褐煤純燒致灰?guī)熳匀嫉姆治雠c防治

章 鵬，丁海雷，吳躍森，韓 平

（杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012）

0 引言

目前，中國煤炭消費約占一次能源消費的70%，已探明的褐煤儲量占煤炭總儲量的13%［1］。因優(yōu)質煤炭資源供應日趨緊張，價格節(jié)節(jié)攀升，電力生產企業(yè)紛紛增加褐煤采購量，以摻燒的方式代替部分煙煤［2］，進而減輕燃料成本壓力。出于安全考慮，國內發(fā)電企業(yè)褐煤摻燒居多，少見褐煤純燒機組。褐煤屬高水分、高揮發(fā)分煤種，極易自燃。當機組處于熱態(tài)調試初期或長期運行于低負荷階段時，爐膛火焰溫度低，煤粉燃盡率較低，致使部分未燃燒的粉煤灰經輸灰系統(tǒng)輸送至灰?guī)於汛?，增大了灰?guī)彀l(fā)生自燃的風險。此外，燃用褐煤還會引起磨煤機爆燃、原煤倉自燃等事故。

華電昆明發(fā)電廠將一臺300 MW 煙煤機組改造為褐煤純燒機組后，出現(xiàn)磨煤機堵塞、燃燒器噴口結焦以及機組帶負荷能力較差等問題［3］，通過提高一次風母管壓力、調整配風方式以及技術改造提升制粉系統(tǒng)出力等方法系統(tǒng)性地解決了上述問題。另外，通過爐外預混方式，以50%的摻燒比例對某600 MW燃煤機組進行褐煤摻燒試驗，結果發(fā)現(xiàn)飛灰可燃物含量降低約1.59%［4］。浙能溫州發(fā)電廠通過分倉摻燒低水奧優(yōu)煤試驗發(fā)現(xiàn)，摻燒會導致NOX生成量大幅增加約50%［5］。而印尼某1 050 MW褐煤純燒機組基建調試期間發(fā)生嚴重灰?guī)熳匀际鹿省?/p>

雖然國內對于褐煤純燒已有較多的研究，但對于爐后設備尤其是灰?guī)彀踩挠绊憚t少有研究報道。灰?guī)熳匀紩拗茩C組高負荷運行，影響調峰，嚴重時造成長時間停機。為增強機組煤種適應性，提高經濟效益，有必要對灰?guī)熳匀嫉挠绊懸蛩剡M行分析，進而制定應對措施。

鑒于此，本文以某純燒褐煤機組為例，對啟動調試期間發(fā)生灰?guī)熳匀嫉脑蜻M行分析，設計了相關試驗并提出實踐可行的方法。經驗證，所采用的方法極大降低了灰?guī)彀l(fā)生自燃的可能性，為褐煤摻燒及純燒機組的安全運行提供了參考依據(jù)。

1 機組概況

該燃煤機組為1 050 MW 超超臨界燃煤機組，微油點火方式，設計煤種為褐煤，設計額定工況煤量507 t/h。共設置2 個Φ12 m 的鋼筋混凝土灰?guī)欤總€灰?guī)斓目側莘e為1 300 m3。2 座灰?guī)炜少A存2 臺機組在BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力）工況下燃用設計煤種時約32 h 的排灰量?；?guī)斓撞吭O置有矩形氣化槽，氣化槽結構分布如圖1所示，中部3處圓孔為放灰卸料口，氣化槽表面覆蓋碳化硅材質氣化板，具有良好的透氣性和耐磨性。為防止儲灰板結、便于卸料，設計3臺氣化風機向灰?guī)鞖饣厶峁饣L，氣化風母管配置1臺氣化風電加熱器，庫氣化風系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 灰?guī)靸炔繗饣鄯植?/p>

圖2 灰?guī)鞖饣L系統(tǒng)示意圖

在1號機組沖管前期，鍋爐進行了所有微油槍和大油槍點火調試。機組采用穩(wěn)壓沖管方式，總耗時14天，耗煤3 050 t，期間停爐2次，共投用4組制粉系統(tǒng)，磨煤機啟停多次，低負荷時投運大油槍助燃。

2 原因分析

2.1 煤種因素

資料表明，曾有發(fā)電廠在啟動調試期間燃用表1中所列的煤種3時，發(fā)生了嚴重的灰?guī)熘鹗鹿剩?］。從灰?guī)烊丝滋幙梢娀鹦羌盎鹈?，局部結焦，如圖3所示。并造成內部氣化風系統(tǒng)燒毀，如圖4所示。而本機組燃用的印尼煤煤種1、煤種2揮發(fā)分更高，屬于典型褐煤，因褐煤極易自燃［9］，生產過程中需采取煤場噴淋措施，但堆存1周左右仍會發(fā)生自燃，如圖5所示。另外，在機組啟動調試初期，全過程磨煤機啟停、跳閘多次，產生了大量未燃燒的煤粉，經電除塵收集后，通過輸灰系統(tǒng)送入相對密閉的灰?guī)靸榷汛?。隨著褐煤揮發(fā)分的逐漸析出，加劇了儲灰的升溫氧化過程，最終導致灰?guī)彀l(fā)生自燃。

圖3 灰?guī)靸炔筷幦棘F(xiàn)場

圖4 灰?guī)斓撞繜龤КF(xiàn)場

圖5 褐煤煤場自燃現(xiàn)場

表1 煤種工業(yè)分析結果

2.2 燃料未完全燃燒

除上述煤種原因外，鍋爐長期低負荷運行導致燃料未完全燃燒是另一誘發(fā)因素。

該燃煤機組為適應褐煤純燒設計而采用巴威HPAX-X型低NOX雙調風旋流燃燒器，增設乏氣風噴口。利用分級送風方式，將主燃燒器的一部分風粉分流至乏氣風噴口，以降低NOX的排放。具體而言，即氣流進入一次風濃縮裝置之后，有40%左右的一次風量和10%～15%煤粉量分離出來，經乏氣管引到乏氣噴口直接噴入爐膛燃燒。實際運行中，通過觀火發(fā)現(xiàn)當入爐總煤量小于等于80 t/h 時，這部分乏氣風所攜帶煤粉并未被引燃，乏氣風噴口燃盡率低，如圖6所示。當煤量加大后，燃燒狀況才明顯好轉。此時，在低負荷運行階段，乏氣風中的未燃盡煤粉將被直接帶入灰?guī)臁?/p>

圖6 燃燒器運行狀況

此外，鍋爐助燃油槍所用的柴油中摻混20%的生物質成分。如表2所示，助燃柴油中十六烷指數(shù)比重較大，因此其自燃性好、易著火，但滯燃期太短，燃料未能及時與空氣混合即著火自燃，裂化分解產生的游離炭來不及燃燒，產生黑煙。長時間的油粉混燒帶來了大量的未燃盡油粉混合物，最終在灰?guī)靸日辰Y，積聚燃燒，停爐檢查發(fā)現(xiàn)空預器內部和電除塵一電場極板上的油霧也印證了這點。為進一步驗證，對灰?guī)靸鹊慕箟K取樣（圖7）進行成分分析，發(fā)現(xiàn)其含碳量竟高達60.6%，明顯高于正常水平，可判斷其是灰?guī)靸汝幦嫉闹饕扇嘉铮?0］。

圖7 灰?guī)靸炔咳〕龅慕箟K

表2 助燃柴油與0號柴油十六烷指數(shù)對比

另有浙江某供熱機組在啟動調試期間，燃用了揮發(fā)分不高的煤種4，但因處理設備缺陷，鍋爐在單磨投油槍的低負荷階段運行時間過長，沖管首次停爐期間放灰時，灰?guī)靸炔恳舶l(fā)現(xiàn)自燃現(xiàn)象，事故調查發(fā)現(xiàn)灰?guī)靸葍液剂扛哌_53.9%。

2.3 卸灰不及時

鋼筋水泥灰?guī)斓撞繗饣L板一般設計坡度平緩［11］，造成底部相當一部分粉煤灰無法排出而滯留灰?guī)?，留下隱患。

此外，因該廠未及時取得當?shù)丨h(huán)保排放許可證，卸灰拖延至沖管結束后才進行。以首次投磨算起，出灰在灰?guī)靸却娣胚_15 天，這為灰?guī)靸鹊难趸艧岱磻峁┝顺渥愕臅r間。及時卸灰以排出可燃物，可在極大程度上降低自燃風險。

2.4 氣化風助燃

為防止空氣中的水和灰混合后堵塞氣化面板的氣孔，進入氣化槽箱體的空氣會經過電加熱器預熱，但這部分熱空氣同時也提供了燃燒所需要的氧氣［11］，反而起到助燃效果。氣化風溫設計值在170 ℃。運行中控制電加熱溫度在100±10 ℃，在啟動調試初期以及低負荷運行期間，此溫度依舊偏高，會加快未燃盡燃料內揮發(fā)分的析出，且持續(xù)運行時大量的熱空氣促進了揮發(fā)分的氧化放熱，使灰?guī)鞙囟冗M一步升高。

3 試驗結果及分析

針對上述原因分析，利用CO2阻燃法成果遏制灰?guī)靸炔筷幦?，并通過熱水暖爐啟動、分層儲灰以及對灰?guī)炝衔贿M行合理控制，輔以試驗論證，后續(xù)調試過程中灰?guī)熳匀紗栴}得到有效避免，對燃用褐煤機組灰?guī)斓淖匀挤乐尉哂兄匾獏⒖家饬x。

3.1 CO2阻燃

灰?guī)爝M行內部清理前，需消除內部陰燃。若直接用壓縮空氣吹掃有可能導致爆燃，而水沖洗會造成嚴重的環(huán)境污染。因此，選擇通入CO2隔絕氧氣的方法控制陰燃。

圖8為集中向灰?guī)炀徛⑷雺毫?.1 MPa的CO2氣體后，利用紅外點溫計實測灰?guī)旄鳂擞淈c溫度與時間的變化關系，共注入20 瓶，注入溫度約-10 ℃。從圖8可以看出，注入CO2后，灰?guī)旄鼽c溫度均出現(xiàn)明顯下降，表明灰?guī)靸汝幦嫉玫搅擞行Э刂?，? h后，灰?guī)旄鼽c溫度基本降至正常水平，表明灰?guī)礻幦嫉玫搅擞行Э刂啤?/p>

圖8 灰?guī)旄鼽c溫度隨時間變化

3.2 灰?guī)靸业挠绊?/h3>

為了探究灰?guī)毂倔w儲灰特性對灰?guī)熳匀嫉挠绊?，進行試驗來測試氣化風均勻性、灰?guī)炝衔簧疃燃帮w灰揮發(fā)分含量與灰?guī)靸业南嗷ビ绊憽?/p>

首先研究運行灰?guī)斓牧衔簧疃葘規(guī)鞖饣L均勻性的影響，試驗結果如圖11 所示。在灰?guī)煺Ａ衔簧蠞q過程中，在0.5～3 m區(qū)間每隔0.5 m對運行灰?guī)靸覍拥臍饣L風速進行測量，計算其標準差，繪制擬合曲線，如圖9所示?？芍?，隨著灰?guī)炝衔簧疃鹊奶岣?，氣化風的均勻性也逐漸提高。

圖9 灰?guī)炝衔簧疃葘饣L均勻性的影響

一方面，氣化風均勻性越好，越有助于防止灰堆板結，避免局部超溫，因此灰?guī)靸葢佋O適量存灰。而另一方面，存灰過多，高溫的氣化風將增加灰?guī)煨顭?，助燃灰?guī)旆勖夯摇?/p>

為研究灰?guī)炝衔粚π顭岬挠绊懀O計驗證試驗。以含有少量柴油的未燃盡煤粉為試驗材料，測試其揮發(fā)分含量為60%，從中隨機取3 份，每份1 kg，布置在直徑為1 m的試驗用鋼灰?guī)靸龋摶規(guī)斓撞糠謩e儲存1 m、2 m、3 m 的飛灰，試驗過程中底部持續(xù)注入風溫為110 ℃的氣化風，每隔半小時測量試樣的溫度變化，作擬合曲線，如圖10 所示。過程中，發(fā)現(xiàn)當試樣溫度升高至280 ℃左右時，發(fā)生陰燃現(xiàn)象，料位為3 m 時，2 h 左右試樣即發(fā)生陰燃，而料位為1 m 時，需約4.2 h。試驗結果表明：灰?guī)炝衔簧疃仍缴?，灰?guī)靸炔啃顭嵩酱螅饺菀装l(fā)生自燃。

圖10 灰?guī)炝衔簧疃葘植繙囟鹊挠绊?/p>

由此，在鍋爐低負荷運行期間需綜合考慮灰?guī)炝衔粚饣L均勻性和灰?guī)煨顭崃康挠绊?，使灰?guī)炝衔惶幱?/3～1/2區(qū)間。

此外，為降低灰?guī)煨顭幔刂苹規(guī)炝衔煌?，還可通過降低氣化風電加熱溫度至約80 ℃，并保持間斷運行，進而兼顧氣化效果［12-13］。在低負荷階段，采取電除塵只投用一電場，控制高頻電壓不超過3 kV，降低電除塵振打頻率和灰斗電加熱溫度，防止電除塵內打火［14-15］等措施，也可以控制灰?guī)炝衔缓途植繙囟鹊挠绊憽?/p>

為探究啟爐過程中產生的未燃盡煤油對粉煤灰穩(wěn)定性的影響，在未燃盡粉煤灰中添加適量的柴油，并測定其揮發(fā)分成分在20%、30%、40%、50%和60%。分別取1 kg試樣置于試驗鋼灰?guī)?m深度位置，測定其溫度變化，結果如圖11 所示。飛灰揮發(fā)分越高，對應溫度升高也越快，當揮發(fā)分成分在30%以下時，溫度可以維持在較低水平。

圖11 飛灰揮發(fā)分對局部溫度的影響

因此，為了減少未燃盡油霧的積累，初次啟爐投用微油助燃，大油槍調試可在中負荷階段進行；也可先進行粗調，確保系統(tǒng)無泄漏、火檢正常、霧化片無堵塞后，在后續(xù)低負荷階段再進行精調。另外，將部分主、再熱器壓力表計首次投運、低負荷燃燒調整試驗等工作后移，有利于鍋爐啟動初期負荷的盡快提升。通過調試順序優(yōu)化，可實現(xiàn)負荷靈活變換。

3.3 分層儲灰

根據(jù)上述灰?guī)靸姨匦缘难芯?，對該機組鍋爐各負荷段飛灰取樣分析，飛灰含碳量結果見表3。當單磨煤量達到75 t/h 時，飛灰含碳量明顯減少；當煤量為100 t/h以上時，飛灰含碳量在10%以內，此時產生的粉煤灰相對要穩(wěn)定得多。因此在機組運行過程中，通過優(yōu)化各機組間的配合來實現(xiàn)變負荷分層儲灰，可大大降低自燃風險。

表3 鍋爐各負荷段飛灰含碳量

具體地，可在同一灰?guī)於ㄆ诙汛嫦噜彔t高負荷時產生的飛灰，再通入一段時間本爐低負荷產生的粉煤灰，通過對灰?guī)齑婊襾碓吹亩啻吻袚Q，實現(xiàn)高、低飛灰含碳量的儲灰分層堆存。特殊地，對于首臺啟動調試機組而言，飛灰來源無法切換，可采用變負荷方式，切換本爐高、低負荷運行，以達到分層儲灰的目的。

實踐中對該機組采取上述措施后，停爐檢查發(fā)現(xiàn)儲灰呈現(xiàn)分層，溫度為28.5 ℃，堆存穩(wěn)定，粉煤灰無法自燃，如圖12所示。

圖12 灰?guī)靸仪闆r

3.4 啟爐方式

根據(jù)前文分析，低負荷階段產生的未燃盡煤粉及油霧是導致灰?guī)熳匀嫉闹饕?。為減少飛灰中未燃盡燃料占比，在鍋爐啟動初期，采取縮短低負荷運行時間的措施可有效抑制灰?guī)熳匀肌?/p>

熱水暖爐啟動可有效縮短鍋爐低負荷運行時間。即在鍋爐啟動前，首先利用輔汽加熱除氧器給水至150 ℃再小流量上水，對整個鍋爐進行循環(huán)預熱，至分離器出口溫度達到110 ℃以上時，再進行點火啟動。參照鍋爐啟動曲線，如圖13 所示，相比常規(guī)的冷水40 ℃直接點火啟爐，熱水暖爐法可縮短54%的低負荷暖爐時間。

圖13 鍋爐啟動初期點火升溫曲線

為探究2 種起爐方式下，飛灰中揮發(fā)分的變化，2種方式下鍋爐點火成功后，每隔10 min取一次飛灰樣，利用智能馬弗爐進行工業(yè)分析。得知利用熱水暖爐法啟動時，飛灰中揮發(fā)分含量在啟爐40 min 后已降至較低水平。作為對比，若以冷爐啟動方式運行，40 min 時，飛灰揮發(fā)分仍居高不下，此時灰?guī)煲呀浄e累了大量未燃盡油粉混合物。

4 結語

對燃用高揮發(fā)分褐煤機組在啟動和低負荷運行期間灰?guī)彀l(fā)生自燃的原因進行了分析和試驗，結果表明：

1）通過熱水暖爐方式啟動可減少54%的低負荷運行時間，大大減少未燃盡燃料量的積累。

2）采用分層儲灰的方法，通過切換飛灰來源或變負荷的方式，使含碳量較高的未燃盡粉煤灰和負荷較高時產生的含碳量較低的飛灰分層堆存，進而避免大量未燃盡煤粉的集中堆積。

3）粉煤灰所含高揮發(fā)分是灰?guī)彀l(fā)生自燃的主要原因，且灰?guī)炝衔辉缴睿瑑倚顭嵩酱?，同時將加快揮發(fā)分的析出和氧化。因此，需對灰?guī)爝M行及時排灰，保持灰?guī)?/3～1/2額定料位運行。