百萬燃煤機組降低飛灰含碳量的實驗及分析

徐英倫

（華潤電力湖北有限公司，湖北 赤壁 437300）

1 前言

1.1 研究背景

根據華潤電力湖北有限公司的運行調整規定，飛灰含碳量應當低于4%。但從2017年、2018年、及2019上半年這兩年半的飛灰含碳量平均數分別為2.9%、3.78%、5.1%，飛灰含碳量有逐年上升的趨勢，尤其在2018年年末和2019年年初加大無煙煤摻燒比例后，飛灰含碳量上升較為明顯。根據鍋爐設計規定，灰渣各占比例為80%、20%，因此，降低飛灰含碳量，提高機組經濟性顯得尤為重要。

1.2 研究鍋爐的概況介紹

該公司兩臺百萬機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司引進ALSTOM技術生產的超超臨界變壓直流煤粉爐，型號為SG-3103/27.46-M536，型式為：單爐膛、雙切圓、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、π式煤粉直流鍋爐，BMCR工況下，主、再熱蒸汽溫度為605℃/603℃，主、再熱蒸汽壓力為27.46MPa/5.86MPa。燃燒方式采用單爐膛雙切圓布置擺動式直吹燃燒器技術，低NOx同軸燃燒系統（LNCFS），主要由百葉窗水平濃淡分離煤粉噴嘴、CCOFA風噴嘴、SOFA風噴嘴和預置水平偏角的輔助風噴嘴（CFS）組成，燃燒器結構如圖1所示，在水平濃淡分離燃燒器四周布置周界風，上下布置CFS風和直吹風（油配風），采用雙進雙出鋼球磨煤機正壓直吹式制粉系統，共六臺磨煤機。

圖1 燃燒器結構

2 影響飛灰含碳量因素分析

2.1 無煙煤摻燒

隨著近兩年煤價的走高，為節省發電成本在入爐煤內摻燒無煙煤已成為新常態。該司3#機組所摻燒無煙煤主要為晉煤-陽城和晉煤-嘉峰兩種無煙煤，摻燒的晉煤無煙煤干燥無灰基揮發分6%～8%，低位發熱量22000～26000kJ/kg，可磨性系數HGI≤1.2。相關研究表明，煤的著火與揮發分的質量和數量有關，隨著煤化程度的提高，揮發分含量減小，煤發熱量中揮發分的發熱量的比率降低，使煤的著火變得困難。煤的巖相結構也相應變化，煤化作用的加深使結構緊密而穩定，孔隙率小，使煤的磨碎性能減弱，反應性降低，燃盡變差。因此，要盡量延長無煙煤在爐膛內的停留時間，使其有足夠的燃燒時間。

2.2 配風方式

在氧量一定的情況下，根據燃燒需要對進入爐膛內的二次風進行不同區域送入風量的分配，就需要通過各層二次風門的調節來實現。由于各層煤粉對應的煤質不同，其著火準備階段、燃燒階段、燃盡階段所需要的空氣量都不一致，因此，在正常運行中應當及時摸索調整出適合當前配煤摻燒方案下所對應的配風方式，而不是拘泥于一種配風方式。

2.3 煤粉細度

煤粉越細，即煤粉細度越小，單位質量的煤粉表面積越大，揮發分越容易析出，著火及燃燒反應速度越快，煤粉容易燃盡，從而飛灰含碳量降低。影響煤粉細度的主要因素有：（1）折向擋板的開度。折向擋板開度大，煤粉氣流旋流強度增大，離心分離的作用增強，出口煤粉變細。當開度在40～55°時，所得到的煤粉細度最適合。當開度超過這個范圍，通過擋板的系統阻力增大，磨煤機通風出力減小，磨的出力下降。（2）回粉管堵塞?；胤酃芏氯麑е录毝炔缓细竦拿悍蹮o法再進入磨內重新研磨，使細度大的煤粉直接進入爐內燃燒，影響煤粉的燃盡效果。（3）鎖氣器動作不正常。動作頻繁，使細度合格的煤粉重復進入磨內研磨，存在循環往復研磨的情況，使煤粉細度太小降低了制粉系統的出力；鎖氣器失效，在回粉管內直接形成通路，降低了重力分離的效果，顆粒較大的煤粉直接進入磨筒體內。

2.4 其他因素

影響飛灰含碳量的因素有多種，除了上述的配煤方式、配風方式、煤粉細度，還有一次風壓、爐膛風箱差壓、燃燒器擺角、磨煤機分離器出口溫度、氧量。一次風壓越高則入磨風壓和風速也越大，帶粉能力強，容易將較粗的煤粉直接吹入爐膛內燃燒；爐膛與風箱差壓、燃燒器擺角影響爐內火焰中心高度，數值越高，火焰中心被抬得越高，導致煤粉在爐內停留時間短來不及充分燃燒；對于磨的分離器出口溫度，溫度越高，那么煤粉在爐內吸熱量越小，容易著火燃燒，但同時要考慮制粉系統爆燃的問題；氧量越大，爐內空氣越充足，能使煤粉有足夠的助燃空氣從而充分燃燒。

3 實驗說明

3.1 實驗前準備

檢查該公司各臺磨煤機的回粉管沒有堵塞，若有堵塞則安排清理疏通。確認各臺磨煤機的折向擋板開度在規定值。保證各磨的鎖氣器擋板沒有缺失且工作正常。在檢查中發現，6臺磨煤機回粉管鎖氣器擋板均缺失，聯系檢修單位將該擋板重新裝上并確認能正確動作。如圖2、圖3所示。

圖2 鎖氣器擋板缺失

圖3 鎖氣器擋板回裝后

在保證好磨煤機的各項檢查結果后，從各磨的分離器出口取煤粉樣并進行煤粉細度的測量，得到結果如表1所示。

表1 各臺磨檢查確認后的煤粉細度

3.2 試驗方案設計

由于影響鍋爐飛灰含碳量的因素有許多，試驗時則要根據該公司生產實際情況基于鍋爐穩燃保證進行定量分析，因此，在進行試驗時選取三種不同的配風方式、三種不同的配煤方式和確定的煤粉細度為主要的組合方式，其他參數一次風壓、爐膛風箱差壓、sofa風門開度、coffa風門開度、燃燒器擺角、氧量，則能夠通過運行調節手段來進行調整，使這些參數基本維持在一個確定值。配風方式三種分別為正寶塔、倒寶塔、均勻，配煤方式分別為3D磨煤機燒無煙煤（配煤方案1），3B磨煤機燒無煙煤（配煤方案2），3B、3D磨煤機燒無煙煤（配煤方案3）。在機組1000MW工況下，通過不同配風和配煤的組合方式來發現對飛灰含碳量的影響。

三種配煤方式的各倉配煤煤種的低位發熱量、空干基揮發分、灰分如表2～4所示。其余參數如表5所示。三種配風方式的各個二次風門擋板開度如表6所示。

表2 3#爐D磨磨無煙煤時的配煤方案1

表3 3#爐B磨磨無煙煤時的配煤方案2

表4 3#爐B、D磨磨無煙煤時的配煤方案3

表5 3#爐1000MW工況下其余參數

表6 3#爐1000MW三種配風方式各層風門開度

4 實驗結果與分析

由上述實驗方案設計可得到實驗結果如表7所示。

表7 3#機組1000MW工況下實驗所得飛灰含碳量

圖4所示為在正寶塔配風方式下，三種不同配煤方式所得飛灰含碳量數值，隨著磨制無煙煤的磨煤機臺數增加至2臺時，飛灰含碳量顯著增加，飛灰樣本含碳量平均數值為10.31%，在3D磨內燒無煙煤與3B磨內燒無煙煤相比，可知在3B磨內燒無煙煤的飛灰含碳量要小，這是因為：（1）3B磨煤機送入爐膛內燃燒的煤粉處于爐膛燃燒區域下部，在爐內有較長的停留時間有助于煤粉燃盡。且其相鄰煤粉層的揮發分高，均值大于20%。（2）3D磨送入爐膛的煤粉相較于3B磨更靠近爐膛出口，在燃燒區域停留時間較短，由于無煙煤揮發分較低，燃燒準備階段時間較長，導致飛灰含碳量較高。且與D粉層相鄰的E粉層的煤粉平均揮發分小于20%。（3）在3B、3D兩臺磨內磨制無煙煤，則除了有在燃燒區域停留時間較短外，還因送入爐內的無煙煤粉層相隔間距不大造成不同煤種的相互搶風，導致爐內煤粉整體燃盡效果不好。同理，在均勻和倒寶塔配風方式下也存在相同的原因，導致飛灰含碳量數值偏高。

圖4 正寶塔配風下飛灰含碳量

圖5所示為僅3B磨磨制無煙煤時在正寶塔、倒寶塔、均勻三種配風方式下所得到的飛灰含碳量，從圖中可以看出，在正寶塔方式下飛灰含碳量最小，樣本平均值為3.82%。而倒寶塔方式下所取樣本飛灰含碳量最高，均勻方式次之。這是因為在倒寶塔方式下3B磨燒無煙煤時，倒寶塔配風[4]減少了爐膛主燃燒區域所分配的風量，使爐內下部燃燒區域所供助燃空氣不足，煤粉形成焦炭燃燒時表面的氧氣分壓力減小，降低了焦炭的燃燒速率，推遲了焦炭的燃盡過程，在爐膛高度一定的條件下，造成飛灰含碳量高。

圖5 3B磨磨制無煙煤時不同配風方式的飛灰含碳量

5 結語

（1）由表7、圖4、圖5可以看出，針對華潤電力湖北有限公司3#機組，通過比較，在采用正寶塔配風加3B磨內磨制無煙煤的組合方式所產生的飛灰含碳量最小，五個樣本均值為3.82%，且低于該司規定的4%，能夠符合要求。（2）結合目前該司所燃燒的煤種，采用配煤方案2時能使飛灰含碳量降低，若采用配煤方案1或者3時飛灰含碳量均顯著升高，對于鍋爐燃燒效率和機組經濟性都有較大影響，因此，建議只在3B磨內摻燒無煙煤。（3）若遇有磨煤機檢修工作，需要停運磨煤機時，在穩燃的基礎上盡量將無煙煤送入爐膛燃燒區域下面，這樣能夠加大煤粉在爐內燃燒區域停留的時間，從而有利于煤粉的燃盡。而無煙煤的相鄰粉層則送入平均揮發分不低于20%的煤粉，也有利于無煙煤的著火燃燒和燃盡。（4）磨煤機檢修時，應當按照檢修工藝，將折向擋板調節在規定范圍內且無缺損，定期清理磨煤機的回粉管保證回粉管通暢，檢查回粉管鎖氣器能夠正常動作，定期取煤粉樣進行細度測量，從而保證煤粉細度在規定值。