樣鍋爐排放指標(biāo)符合要求了，但是鍋爐的安全和經(jīng)濟運行受到威脅，鍋爐運行中風(fēng)煙系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)各項參數(shù)偏離設(shè)計值，需要改進設(shè)備和調(diào)整、完善工藝。就中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部(以下簡稱熱電部)而言，其煤粉爐設(shè)計煤種低位發(fā)熱量20.315 MJ/kg、揮發(fā)分27.31%、灰分19.87%、水分9.61%、硫1.0%、氮0.79%；2010—2014年熱電部的燃煤熱值一般在19.9～ 21.5 MJ/kg，硫在0.3%～1.2%，氮在0.3%～1.0%，揮發(fā)分23%～32%，灰分18%～25%。近年來，由于國家環(huán)保要求和煤價格波動大，火力發(fā)電廠單燒設(shè)計煤種或全燒單一煤種不易實現(xiàn)，各火力發(fā)電廠的工作重點在于滿足當(dāng)?shù)卣旱幕曳帧特性以及燃燒排放環(huán)保要求。為了燃燒混煤后確保鍋爐的安全、經(jīng)濟運行，必須從改造設(shè)備、采取燃燒新技術(shù)、采用和完善運行工藝才能適合目前環(huán)保、安全、經(jīng)濟需要。

1 煤種變化后對鍋爐運行的影響

煤種變化后，鍋爐不易達到設(shè)計的最低穩(wěn)燃負荷，經(jīng)濟指標(biāo)值偏離原來標(biāo)準(zhǔn)，各項考核指標(biāo)無法完成。制粉系統(tǒng)的煤粉細度很難控制，制粉系統(tǒng)閃爆機率增加，煤粉爐一次風(fēng)噴口易結(jié)焦，燃燒器燃燒不穩(wěn)，鍋爐受熱面易產(chǎn)生結(jié)焦、結(jié)灰、甚至塌焦，有時甚至由于鍋爐排放有害物超標(biāo)而被迫停爐。根據(jù)上海市政府要求：燃燒燃煤，煤種灰分應(yīng)小于16%、含S小于0.7%、熱值25.1 MJ/kg、灰熔點1 100 ℃、高揮發(fā)分煙煤。

改用高揮發(fā)分煤后，爐膛火焰中心逼近噴燃器出口處，易燒壞噴燃器(嚴(yán)重時造成停爐事故)；容易發(fā)生火焰中心位置偏斜，使火焰充滿爐膛的程度惡化；還會造成爐膛前后煙溫偏差大，水冷壁受熱不均勻(甚至使正常的水循環(huán)破壞，引起管子局部過熱，脹粗或爆管)；燃料型的NOx、SOx粉塵大大超標(biāo)等。

原來設(shè)計燒用高揮發(fā)分煤的爐子，改燒低揮發(fā)分煤后，火焰中心遠離噴燃器出口，送入煤粉時得不到高溫?zé)煔饧訜幔蜁七t著火，相應(yīng)縮短了煤粉在爐內(nèi)燃盡的時間與空間，還使?fàn)t溫降低而影響燃燼度，降低煤粉燃盡度，增加飛灰含碳量，機械不完全燃燒增加。火焰中心抬高，燃料型的NOx、SOx粉塵同樣大大超標(biāo)等。

鍋爐運行參數(shù)偏離了設(shè)計值。煤粉爐的減溫水使用量增加，鍋爐的主蒸汽溫度很難調(diào)整，造成高低溫過熱器管壁超溫機率增多；中間儲藏式制粉系統(tǒng)煤粉倉溫度難以控制(制粉系統(tǒng)容易出現(xiàn)自燃或著火)，制粉系統(tǒng)易發(fā)生積粉閃爆事件；煤粉細度的調(diào)節(jié)跟不上煤種變化(用粗粉分離器變頻電機轉(zhuǎn)速和制粉系統(tǒng)通風(fēng)量調(diào)整)。必須進行制粉系統(tǒng)改造。

2 改變煤種運行后的燃燒調(diào)整

熱電部煤粉爐是以設(shè)計煤種特性設(shè)計的直吹式制粉系統(tǒng)，鍋爐燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中曾經(jīng)試燒過神華煤(當(dāng)時還沒有排放要求)，其熱值25 MJ/kg左右、灰分小于16%，揮發(fā)分大于30%。全燒神華煤，滿負荷情況下，煤的細度Rgo為28%左右，按照“倒寶塔”配風(fēng)方式，一次風(fēng)保持在22～28 m/s，二次風(fēng)36～40 m/s左右，鍋爐主蒸汽溫度很難控制在540 ℃以下(上限540 ℃)，減溫水量猛增，飛灰含碳量5%(正常小于3%)，煙氣氧量4%左右，排煙溫度比原來高5 K，造成爐膛燃燒不穩(wěn)，火焰形狀變成脈動式，四周水冷壁嚴(yán)重結(jié)焦、塌焦；負荷降至額定負荷80%時，配風(fēng)方式不變，煤的細度不變，鍋爐主蒸汽溫度535 ℃，減溫水量恢復(fù)到原來范圍，飛灰含碳量3.5%(正常小于3%)，煙氣氧量5%左右，火嘴根部有明顯黑絲，四周水冷壁結(jié)焦、塌焦現(xiàn)象基本消失，爐膛燃燒基本穩(wěn)定；負荷降至額定負荷60%時(鍋爐負荷運行下限250 t/h)，配風(fēng)方式不變，煤的細度不變，鍋爐主蒸汽溫度530 ℃，減溫水量明顯減少，飛灰含碳量2.5%，煙氣氧量5%左右，爐膛負壓波動大、火焰顏色變暗，增投4根油槍穩(wěn)燃(每根油槍出力800 kg/h)，四周水冷壁結(jié)焦、塌焦現(xiàn)象基本消失，爐膛燃燒基本穩(wěn)定。停爐后檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐中、上層火嘴過熱變形。這說明熱電部中間儲倉式制粉系統(tǒng)采用嚴(yán)重偏離設(shè)計(如神華煤)，投入煤種煤粉爐燃燒的工藝不可采用。

近幾年，熱電部鍋爐的燃煤基本是混合煤，為了及時掌握煤種變化情況，熱電部每天對入爐煤進行特性分析，同時對每批次入廠煤進行特性分析，根據(jù)分析結(jié)果及時更改工藝條件，調(diào)整制粉系統(tǒng)煤粉細度和粉倉溫度，合理組織燃燒，調(diào)整一、二次風(fēng)比例以及上、下層二次風(fēng)的比例，使設(shè)備達到比較穩(wěn)定運行。通過實施結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合煤特性成分達到：低位發(fā)熱量熱值19～21 MJ/kg、揮發(fā)分21%～34%、灰分不大于16%、水分不大于10%、S不大于0.6%。兩年來，鍋爐運行較穩(wěn)定，制粉系統(tǒng)可根據(jù)混合煤特性分析報告及時調(diào)節(jié)煤粉細度、排粉機壓力、粉倉溫度。鍋爐燃燒較穩(wěn)定，各項運行參數(shù)指標(biāo)偏離不大，能滿足鍋爐100%的額定負荷和機組發(fā)電、供熱。

3 燃燒設(shè)備改造及運行工藝改進

熱電部煤粉爐因煤種變化和環(huán)保要求，從2012年開始不斷進行燃燒調(diào)整，采用新工藝措施：嚴(yán)格執(zhí)行“倒寶塔”配風(fēng)方式；一次風(fēng)速保持在22～28 m/s，二次風(fēng)36～40 m/s；根據(jù)煤種揮發(fā)分煤的細度Rgo控制在20%～28%；煙氣氧量維持在2.5%～4.5%(目的控制爐膛出口NOx不大于450 mg/m3和主蒸汽溫度530～540 ℃);磨煤機出口溫度不大于75 ℃，粉倉溫度控制不大于70 ℃；每周檢查清除制粉系統(tǒng)的積粉，制粉系統(tǒng)連續(xù)運行不得超過36 h，停用后的制粉系統(tǒng)立即進行“倒風(fēng)”抽風(fēng)，確保停用一次風(fēng)管剩粉吹掃干凈，防止剩粉自燃。

由于運行工藝改進后仍然不能滿足環(huán)保要求，因此熱電部進行了大規(guī)模設(shè)備改造，具體包括：采用低氮燃燒器燃燒，一、二次風(fēng)切圓由原來Φ800 mm，經(jīng)試驗改成Φ600 mm，并增加燃盡風(fēng)設(shè)備，安裝脫硝裝置，完善脫硫設(shè)備，改造除塵設(shè)備，改造污水處理系統(tǒng)。煤種不斷變化和環(huán)保新設(shè)備的投運，使原來鍋爐后部煙道結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化。通過一系列優(yōu)化，煙氣排放得到控制，鍋爐運行滿足了安全經(jīng)濟的要求。

煤種變化是必然的，但環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)必須堅決執(zhí)行。根據(jù)煤種變化，熱電部進行了煤粉爐燃燒器改造(改造成低氮燃燒器)，電除塵器改造成電袋除塵器，增加2套脫硫裝置、4套脫硝裝置，經(jīng)過改造后其排放的硫化物、氮化物、粉塵、回收廢水都達到國家環(huán)保要求。對粉塵、NOx、SOx的標(biāo)準(zhǔn)排放而采取的舉措取得了成功。鍋爐負荷達到額定負荷95%左右；鍋爐最低穩(wěn)燃負荷為額定負荷65%。

4 結(jié)語

根據(jù)燃煤變化情況，通過設(shè)備改造、工藝優(yōu)化、人員培訓(xùn)強化和鍋爐運行管理加強等措施，熱電部煤粉爐燃煤煤種適應(yīng)性明顯擴大，由原實際燃用(設(shè)計低位發(fā)熱量20.315 MJ/kg、揮發(fā)分27.31%)煤種擴大至混煤(低位發(fā)熱量19.5

～22 MJ/kg、揮發(fā)分30%～42%)；爐膛出口NOx排放由以前的850 mg/m3降低至450 mg/m3左右，經(jīng)脫硝設(shè)備NOx后排放小于100 mg/ m3；鍋爐負荷保證95%額定穩(wěn)定能力，鍋爐主要參數(shù)及熱效率不低于原指標(biāo)； 水冷壁不結(jié)渣、改造后甲乙側(cè)制粉系統(tǒng)阻力差異不高于6%。

氣體分離膜馳騁石油和化工主戰(zhàn)場

氣體膜分離作為新一代氣體分離技術(shù)，憑借與其他技術(shù)的組合、集成創(chuàng)新和優(yōu)化，正馳騁在石油和化工主戰(zhàn)場。這是有關(guān)人士從2015年8月5—6日在大連召開的氣體膜及其組合技術(shù)在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用交流研討會上了解到的信息。

據(jù)悉，氣體膜在石油和化工領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在五大方面：氫氣回收利用、煉廠輕烴回收利用、二氧化碳回收利用、膜法富氧節(jié)能和揮發(fā)性有機物(VOCs)排放控制與回收。在VOCs控制方面，氣體膜及其組合技術(shù)代表了VOCs回收與排放控制技術(shù)趨勢。在回收氫氣方面，膜分離是當(dāng)前擁有范圍最廣、裝置銷量最大的領(lǐng)域，包括合成氨弛放氣中氫氣的分離回收、甲醇合成過程中氫氣回收、煉油工業(yè)尾氣中氫氣回收等。以氣體膜分離技術(shù)對煉廠氣的多種高附加值組分有效利用，對天然氣、伴生氣中的二氧化碳進行脫除，并富集后用于三次采油都是備受關(guān)注的路徑。此外，膜法富氧助燃技術(shù)對石化爐窯節(jié)能減排效果明顯，已在諸多石化企業(yè)和油田獲得應(yīng)用。當(dāng)前膜技術(shù)在石化行業(yè)應(yīng)用越來越寬，與其他技術(shù)進行組合、集成創(chuàng)新和優(yōu)化至關(guān)重要。

據(jù)悉，氣體膜領(lǐng)軍企業(yè)天邦膜技術(shù)國家工程研究中心有限責(zé)任公司已在石油化工領(lǐng)域推廣應(yīng)用氣體膜分離裝置600多套。大連歐科膜技術(shù)工程有限公司在國內(nèi)外建立了近500套工業(yè)裝置，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益顯著。

(中國石化有機原料科技情報中心站供稿)

Effects of Variable Coal Running on Operation and Emissions of Coal Fired Boiler

Shi Aidi

(ThermalPowerDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd. 200540)

With the improvement of environmental protection awareness, the emission standards for power plant boilers are becoming increasingly stringent. In view of the current status of combusting coal with variable contents of sulfur, nitrogen and ash, it is not feasible to combust design coal singly; instead, off-design mixed coal is combusted in practice. The effects of variable coal operation on flash explosion, combustion of boiler, heat transfer, coking and emission of boiler were illustrated, and the preventive measures were raised as well.

variable coal running, coal fired boiler, combustion emissions

2015-07-24。

施愛弟，男，1965年出生，1986年畢業(yè)于上海冶金專科熱能利用專業(yè)、2006年畢業(yè)于華東理工大學(xué)計算機專業(yè)，高級工程師，長期從事電站鍋爐運行工作。

1674-1099 (2015)05-0047-03

TK227.1

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