基于試燒的褐煤鍋爐設(shè)計(jì)分析

耿克成，陳 偉

(中國(guó)華電香港有限公司，北京 100031)

0 引言

印尼有豐富的褐煤資源，且該煤種具有高水分、低灰分、高揮發(fā)分、低熱值的特點(diǎn)，但其堿金屬含量偏高、灰熔點(diǎn)較低，有結(jié)焦沾污傾向，熱值較低、含水量高，不利于制粉系統(tǒng)干燥、穩(wěn)燃。投資建設(shè)印尼南蘇門(mén)答臘2 ×660 MW 坑口電站，擬燃用Central Banko煤礦的褐煤。為確保新機(jī)組投運(yùn)后的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需對(duì)印尼褐煤進(jìn)行全面的煤質(zhì)特性研究，并評(píng)價(jià)試驗(yàn)煤的燃煤特性。同時(shí)，結(jié)合印尼褐煤的半工業(yè)性試燒試驗(yàn)結(jié)果，推薦了新機(jī)組適合的鍋爐爐型與燃燒方式。

1 試燒設(shè)備簡(jiǎn)介

煤粉試燒采用1 MW TPRI半工業(yè)試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)于1991年底建立，是目前國(guó)內(nèi)設(shè)施最完整、工作業(yè)績(jī)最好的煤粉燃燒試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)燃料輸入功率為1 MW，爐膛容積熱負(fù)荷為182 kW/m3，可以從燃燒系統(tǒng)、爐膛及過(guò)熱器等方面模擬煤粉在鍋爐內(nèi)的燃燒和結(jié)渣等過(guò)程。試驗(yàn)臺(tái)爐膛本體為積木式結(jié)構(gòu)，燃燒器頂置，下射式火焰。爐頂為單獨(dú)一級(jí)，依次為1～4級(jí)爐體，每級(jí)高度1 m，爐膛斷面積為1 m×1 m，爐內(nèi)布置有水冷壁。第四級(jí)下部為前轉(zhuǎn)向室，爐壁上的落渣沉積在前轉(zhuǎn)向室底部。煙氣在前轉(zhuǎn)向室轉(zhuǎn)向后進(jìn)入過(guò)熱器段，該段內(nèi)布置有模擬的三級(jí)過(guò)熱器管。過(guò)熱器之后為后轉(zhuǎn)向室，其中裝有6排蛇形管，管內(nèi)用水冷卻，以控制進(jìn)入空預(yù)器區(qū)的煙溫[1-5]。與常規(guī)煤質(zhì)分析試驗(yàn)以及小型試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)相比，1 MW半工業(yè)性試驗(yàn)可以提供更為精確的燃燒特性判別結(jié)論。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)控制參數(shù)，可以考察試驗(yàn)煤對(duì)各主要運(yùn)行參數(shù)的適應(yīng)性。

2 試燒煤質(zhì)分析

具體試驗(yàn)煤樣分析數(shù)據(jù)如表1所示，為了模擬華電印尼褐煤高水分的特點(diǎn)，按已制備煤粉水分差值加入一次風(fēng)中。除原煤與水分試驗(yàn)外，各試驗(yàn)入爐煤的水分均為35.2%。

表1 煤質(zhì)分析參數(shù)Tab.1 The analysis parameters of coal quality

3 煤粉燃燒特性試驗(yàn)研究

針對(duì)華電印尼褐煤的高水分、高揮發(fā)分的煤質(zhì)特點(diǎn)，在1 MW半工業(yè)性試驗(yàn)臺(tái)上主要進(jìn)行了變一次風(fēng)率試驗(yàn)、變氧量、變煤粉細(xì)度以及變二次風(fēng)旋流強(qiáng)度試驗(yàn)，各控制參數(shù)的設(shè)置情況見(jiàn)表2所示。本文從燃燒系統(tǒng)、爐膛及過(guò)熱器等方面模擬華電印尼褐煤的爐內(nèi)燃燒過(guò)程，分析各運(yùn)行參數(shù)的變化對(duì)其著火、燃燒、結(jié)渣和NOx生成量的影響。

表2 主要試驗(yàn)控制參數(shù)Tab.2 The main test control parameters

3.1 二次風(fēng)旋流強(qiáng)度試驗(yàn)

煤的著火是在一定條件下由吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧岬倪^(guò)程，外部環(huán)境對(duì)具體的著火過(guò)程有很大影響。著火性能越差的煤種，火焰穩(wěn)定性受外部條件的影響越大。在1 MW 半工業(yè)性試驗(yàn)臺(tái)上，采用改變二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的辦法對(duì)煤的著火特性進(jìn)行判別。

試驗(yàn)時(shí)，在相同的控制參數(shù)條件下，分別改變二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，即指示為10%，5%與0(旋流由弱至強(qiáng)，旋流強(qiáng)度為0～10%)，工況穩(wěn)定后測(cè)量第一級(jí)爐膛中部火焰溫度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出對(duì)華電印尼試驗(yàn)煤來(lái)說(shuō)，隨著二次風(fēng)旋流強(qiáng)度改變，著火區(qū)附近的火焰溫度變化不大，這表明該煤著火穩(wěn)定性較好。

表3 二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)第一級(jí)爐膛火焰溫度的影響Tab.3 Swirl intensity of secondary air on the first level of furnace flame temperature

采用線形回歸可得出一條反映煤種著火穩(wěn)定性的直線方程Y=AX+C。著火性能越好的煤，穩(wěn)定性直線斜率A越小，表明對(duì)抗外界干擾的能力越強(qiáng)。華電印尼煤與國(guó)內(nèi)幾種典型動(dòng)力煤的著火穩(wěn)定性直線方程比較結(jié)果見(jiàn)圖1。

比較可知，華電印尼煤的著火穩(wěn)定性較好。

華電印尼煤燃燒溫度水平較低，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用低溫燃燒措施，以緩解爐內(nèi)的嚴(yán)重結(jié)渣問(wèn)題，同時(shí)降低NOx的生成量。

圖2和圖3分別為旋流強(qiáng)度對(duì)爐內(nèi)煙溫和NOx生成量的影響。由圖可知，旋流強(qiáng)度越高(相當(dāng)于旋流燃燒器)，在初始階段煙溫越高；而旋流強(qiáng)度越小(旋流強(qiáng)度為0時(shí)，相當(dāng)于直流燃燒器)，后期煙溫越高。且隨著旋流強(qiáng)度的增加，NOx生成量有降低的趨勢(shì)。

綜上分析，針對(duì)該煤種，隨著旋流強(qiáng)度的增加，后期煙溫和NOx生成量都有降低的趨勢(shì)。生產(chǎn)中可選擇合適的旋流強(qiáng)度，重點(diǎn)降低燃燒器區(qū)域結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)，可選用旋流燃燒方式的燃燒器。

3.2 變氧量試驗(yàn)

運(yùn)行氧量對(duì)爐內(nèi)燃燒狀況以及機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有直接的影響。由圖4爐膛出口氧量與試驗(yàn)煤飛灰燃盡率的關(guān)系曲線可見(jiàn)，氧量對(duì)該褐煤影響較小，爐膛出口氧量由2.0%升至4.8%對(duì)燃盡率的相對(duì)影響約為0.75個(gè)百分點(diǎn)。爐膛出口氧量在2.0%與3.6%之間時(shí)，氧量變化對(duì)燃燒效果影響較小，因此在燃用印尼褐煤時(shí)，可采用低氧燃燒方式。

圖5表明氧量對(duì)爐內(nèi)的煙溫也有一定影響，氧量越高，爐內(nèi)煙溫越高，對(duì)NOx排放有不良影響。 低氧燃燒是控制NOx生成量的關(guān)鍵技術(shù)，低氧量運(yùn)行時(shí)，NOx的生成量明顯降低。由圖6可以看出，爐膛出口氧量在2.0%時(shí)，NOx的生成量較低。因此，燃用該煤種，采用低氧燃燒符合經(jīng)濟(jì)和環(huán)保要求。

3.3 變一次風(fēng)率試驗(yàn)

一次風(fēng)率增高時(shí)，燃盡率B下降，爐膛溫度升高，NOx生成量增加，其中爐膛溫度升高將會(huì)加劇爐膛受熱面的結(jié)渣。由圖7-圖9可知，鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)不應(yīng)采取過(guò)高的一次風(fēng)率。

3.4 煤粉細(xì)度試驗(yàn)

煤粉細(xì)度除影響制粉系統(tǒng)運(yùn)行外，還對(duì)鍋爐燃燒及結(jié)渣有較大的影響。

圖10顯示了煤粉細(xì)度變化對(duì)試驗(yàn)煤燃盡率的影響。華電印尼褐煤屬于燃盡性能較優(yōu)的煤種，試驗(yàn)結(jié)果也表明煤粉細(xì)度的變化對(duì)華電印尼褐煤的燃盡率的影響較小，煤粉細(xì)度R90在35%和45%之間變動(dòng)，燃盡率保持在98.22%～98.98%。

圖11和圖12表明隨著煤粉變粗，爐內(nèi)溫度上升，造成爐內(nèi)結(jié)渣加劇，NOx生成量變化不大。

本次試驗(yàn)華電印尼煤可磨系數(shù)中等，在褐煤中屬于可磨性較好的煤種。燃用華電印尼煤的新機(jī)組在鍋爐設(shè)計(jì)中，磨煤機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)有較大的裕量，燃用華電印尼煤時(shí)適宜的煤粉細(xì)度R90應(yīng)為35%左右，不宜太粗。

4 結(jié)論

通過(guò)工業(yè)分析、元素分析以及試驗(yàn)分析，得到了以下結(jié)論和建議：

(1)印尼褐煤揮發(fā)分高，自燃傾向較強(qiáng)。儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)管理，防止煤自燃。華電印尼褐煤的著火穩(wěn)定性與燃盡性?xún)?yōu)于國(guó)內(nèi)典型煙煤。

(2)通過(guò)綜合分析判斷煤的燃燒特性，其主要燃燒特性為易著火、易燃盡、輕微結(jié)渣、易磨。鍋爐運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)注意防止制粉系統(tǒng)爆炸，適當(dāng)降低磨煤機(jī)出口溫度，提高一次風(fēng)率，推遲煤粉氣流著火。

(3)褐煤早期選用的風(fēng)扇磨煤機(jī)的主要問(wèn)題是磨損快、檢修周期短。隨著中速磨煤機(jī)向較大出力發(fā)展且其對(duì)高水分煤的適應(yīng)性增強(qiáng)，對(duì)某些水分為35%～40%的褐煤可以考慮采用中速磨煤機(jī)。

(4)煤種試燒結(jié)果表明，新機(jī)組鍋爐適宜采用旋流燃燒器，機(jī)組容量一般在500 MW～1 300 MW，可采用四角、八角或墻式對(duì)沖燃燒方式，鍋爐的布置方式有П型、塔式及T型三種方式。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)較為成熟和常用的爐型，建議采用墻式對(duì)沖П型鍋爐。

(5)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，華電印尼煤適宜的煤粉細(xì)度R90為35%左右，不宜太粗。

(6)燃燒試驗(yàn)結(jié)果表明，燃用印尼褐煤可以采用爐膛出口氧量為 3.0%左右的低氧燃燒方案，有利于提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。當(dāng)一次風(fēng)率提高后，NOx生成量增加，需采用低氧燃燒技術(shù)，將NOx生成量控制在較低水平。在試驗(yàn)臺(tái)上常規(guī)工況 NOx生成量為280 mg/m3左右，預(yù)測(cè)實(shí)爐NOx生成量為200 mg/m3左右。建議實(shí)際運(yùn)行氧量為 2.73%～2.85%，內(nèi)外二次風(fēng)配比為 0.18～0.2，建議磨煤機(jī)選型和設(shè)計(jì)時(shí)為煤粉細(xì)度留出裕量。