粗粉分離器細(xì)度調(diào)節(jié)特性的試驗(yàn)研究

周亮，陳文

(1. 國(guó)電長(zhǎng)源荊州熱電有限公司，湖北 荊州434000；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；3. 高效清潔火力發(fā)電技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410007)

0 引言

由于燃料價(jià)格、運(yùn)輸、運(yùn)力等多方面的原因,火力發(fā)電機(jī)組的入爐煤質(zhì)經(jīng)常隨著市場(chǎng)變化, 多數(shù)電廠實(shí)際未燃用設(shè)計(jì)煤質(zhì)。煤質(zhì)的變化對(duì)鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性影響很大, 機(jī)組運(yùn)行期間經(jīng)常需要根據(jù)入爐煤質(zhì)變化和制粉系統(tǒng)出力來(lái)調(diào)整煤粉細(xì)度以提高鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性。因用電結(jié)構(gòu)原因, 電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差較大, 燃煤機(jī)組大多須參與深度調(diào)峰。機(jī)組負(fù)荷變化時(shí), 制粉系統(tǒng)運(yùn)行工況也不同,鍋爐燃燒的最佳煤粉細(xì)度也會(huì)隨之發(fā)生變化, 需要根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整煤粉細(xì)度, 以降低飛灰和爐渣含碳量, 提高鍋爐效率。制粉系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到鍋爐帶負(fù)荷能力和煤粉燃燒的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性, 國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者專家對(duì)制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整進(jìn)行了相關(guān)研究, 開(kāi)展了磨煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),探討了輸粉管煤粉分配的均勻性和煤粉細(xì)度的變化規(guī)律[1]。文獻(xiàn) [2-3] 對(duì)磨煤機(jī)出力和單耗、煤粉細(xì)度、風(fēng)煤比、磨煤機(jī)出口溫度等因素進(jìn)行了分析研究, 文獻(xiàn) [4-5] 對(duì)爐內(nèi)熱負(fù)荷、NOx的生成、鍋爐運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了研究論證。文獻(xiàn)[6-8] 針對(duì)磨煤機(jī)運(yùn)行期間煤粉細(xì)度偏粗、煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)等問(wèn)題進(jìn)行了設(shè)備改造, 因缺少在線測(cè)量裝置, 煤粉細(xì)度的測(cè)量存在一定的延時(shí)。本文針對(duì)某燃煤電廠鍋爐制粉系統(tǒng)煤粉細(xì)度偏粗、煤粉細(xì)度無(wú)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等問(wèn)題, 從粗粉分離器調(diào)整入手開(kāi)展了一系列試驗(yàn)研究。

1 系統(tǒng)概述

某電廠鍋爐采用冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng), 配置6 臺(tái)HP803 型中速磨煤機(jī), 設(shè)計(jì)燃用晉北煙煤, 磨煤機(jī)主要性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1, 每臺(tái)磨出口設(shè)計(jì)有4 根一次粉管, 運(yùn)行期間存在煤粉細(xì)度偏粗、磨出力不足的問(wèn)題。

表1 磨煤機(jī)主要性能參數(shù)

依靠調(diào)節(jié)分離器擋板的不同角度來(lái)調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度, 調(diào)節(jié)擋板又可分為靜態(tài)擋板和動(dòng)態(tài)擋板。靜態(tài)擋板調(diào)節(jié)一般為手動(dòng)形式, 調(diào)整起來(lái)相對(duì)比較困難, 除非煤質(zhì)發(fā)生大的變化, 運(yùn)行中一般不進(jìn)行調(diào)整。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)擋板大多可遠(yuǎn)程控制, 依靠變頻電機(jī)帶動(dòng), 調(diào)節(jié)方式相對(duì)方便靈活, 可以適應(yīng)入爐煤質(zhì)變化、機(jī)組負(fù)荷變化、制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式變化, 通過(guò)調(diào)整其轉(zhuǎn)速來(lái)獲得需要的煤粉細(xì)度。因此為滿足煤種變化、負(fù)荷變化、制粉系統(tǒng)出力變化和高效低NOx運(yùn)行的需要, 選配動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式粗粉分離器。

2 煤粉細(xì)度對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

2.1 煤粉細(xì)度對(duì)鍋爐運(yùn)行安全性的影響

煤粉顆粒尺寸越小, 煤粉的比表面積越大, 同等條件下?lián)]發(fā)分析出速率越快, 著火和穩(wěn)燃能力越強(qiáng)。在當(dāng)前電網(wǎng)要求機(jī)組參與深度調(diào)峰的大背景下, 鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力顯得尤為重要。煤粉顆粒的著火特性直接影響低負(fù)荷穩(wěn)燃能力, 煤粉細(xì)度越小, 煤粉顆粒著火相對(duì)提前, 穩(wěn)燃能力增強(qiáng), 燃盡時(shí)間相對(duì)降低。煤粉細(xì)度越大, 揮發(fā)分析出越慢,煤粉顆粒的著火溫度相應(yīng)提高, 著火燃燒速率更慢, 燃燒穩(wěn)定性差, 低負(fù)荷下鍋爐滅火可能性亦隨之增大[5,9], 在燃用貧煤和無(wú)煙煤時(shí)更為突出。

此外, 煤粉細(xì)度值偏大會(huì)導(dǎo)致煤粉顆粒著火推遲, 爐膛燃燒火焰中心位置相對(duì)升高, 水冷壁吸熱量相對(duì)減少, 爐膛出口煙溫升高, 可能造成受熱面超溫、結(jié)焦[10]。此外, 煤粉顆粒越粗, 燃盡特性越差, 偏粗的飛灰顆粒對(duì)水平煙道及尾部煙道受熱面的磨損也會(huì)加劇, 受熱面的磨損、高溫腐蝕、結(jié)焦、受熱面管壁溫度超溫的可能性增大, 對(duì)鍋爐運(yùn)行不利。

2.2 煤粉細(xì)度對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

煤粉細(xì)度對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響首先表現(xiàn)在煤粉氣流著火和燃盡等方面。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明, 煤粉越細(xì), 活化能越低, 其著火溫度下降, 燃盡時(shí)間相對(duì)縮短, 煤粉顆粒燃盡時(shí)間與顆粒直徑的平方成正比。

煤粉氣流的著火溫度隨煤粉細(xì)度變細(xì)而明顯下降, 這是因?yàn)槊悍垲w粒尺寸減小后增大了燃燒反應(yīng)的相對(duì)比表面積, 降低了煤粉顆粒的活化能, 煤粉顆粒更易著火燃燒, 使得飛灰和爐渣可燃物含量下降, 機(jī)械不完全燃燒熱損失減小, 鍋爐效率提高。曾對(duì)某1 000 MW 機(jī)組進(jìn)行了煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn),煤粉細(xì)度R90從11%降至8.3%時(shí), 鍋爐效率從92.76%提高至93.19%[11-12]。

雖然煤粉細(xì)度降低, 可以增強(qiáng)煤粉著火和燃盡, 提高鍋爐效率, 但是也會(huì)帶來(lái)制粉系統(tǒng)出力下降、磨煤機(jī)電耗升高、金屬耗量增大等問(wèn)題。因此, 需要綜合考慮煤粉細(xì)度的最佳值, 使鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性處于較好水平。

2.3 煤粉細(xì)度對(duì)鍋爐運(yùn)行環(huán)保指標(biāo)的影響

煤粉細(xì)度的變化也會(huì)對(duì)煤粉燃燒后形成的污染物排放產(chǎn)生影響, 研究顯示煤粉細(xì)度對(duì)NOx、PM10、PM2.5和痕量元素等污染物的排放具有一定影響。煤粉細(xì)度減小后, 無(wú)論是NOx生成還是NOx還原,NOx體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[4]。煤粉越細(xì)、燃燒時(shí)間越長(zhǎng)、燃燒溫度越高, 生成的 PM10、PM2.5、PM1的量均越大[13]。同時(shí), 煤粉越細(xì), 排放顆粒物中Cu、Ni、Pb、Zn、Cr 等痕量元素含量越高[14]。

3 煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)試驗(yàn)

影響煤粉細(xì)度的因素較多, 煤質(zhì)因素 (如水分、灰分、可磨性指數(shù)等)、制粉系統(tǒng)設(shè)備狀況(如磨輥磨損、回粉管堵塞等) 和運(yùn)行參數(shù) (如磨煤機(jī)出力、系統(tǒng)通風(fēng)量、加載力等) 都會(huì)直接影響到煤粉細(xì)度值。排除煤質(zhì)因素和制粉系統(tǒng)設(shè)備狀況外, 制粉系統(tǒng)運(yùn)行期間一般通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)分離器的轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)通風(fēng)量、加載力等方法來(lái)調(diào)整煤粉細(xì)度, 其中動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)分離器的實(shí)時(shí)調(diào)整可以在線調(diào)整煤粉細(xì)度以增加對(duì)煤種的適應(yīng)性。雖然旋轉(zhuǎn)分離器確保了煤粉細(xì)度可以根據(jù)煤質(zhì)和負(fù)荷變化情況進(jìn)行調(diào)節(jié), 但因缺乏在線檢測(cè)手段無(wú)法獲知在不同出力和分離器轉(zhuǎn)速下的煤粉細(xì)度值, 運(yùn)行人員一般依靠經(jīng)驗(yàn)值。

3.1 變分離器轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)分離器利用離心分離和撞擊分離將合格的細(xì)煤粉從煤粉流中分離出來(lái), 分離器轉(zhuǎn)速越高, 分離出來(lái)的煤粉粒子直徑越小。因煤粉細(xì)度隨動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律受煤種變化影響較小, 為獲得動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速對(duì)煤粉細(xì)度的特性函數(shù), 將磨煤機(jī)出力調(diào)至30 t/h 不變, 保持運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定, 分離器轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min 變化至900 r/min, 在磨煤機(jī)出口4 根煤粉管的取樣孔上進(jìn)行等速取樣抽取煤粉, 利用氣流篩分析煤粉細(xì)度R90, 煤粉細(xì)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2, 煤質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 煤粉細(xì)度試驗(yàn)值

表3 試驗(yàn)煤質(zhì)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果分析可知, 隨著分離器轉(zhuǎn)速的升高, 煤粉細(xì)度R90值下降, 表明分離器擋板對(duì)煤粉顆粒的離心分離和撞擊分離作用越強(qiáng), 煤粉的細(xì)度越低。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看, 在分離器轉(zhuǎn)速 500 ～900 r/min時(shí), 煤粉細(xì)度與分離器轉(zhuǎn)速之間存在較好的線性調(diào)節(jié)關(guān)系。

更換煤質(zhì)為神混煤后, 在磨煤機(jī)出力下降至21 t/h時(shí)進(jìn)行了同樣的試驗(yàn), 如圖1 所示, 動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速與煤粉細(xì)度之間的關(guān)系也存在著同樣的線性關(guān)系, 在制粉系統(tǒng)運(yùn)行期間可以參照該線性曲線來(lái)進(jìn)行煤粉細(xì)度的調(diào)節(jié)。如在30 t/h 出力下時(shí), 煤粉細(xì)度R90與分離器轉(zhuǎn)速x間存在著如下關(guān)系式:

圖1 煤粉細(xì)度與分離器轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

同時(shí)從試驗(yàn)可知, 在分離器轉(zhuǎn)速500 r/min 時(shí),磨煤機(jī)煤粉細(xì)度偏粗,R90達(dá)到30%以上。煤粉細(xì)度的調(diào)整應(yīng)根據(jù)入爐煤質(zhì)情況, 可參考燃燒調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果和響應(yīng)規(guī)程進(jìn)行。根據(jù)該鍋爐試驗(yàn)情況, 結(jié)合DL/T 467 《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)》宜將煤粉細(xì)度控制在18%～22%。

3.2 煤粉細(xì)度與磨煤機(jī)出力特性試驗(yàn)

分離器轉(zhuǎn)速不變時(shí), 即分離器轉(zhuǎn)速不進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí), 煤粉細(xì)度與磨煤機(jī)出力之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。為研究磨煤機(jī)出力與煤粉細(xì)度之間的關(guān)系, 維持分離器轉(zhuǎn)速600 r/min 不變, 對(duì)該磨煤機(jī)出口煤粉細(xì)度進(jìn)行取樣分析, 試驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示。

圖2 煤粉細(xì)度與磨煤機(jī)出力的關(guān)系曲線

從煤粉細(xì)度與磨煤機(jī)出力特性試驗(yàn)中可以看出, 在分離器轉(zhuǎn)速不變的情況下, 隨著磨煤機(jī)出力的增大, 煤粉細(xì)度R90值逐漸增大。分析認(rèn)為, 磨煤機(jī)出力為研磨出力、通風(fēng)出力和干燥出力, 且為其中最小者。對(duì)于該磨煤機(jī)而言, 磨煤機(jī)出力越大, 其研磨能力要求越強(qiáng), 同時(shí)為保證一定的風(fēng)煤比, 通風(fēng)量也隨著磨煤出力的增大而增大, 煤粉細(xì)度與磨煤機(jī)出力之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系, 進(jìn)一步研究可以得出, 對(duì)于該磨煤機(jī), 磨煤機(jī)出力為20～30 t/h 時(shí), 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合得到煤粉細(xì)度R90與磨煤機(jī)出力x間存在著如下關(guān)系式:

在試驗(yàn)條件下, 煤粉細(xì)度與磨煤機(jī)出力之間存在二次函數(shù)關(guān)系, 為達(dá)到煤粉經(jīng)濟(jì)細(xì)度, 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可以得到磨煤機(jī)在不同出力下的分離器轉(zhuǎn)速控制曲線, 如圖3 所示。

圖3 不同出力下分離器轉(zhuǎn)速控制曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1) 煤粉的經(jīng)濟(jì)細(xì)度受煤種變化、電網(wǎng)負(fù)荷變化和制粉系統(tǒng)出力變化而變化, 只有根據(jù)實(shí)際入爐煤質(zhì)和電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷情況調(diào)整煤粉細(xì)度, 才能確保機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2) 煤粉細(xì)度R90值隨著分離器轉(zhuǎn)速的升高而下降, 在分離器轉(zhuǎn)速500 ～900 r/min 之間時(shí), 煤粉細(xì)度與分離器轉(zhuǎn)速之間存在較好的線性調(diào)節(jié)關(guān)系。若燃用煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí), 應(yīng)對(duì)分離器轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

3) 在分離器轉(zhuǎn)速不變的情況下, 隨著磨煤機(jī)出力的增加, 煤粉細(xì)度R90值逐漸增大, 煤粉細(xì)度R90與磨煤機(jī)出力之間存在著二次函數(shù)關(guān)系。

4) 制粉系統(tǒng)的健康運(yùn)行對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性影響較大, 通過(guò)煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)可得到磨煤機(jī)在不同出力下的分離器轉(zhuǎn)速控制曲線, 能有效提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。