鍋爐制粉系統混煤摻燒防爆機理研究及工程實踐

王承亮

摘 要：為降低燃煤采購成本和適應煤炭市場變化，發電廠都在最大限度地進行高揮發分煙煤或褐煤的變煤種摻燒，這對改善燃料供應緊張局面、降低發電成本、提高電廠經濟效益具有顯著意義；但同時出現了高揮發分煤種摻燒在制粉過程中引發的制粉系統爆炸等安全性問題；本文進行了鍋爐制粉系統防爆機理研究，確定了制粉系統防爆治理技術方向，并結合電廠生產實際提出了不同的制粉系統防爆技術改造技術路線，進一步通過技術分析確定了優先采用冷爐煙再循環防爆治理技術路線，并結合某電廠實際成功實施了冷爐煙再循環防爆技術改造，從而實現高揮發分煤種混燒的制粉系統的安全、環保和高效運行。

關鍵詞：爆炸 冷爐煙 摻燒 制粉系統

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：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

近年來，為了降低燃煤采購成本，適應煤炭市場變化，各發電廠都在最大限度地進行高揮發分煙煤和褐煤的變煤種摻燒[1]，這對改善燃料供應緊張局面、降低發電成本、提高電廠經濟效益具有顯著意義；但是同時，由于高揮發分煤種摻燒在制粉過程中引發的制粉系統爆炸等安全性問題則越來越受到關注。因此，在變煤種或進行煙/褐煤摻燒的機組上，如何提高制粉系統防爆性能亟待研究解決。本文重點從采用冷爐煙再循環送粉技術提高制粉系統防爆性能機理研究出發，提出具體實施方案并結合現場成功實施。

1 高揮發分煤種條件下的制粉系統爆燃問題

高揮發分的特點賦予了該類煤較好的著火和燃盡特性，但是對現有的制粉系統的安全性卻帶來極大隱患，燃煤的爆炸性與煤的干燥無灰基揮發分Vdaf基本成線性正相關的關系，當燃煤Vdaf<10%時，屬于難爆煤種；當燃煤Vdaf>25%時，屬于極易爆煤種。我國當前大型燃煤鍋爐的主力煤種的干燥無灰基揮發分普遍高于25%以上，因此制粉系統的安全運行將成為我國大型燃煤鍋爐需要面臨的普遍性問題。

隨著單機容量的增大，為保證機組經濟、安全、可靠、合理地運行，對制粉系統設備的結構、性能和運行調節提出了更高更新的要求。對目前高揮發分煤種普遍采用的直吹式制粉系統的大容量鍋爐而言，如果系統設計或運行調整不當產生爆燃則會設備損壞，并危及現場人員的人身安全，嚴重影響到制粉系統安全穩定運行。即使不考慮機組突然停運給電網帶來的巨大風險，單以一臺300MW機組為例，非計劃停運一次造成損失最少為200萬元，機組容量越大，非計劃停運造成損失也越大。此外，由于制粉系統的出力直接影響鍋爐燃燒工況的穩定性，一旦發生異常，將直接對鍋爐燃燒工況產生影響，而從著火溫度與爆炸性指數的關系可以看出，隨著爆炸性指數的下降，煤粉氣流的著火溫度也愈發增大，即意味著會影響到煤粉氣流的著火，從而影響煤粉的燃燒效率。經近5年以來統計數據分析，高揮發分煙煤或褐煤變煤種摻燒的燃煤鍋爐制粉系統約30%以上發生過不同程度的爆燃問題，嚴重影響鍋爐安全運行。因此，在低階煤越來越多被開發利用的現狀下，研究如何防止高揮發分煤種的制粉系統發生爆燃意義重大。通常認為煤粉濃度、含氧量和風粉混合物溫度是制粉系統發生爆燃的三個必要因素，而磨煤機和輸粉管道內煤粉的沉積和自燃也往往成為在制粉系統爆燃的直接誘因。

2 抑爆機理及制粉系統抑爆氣體的選擇

制粉系統發生爆炸的威脅主要來源于煤粉及其揮發釋放的CO、H2及其他碳氫化合物遇到高溫或明火發生局部燃燒，進而導致整個制粉系統的爆燃。

N2及CO2氣體各自單獨對CH4/air爆炸強度的影響規律如圖1所示，可見不論是N2還是CO2均可以明顯降低CH4/air的爆炸強度，且隨著混合物中加入N2和CO2含量的增加，爆炸強度逐漸降低。對比兩種氣體的抑爆性能，發現在相同的摻混比例下，CO2對CH4/air混合物爆炸強度的抑制作用大于N2，這是由于CO2相比N2比熱容大，因而CO2可以更加明顯的降低火焰溫度。

將CO2和N2按照一定比例混合，混合物作為抑爆劑填入CH4中，這時混合物的爆炸強度曲線如圖2所示。可見，對于相同總含量的抑爆氣體，其中CO2的比例越高，其抑爆能力越強，混合物的爆炸強度也就越低。這也說明了CO2相比N2擁有更強的抑爆能力。

有以上分析知，CO2和N2對于CO、H2及CH4等可燃氣具有十分優良的抑爆能力。電站鍋爐的煙氣中這兩種氣體的含量很高，因而十分適合作為抑爆氣用于制粉系統的抑爆。環境溫度對可燃氣體的爆燃規律是溫度越低系統的爆炸危險性也越低，因而冷爐煙氣相比熱煙氣具有更為明顯的抑爆性能優勢，故優先選用冷爐煙作為制粉系統抑爆介質。

3 制粉系統抑爆改造現有技術分析

參照國內同類型改造工程經驗，鍋爐改燒煙煤（或褐煤摻燒）技術中，對于制粉系統的改造有兩類技術[2]，一類將中間儲倉式制粉系統改造為直吹式制粉系統，并對鍋爐燃燒器進行相應改造；第二類是將中間儲倉式熱風送粉系統改造為乏氣送粉系統。

（1）直吹式制粉系統改造。

采用中速磨直吹式制粉系統，則需要重新配置制粉系統，現有原煤倉需要更改，粉倉、鋼球磨、排粉機、粗細粉分離器、給粉機、乏氣管和乏氣噴口等予以拆除，同時增加相應給煤機和中速磨，增加一層一次風噴口和對應粉管，一次風機、空預器、風系統和汽水系統都需要進行大的調整。這種改造方式改造工作量大、投資大、施工周期長，現場布置較為困難，同時改造后基本上只能燃用煙煤，原有貧煤和無煙煤不能燃用，改造對鍋爐的風險較大。如果采用雙進雙出直吹式制粉系統進行改造，則既可以磨制煙煤，也可以磨制貧煤，但改造工作量和改造帶來的風險不低于中速磨制粉系統的改造，同時制粉系統運行經濟性相對較差。

（2）乏氣送粉系統改造。

采用乏氣送粉系統對現有制粉系統進行改造，一般性的改造需要拆除現有一次風道和一次風機，同時只能磨制和燃用煙煤，喪失了燃用貧煤和無煙煤的能力。在一臺磨停止后，為保證乏氣風箱壓力，排粉機不能停，需要摻入冷風保證風溫，運行經濟性較差。乏氣送粉系統改造對現有一次風系統影響較大，需要拆除一次風機，改造空預器，增加送風機出力改造。為了克服以上的技術問題，減少改造工作量，擴大應用范圍，提出了第三種改造技術：冷爐煙再循環送粉技術。

（3）冷爐煙再循環送粉技術。

冷爐煙再循環送粉技術以中儲式球磨機熱風送粉貧煤制粉系統為原型，從引風機出口經冷爐煙風機抽取部分低溫爐煙作為惰性介質和部分干燥介質，與取自空氣預熱器出口的熱風以及冷空氣混合進入磨煤機干燥和輸送煤粉[3]。同時，將排粉機出口部分乏氣風經過旁路管道引至熱一次風機入口，與熱風混合進入一次風箱輸送煤粉，降低一次風粉混合物溫度和系統氧濃度。

該技術通過冷爐煙與熱一次風的混合，降低了制粉系統的含氧量，能夠滿足磨制煙煤的防爆要求。另外，將排粉機出口部分乏氣引至熱一次風機入口，可以降低一次風粉混合物溫度和系統氧濃度，滿足了煙煤輸送的防燃防爆要求。技術實施中在冷爐煙系統和乏氣旁路系統均裝設有擋板門，通過擋板門的開關控制實現原有熱風送粉貧煤系統與冷爐煙再循環送粉系統的切換，既能適應原有貧煤又適應煙煤或煙煤摻燒褐煤。

4 某煙氣再循環技術在制粉系統抑爆中的應用案例

（1）機組概況。

某電廠6號鍋爐為上海鍋爐廠生產的SG-1025/16.7-M313UP型亞臨界壓力再熱式直流鍋爐，單爐膛，固態排渣煤粉爐。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，煤粉燃燒器為直流式噴燃器，每組燃燒器由12層噴嘴組成，其中煤粉燃燒器5層，二次風噴嘴7層。制粉系統采用鋼球磨煤機中間儲倉式熱風送粉方式，每臺爐配4臺磨煤機，2個煤粉倉。鍋爐設計煤質為晉北煙煤，工業分析見表1所示。

（2）制粉系統存在爆炸安全問題。

受煤炭供應市場變化的影響，低揮發分煙煤采購困難，電廠長期采購和燃用高揮發分煙煤，燃用煤的Vdaf在35%以上，屬于高揮發份煙煤，煤粉爆炸性很強，制粉系統發生多次自燃和爆炸，主要發生爆炸的部位有磨煤機入口、細粉分離器入口、粗粉分離器上部、煤粉倉、煤粉篩以及木塊分離器等。

（3）制粉系統改造方案。

結合制粉系統防爆機理研究，擬采用冷爐煙再循環送粉技術提高制粉系統防爆能力，可將制粉系統改造為惰性干燥介質運行方式，用氧含量較低的惰性熱煙氣替代部分熱風進行煤粉干燥，用冷煙氣對磨煤機出口溫度進行調控；從兩側省煤器后煙道處分別抽取熱煙氣，從兩側引風機出口通向脫硫塔的總煙道上抽取冷煙氣，兩者按照一定比例混合后進入爐煙風機升壓，爐煙風機升壓后的混合煙氣直接引入磨煤機熱風管道，與熱風混合后作為磨煤機干燥和輸送介質，再循環煙氣量設計應滿足系統在大氣壓力下以濕氣容積百分數計的磨煤機出口風粉混合物最高允許氧含量為14%的防爆要求；相對于熱風來說，混合煙氣作為惰性介質，可以降低制粉系統氧含量，在不影響磨煤機干燥出力和通風出力的條件下，有效提高了制粉系統防爆能力；此外并對粗粉分離器結構形式、粉倉抽吸系統等易積粉部位進行相應治理。

（4）冷爐煙再循環運行方式。

根據《火力發電廠煤和制粉系統防爆設計技術規定》（DLT5203-2005）的規定，按照制粉系統干燥介質性質不同，制粉系統防爆設計可分為惰性氣氛設計和非惰性氣氛設計兩種。鋼球磨煤機中間儲倉式制粉系統磨制煙煤時，采用煙氣空氣混合干燥惰性氣氛時，系統在大氣壓力下以濕氣容積百分數計的最高允許氧含量為14%，磨煤機出口最高允許溫度為120℃；采用純空氣干燥時磨煤機出口最高允許溫度僅為70℃。

（5）煙氣再循環投運后制粉系統防爆運行效果。

從實際運行情況看，制粉系統防爆效果良好，避免了制粉系統爆炸事故的發生；由此可見，改造后增加的爐煙再循環系統能顯著提高制粉系統防爆性能，不僅使制粉系統能夠安全磨制高揮發份煙煤，同時為適應煤炭市場變化和提高煤種適應性提供了更有利的空間。

5 結語

本文重點進行了鍋爐制粉系統防爆機理研究，同時經過技術分析確定了冷爐煙再循環防爆治理技術路線，并結合某電廠實際成功實施了冷爐煙再循環防爆技術改造，從而實現某電廠高揮發分煤種摻燒的制粉系統的安全、環保和高效運行，為制粉系統安全經濟運行積累了經驗。

參考文獻

[1] 張興豪.貧煤鍋爐摻燒煙煤熱爐煙風機運行問題及其解決措施[J].熱力發電，2014（8）.

[2] 蔡興飛，張文斌.貧煤鍋爐改燒煙煤綜合改造技術的應用[J].鍋爐技術，2015（5）.

[3] 張樹林，曹暉，李劍寧，等.燃燒煙煤鍋爐大比例摻燒褐煤的技術改造[J].發電設備，2018，32（3）：208-211.