中儲式制粉系統(tǒng)鍋爐向鄰爐輸粉方案

(重慶發(fā)電廠，重慶 400053)

帶有中間儲倉的煤粉鍋爐在我國電站鍋爐中占有較大比例，當(dāng)鍋爐停運時需要將儲倉內(nèi)剩余的煤粉排出，以防止煤粉長期堆積引起自燃和爆炸[1]。

煤粉自燃和爆炸與煤粉的揮發(fā)分、水分、灰分的大小，煤粉溫度，煤粉濃度和氧濃度有密切的關(guān)系。其中，煤的揮發(fā)分是最重要因素。一般來講，揮發(fā)分在10%以下的無煙煤基本不存在爆炸危險，隨著燃煤揮發(fā)分的增大，煤粉自燃和爆炸性傾向?qū)⒃鰪奫2]。

為解決燃煤緊張、煤質(zhì)低劣的問題，同時為了在燃用低熱質(zhì)、高灰分煤時穩(wěn)定燃燒，一些中儲式制粉系統(tǒng)鍋爐開始摻燒易燃易爆的煙煤、褐煤等。如重慶發(fā)電廠在2013年就引進神華煙煤，與本地?zé)o煙煤進行摻燒。由于摻燒了揮發(fā)分高的煙煤，在鍋爐停運后就需要將粉倉內(nèi)的煤粉盡快排空，防止存粉自燃和發(fā)生爆炸。

根據(jù)中儲式制粉系統(tǒng)特點，有以下較簡單的方法可選。

方法一：人工空倉清粉。人工清粉是目前長時間停爐后常采用的方法。使用該方法清粉，由于煤粉浮疏，不易收集，一般是將粉倉內(nèi)的煤粉直接排入鍋爐的灰、渣系統(tǒng)。這會造成煤粉浪費，所以在能源日趨緊缺的今天，采用這種處理方法是非常不經(jīng)濟的；同時，排出的煤粉隨灰渣水進入灰場，還造成環(huán)境污染和影響灰渣的綜合利用。

方法二：臨爐負壓吸粉清倉。通過臨時管道連接，將停運鍋爐粉倉煤粉送入臨爐制粉系統(tǒng)，利用臨爐制粉系統(tǒng)負壓作用，進行輸粉和清倉。輸粉管道接入臨爐制粉系統(tǒng)又有兩種接入方式，一是接入臨爐球磨機出口；二是接入臨爐排粉機入口。此方法會影響臨爐的安全穩(wěn)定運行。采用第一種接入方式，如果在煤粉輸送過程中，停運鍋爐粉倉或輸粉管道中的煤粉發(fā)生自燃，則會引起臨爐運行中的制粉系統(tǒng)發(fā)生自燃或爆炸。采用第二種接入方式，同樣是在煤粉輸送過程中，停運鍋爐粉倉或輸粉管道中煤粉發(fā)生自燃時，通過臨爐制粉系統(tǒng)三次風(fēng)再循環(huán)，會引起臨爐制粉系統(tǒng)發(fā)生自燃或爆炸；并且煤粉接入排粉機入口，會加劇排粉機葉輪磨損；煤粉送入三次風(fēng)燃燒器燃燒，會抬高爐膛火焰中心及增大飛灰含碳量。

為此，本課題致力于研究一種新型粉倉排粉方法，以克服上述兩種方法帶來的不安全、污染環(huán)境、浪費煤粉的問題。

1 新型停爐空倉方案選擇

新型方案的設(shè)想是對擁有2臺以上(含2臺)中儲式制粉系統(tǒng)煤粉鍋爐的電站，采取將已停運鍋爐粉倉內(nèi)的煤粉送入臨近正常運行的鍋爐進行直接燃燒。新型方案既要做到及時清空停運鍋爐粉倉存粉，又不能影響臨爐正常運行，還要保證臨爐制粉系統(tǒng)和鍋爐安全可靠。

本文以重慶發(fā)電廠鍋爐向鄰爐輸粉改造案例，介紹中儲式制粉系統(tǒng)鍋爐向鄰爐輸粉燃燒方案的研究。

重慶發(fā)電廠在摻燒神華煙煤后，在事故停爐或其他未燃完粉倉煤粉的停爐情況下，為防止粉倉煤粉自燃和爆炸，需要盡快排空粉倉內(nèi)的煤粉。

重慶發(fā)電廠針對本廠鍋爐及制粉系統(tǒng)特點，在大量分析研究的基礎(chǔ)上，采用了一種將停運鍋爐粉倉煤粉送入臨爐一次風(fēng)燃燒器直接燃燒的方法。

本方法首先從需停運鍋爐排粉機出口接一根大口徑輸粉母管，母管前端安裝若干個文丘里混合器。停運粉倉煤粉通過給粉機和臨時連接的金屬軟管進入文丘里混合器。母管另一端分叉通過臨時連接的金屬軟管接入臨爐相應(yīng)的一次風(fēng)粉管的風(fēng)粉混合器入口。利用排粉機提供的壓力空氣，在文丘里混合器喉部產(chǎn)生負壓吸流區(qū)，將停運鍋爐粉倉煤粉送入運行中的臨爐的一次風(fēng)燃燒器直接燃燒。臨爐排粉裝置如圖1所示。

1、2為粉倉；3、4為給粉機；5、6為金屬軟管；7、8為給粉機下粉管；9為文丘里混合器；10、13、14為閥門；11為文丘里混合器進口管；12為輸粉母管。

圖1臨爐排粉裝置

此方法需預(yù)先在現(xiàn)場安裝輸粉母管和文丘里混合器，母管與排粉機出口之間安裝隔離門，并將母管兩端(含文丘里混合器及分叉管)設(shè)計成可倒換形式，即在一臺爐給粉機處的母管上設(shè)計安裝若干個文丘里混合器，在另一臺爐給粉機處設(shè)計安裝若干段與文丘里混合器一樣長度尺寸和接口的短管。當(dāng)不同的鍋爐停運時，將文丘里混合器和該短管互換位置，方便兩爐用同一根母管互相排粉進入臨爐燃燒。鍋爐停運前，母管上的隔離門處于關(guān)閉狀態(tài)，金屬軟管不與給粉機連接，處于備用狀態(tài)；鍋爐停運后，給粉機停止下粉，拆下給粉機下粉管，使用金屬軟管將給粉機出口管接至文丘里混合器。同時，停運臨爐選定的需倒粉燃燒的燃燒器相對應(yīng)的給粉機，用同樣的金屬軟管將輸粉母管另一端的分叉管接至該爐相應(yīng)的一次風(fēng)粉管風(fēng)粉混合器。拆除提供輸粉汽源的已停運的排粉機與輸粉母管間的堵板，并開啟隔離門，啟動運行該排粉機，啟動需排粉給粉機。通過給粉機的葉輪給粉和文丘里混合器喉部的負壓吸流作用，即可將粉倉余粉送入臨爐燃燒。

此方案可避免燃煤浪費，提高經(jīng)濟效益；可避免煤粉飛揚和排放地溝，減少環(huán)境污染。

2 粉倉存粉進臨爐直接燃燒系統(tǒng)設(shè)計

下面結(jié)合圖1說明本方案的系統(tǒng)設(shè)計。

當(dāng)鍋爐停運后，停運鍋爐煤粉倉1內(nèi)還存有未燃用盡的煤粉。將給粉機3下部下粉管(圖中虛線)7拆除，通過金屬軟管5將給粉機與文丘里混合器9的喉部接管座連接。

根據(jù)臨爐負荷情況，停運臨爐若干臺給粉機4，拆除其下粉管8，用金屬軟管將輸粉母管12與鄰爐相應(yīng)的一次風(fēng)管風(fēng)粉混合器相連接，通過閥門13控制開關(guān)。

文丘里的進口管11與氣源連接，氣源由排粉風(fēng)機(也可以用壓縮空氣等氣源，根據(jù)電廠現(xiàn)場情況確定)提供。

排粉系統(tǒng)各部件連接完成后，接通氣源，開啟閥門10和閥門13，調(diào)節(jié)閥門10可調(diào)節(jié)風(fēng)量；開啟給粉機3送粉，調(diào)節(jié)給粉機的轉(zhuǎn)速可以控制給粉量。運行中的臨爐的其余給粉機可根據(jù)負荷和燃燒情況進行開啟和給粉調(diào)節(jié)。粉倉1內(nèi)的煤粉即可通過送粉系統(tǒng)進入臨爐系統(tǒng)燃燒。

以上實施方案中是以連接兩臺給粉機為例介紹的，實際也可多臺給粉機同時與文丘里裝置連接(為減小對臨爐的影響，以不超過一層燃燒器的數(shù)量為好)，同時進行送粉以加快粉倉排粉速度。停運鍋爐過來的風(fēng)、粉混合物也可通入運行爐的多個一次風(fēng)管，以減少系統(tǒng)阻力及各角燃燒器粉量偏差。

3 重慶發(fā)電廠臨爐排粉裝置實例介紹

3.1 現(xiàn)場及系統(tǒng)基本情況

經(jīng)測量，重慶發(fā)電廠兩臺鍋爐粉倉之間距離91 m，粉倉寬度各10 m，即煤粉最遠輸送距離有111 m。

煤粉輸送風(fēng)來自于鍋爐排粉機，額定壓力14.4 kPa，額定風(fēng)量120 000 m3/h。本方案擬采取的方法是風(fēng)粉氣流通過給粉機下邊的下粉管進入一次風(fēng)管風(fēng)粉混合器，然后再通入爐膛。由于下粉管外徑為Φ159 mm，下粉管內(nèi)流速較高(可達50 m/s)，估計阻力較大；由于設(shè)計資料缺失，風(fēng)粉混合器阻力系數(shù)未知，只能實驗測得。因此，目前無法準(zhǔn)確計算風(fēng)粉混合物經(jīng)落粉管進入該一次風(fēng)主管的阻力準(zhǔn)確值。但根據(jù)現(xiàn)有運行參數(shù)可以進行估算。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)運行參數(shù)，正常運行時從風(fēng)粉混合器一次風(fēng)進口到燃燒器噴口的阻力損失在1 000～1 350 Pa左右。一次風(fēng)經(jīng)過混合器的阻力在100 Pa左右，而風(fēng)粉氣流經(jīng)下粉管進入一次風(fēng)主管的阻力應(yīng)稍大于一次風(fēng)經(jīng)過混合器的阻力。因此，設(shè)計時考慮足夠的余量，風(fēng)粉氣流經(jīng)下粉管進入一次風(fēng)主管再到爐膛的阻力應(yīng)不小于1 500 Pa。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計如表1所示。

表1 粉倉存粉進臨爐直接燃燒系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

表1中送粉母管設(shè)計參數(shù)為輸粉母管的主要計算結(jié)果。輸送管道的粉風(fēng)比0.8 kg/kg計算，則空氣量需要18.75 t/h，體積流量為14 500 Nm3/h。將排粉過程中的空氣定為與外界大氣相當(dāng)，溫度為30 ℃，計算管內(nèi)實際流速為35.6 m/s，則送粉母管內(nèi)徑為400 mm，長度為111 m管道的沿程阻力損失約882 Pa。加上風(fēng)粉氣流經(jīng)下粉管進入一次風(fēng)主管，再到爐膛的阻力1 500 Pa，送粉母管及到燃燒器噴口阻力之和為2 382 Pa。

正常運行時排粉機進口風(fēng)門開度在50%～70%之間，風(fēng)機出口壓力在8～10 kPa左右，停爐后排粉機僅用作排粉，壓頭有足夠的余量可以克服管道阻力，風(fēng)量足以滿足輸粉要求。

為防止輸粉空氣反竄進入煤粉倉和保證給粉機下粉順暢，文丘里管內(nèi)部設(shè)計有前伸托板，以使文丘里管在落粉管處形成一定的負壓(按-100 Pa設(shè)計)吸流區(qū)[3]，保證正常落粉。文丘里管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 文丘里管設(shè)計圖

在粉倉排粉時，同時可開啟進入粉倉的氮氣系統(tǒng)，向粉倉內(nèi)充氮，使粉倉內(nèi)形成正壓。這既可防止粉倉空氣進入發(fā)生自燃，也可加快排粉速度(重慶發(fā)電廠摻燒神華煙煤時，每個粉倉都設(shè)計安裝了1套氮氣惰性滅火系統(tǒng))。

需要說明的是，引射器內(nèi)流速高，磨損嚴重，且有可能產(chǎn)生靜電。管道應(yīng)有可靠的接地裝置，管道法蘭之間應(yīng)安裝防靜電金屬連接板,以釋放靜電，防止火花產(chǎn)生。

排粉管道風(fēng)粉介質(zhì)經(jīng)下粉支管進入臨爐一次風(fēng)管風(fēng)粉混合器，此處阻力損失未知，若阻力過大會降低輸粉能力，使排粉時間延長。

3.3 系統(tǒng)運行控制

鍋爐計劃停運，按照運行規(guī)程正常停爐方式燃空粉倉煤粉即可。本系統(tǒng)主要針對事故停爐或其他緊急停爐情況，清空粉倉存粉。

鍋爐緊急停爐后，按照前述辦法連通臨爐輸粉系統(tǒng)，根據(jù)粉倉粉位和臨爐負荷情況安排投入的倒粉給粉機和臨爐對應(yīng)的燃燒器數(shù)量。為便于調(diào)節(jié)整個鍋爐的燃燒，盡量限于安排最上一層一次風(fēng)燃燒器作為清倉倒粉燃燒器，對角兩兩安排為佳。

本系統(tǒng)投入要保證臨爐的正常運行，根據(jù)機組負荷和爐膛熱負荷的適應(yīng)情況，要及時調(diào)整燃燒強度。由于本系統(tǒng)輸送距離長，系統(tǒng)情況較復(fù)雜，因此應(yīng)優(yōu)先調(diào)整其它燃燒器，盡量使本系統(tǒng)在比較穩(wěn)定的狀態(tài)下運行。

本系統(tǒng)的投入可能對臨爐的燃燒工況產(chǎn)生影響，通過引風(fēng)機的自動調(diào)節(jié)和各燃燒器風(fēng)壓調(diào)整，要始終保證爐膛負壓在-30～-50 Pa范圍波動，嚴禁正壓運行；由于最上層參與臨爐倒粉燃燒的燃燒器風(fēng)量較大，可適當(dāng)減少其下層燃燒器的一次風(fēng)量，但一次風(fēng)速不得低于25 m/s[4]，可間接起到低氧燃燒抑制NOx的產(chǎn)生；對二次風(fēng)燃燒器，可采用“正塔形”(上二次風(fēng)小，下二次風(fēng)大)的配風(fēng)方式[2]?？傮w來說，爐內(nèi)平均煙氣含氧量控制在3%～5%為宜，最低氧量值不低于2%。

鍋爐負荷較低時，為穩(wěn)定燃燒可減少倒粉燃燒的燃燒器臺數(shù)和輸粉量，同時增大主力燃燒器的燃燒，并可根據(jù)需要投入助燃油槍助燃。

通過觀察燃燒器的火焰情況，以及根據(jù)提供輸粉汽源的排粉機和倒粉給粉機的電流變化情況，可判斷粉倉存粉清空程度。系統(tǒng)輸粉逐步減少時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整增大其他燃燒器的燃燒量；判斷粉倉已清空，應(yīng)適當(dāng)吹掃輸煤母管，然后停運該系統(tǒng)，將臨爐給粉系統(tǒng)恢復(fù)原狀，適時投入已接回的燃燒器。

3.4 應(yīng)用效果

重慶發(fā)電廠臨爐排粉裝置輸粉母管系統(tǒng)于2013年4月在現(xiàn)場安裝完成。2013年5月中旬，該廠1#機組按計劃進行C級檢修，鍋爐按正常計劃停運，粉倉余粉估計在40 t左右。鍋爐停運后，按照同時進行2臺給粉機下粉要求，完成現(xiàn)場下粉管接口，啟動臨爐排粉裝置，輸粉流暢，對臨爐燃燒無明顯影響。整個清倉作業(yè)持續(xù)7 h左右，排粉裝置停運后，檢查粉倉清粉情況，發(fā)現(xiàn)除粉倉底部死角有少量余粉外，基本清除干凈。在之后1#和2#鍋爐的歷次非計劃停爐中，都利用該裝置進行了臨爐倒粉燃燒，效果良好，既保證了鍋爐非計劃停運制粉系統(tǒng)及設(shè)備的安全，又取得了良好的經(jīng)濟性和環(huán)保效果。

4 結(jié)論

本方案可以使停運鍋爐粉倉內(nèi)的煤粉快速排空，保證粉倉的安全。排出的煤粉直接進入臨近鍋爐燃燒，避免了燃煤的浪費，可提高經(jīng)濟效益。通過合理設(shè)計的文丘里裝置，可使排粉過程更順暢，避免輸送空氣反串入煤粉倉，影響排粉。

[1] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. 火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計技術(shù)規(guī)程：DL/T 5203—2005[S].北京：中國電力出版社，2005：20-23.

[2] 樊泉桂，閻維平，閆順林，等.鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2008：60，322.

[3] 胡萌平，陳柏軍，趙仲琥.電站鍋爐手冊[M].北京：中國電力出版社，2005：217-219.

[4] 張安國，梁輝.電站鍋爐煤粉制備與計算[M].北京：中國電力出版社，2010：212.