煤化工供熱煤粉鍋爐節(jié)能改造技術(shù)研究

孫濤 賈裕 田元平 王小英 馬宏

陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司 陜西 榆林 718500

為了配合國內(nèi)“能耗雙控”和“碳達(dá)峰，碳中和”政策的全面落實(shí)[1]，榆能化（YNH）啟動了320t/h工業(yè)煤粉鍋爐熱效率提升研究項(xiàng)目，主要從以下幾方面進(jìn)行改造。

1 增設(shè)暖風(fēng)器改造

1.1 空氣預(yù)熱器運(yùn)行現(xiàn)狀

試驗(yàn)期間對鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行了解和現(xiàn)場調(diào)整，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)鍋爐的送風(fēng)機(jī)采用的是熱風(fēng)再循環(huán)的運(yùn)行方式，冬季工況環(huán)境溫度較低時，開啟熱風(fēng)再循環(huán)，將空氣預(yù)熱器出口的部分熱風(fēng)重新送回送風(fēng)機(jī)入口，用以提高空氣預(yù)熱器進(jìn)口的冷風(fēng)溫度[2]。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)熱風(fēng)再循環(huán)開啟狀態(tài)下，環(huán)境冷風(fēng)溫度為25.1℃，混合后的送風(fēng)機(jī)入口溫度提升到41.4℃，溫度升高的幅度約為16.3℃。

當(dāng)冬季環(huán)境溫度在-15℃以下時，熱風(fēng)再循環(huán)開啟后的送風(fēng)機(jī)入口溫度接近0℃，此時鍋爐的排煙溫度約為120℃左右，空氣預(yù)熱器冷端綜合溫度只有接近60℃。在這樣的冷端綜合溫度下，空氣預(yù)熱器很容易出現(xiàn)低溫腐蝕現(xiàn)象。同時，硫酸氫氨的沉積位置也會相應(yīng)的向空氣預(yù)熱器的上部空間移動，造成空氣預(yù)熱器堵塞問題，阻力增加[3]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的情況，空氣預(yù)熱器一般是冬季工況下阻力開始升高，到夏季工況時，雖然冷端綜合溫度有所提高，但已經(jīng)堵塞的區(qū)域并不能自動疏通，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器阻力較高，影響了鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，也會導(dǎo)致鍋爐效率的下降?，F(xiàn)場的空氣預(yù)熱器阻力特性也顯示，空氣預(yù)熱器入口的壓力約-800Pa左右，出口的壓力約為-1800Pa，空氣預(yù)熱器總阻力約1000Pa。這一運(yùn)行結(jié)果與理論分析的結(jié)果是一致的，因此，目前鍋爐空氣預(yù)熱器堵塞問題的主要原因是空氣預(yù)熱器冬季工況下的冷端綜合溫度較低造成的。

1.2 暖風(fēng)器改造技術(shù)方案

為了有效的改善空氣預(yù)熱器在冬季工況下的運(yùn)行現(xiàn)狀，可根據(jù)目前的實(shí)際情況在送風(fēng)機(jī)出口至空氣預(yù)熱器入口之間的管道上增設(shè)暖風(fēng)器系統(tǒng)，暖風(fēng)器系統(tǒng)應(yīng)保證冬季寒冷工況下空氣預(yù)熱器入口的冷風(fēng)溫度不低于15℃，提升空氣預(yù)熱器冷端綜合溫度不低于75℃。

暖風(fēng)器系統(tǒng)采用汽暖方式，汽源選取輔汽（1.0MPa，230℃），按冷風(fēng)溫度提升30℃計算，疏水溫度按30℃，疏水進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，需要消耗輔汽約1.93t/h，輔汽熱量和工質(zhì)均在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，以回?zé)岬男问嚼媚芰?。暖風(fēng)器設(shè)備可采用螺旋翅片管換熱器，遇到夏季工況的柳絮堵塞時可考慮H型翅片管換熱器。暖風(fēng)器可設(shè)計成旋轉(zhuǎn)式的，夏季非運(yùn)行工況下可將暖風(fēng)器旋轉(zhuǎn)至非工作狀態(tài)，以降低煙風(fēng)系統(tǒng)的阻力。

暖風(fēng)器系統(tǒng)是非常成熟的冷風(fēng)加熱技術(shù)，改造難度小，改造后可以有效的提升空氣預(yù)熱器進(jìn)口冷風(fēng)溫度，降低空氣預(yù)熱器的運(yùn)行阻力。

2 磨煤機(jī)綜合升級改造

2.1 磨煤機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

鍋爐制粉系統(tǒng)為中速磨熱一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式，磨煤機(jī)臺數(shù)4臺（3用1備），磨煤機(jī)型號為MPS130G，配靜態(tài)分離器，液壓加載運(yùn)行方式。

磨煤機(jī)已運(yùn)行多年，試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)磨煤機(jī)出口靜態(tài)分離器的開度為5格，試驗(yàn)期間在4格與5格間煤粉細(xì)度變化較小，說明靜態(tài)分離器的調(diào)節(jié)特性不靈敏。

磨煤機(jī)運(yùn)行期間加載力基本是定加載運(yùn)行，加載力維持在較低水平，當(dāng)將磨煤機(jī)加載力升高到合適的加載力時可以穩(wěn)定運(yùn)行，但當(dāng)磨煤機(jī)出力降低，需要同步調(diào)節(jié)加載力時卻無法通過油泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加載力的降低，此時，就可能導(dǎo)致磨煤機(jī)加載力過大而出現(xiàn)磨煤機(jī)振動問題。

上述兩個問題是目前磨煤機(jī)存在的主要技術(shù)問題。針對上述問題，可對磨煤機(jī)進(jìn)行綜合升級改造。

2.2 磨煤機(jī)綜合升級改造方案

（1）動態(tài)分離器改造

動態(tài)分離器是一種主要依靠轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力進(jìn)行煤粉分離的裝置，其具有調(diào)節(jié)方便、分離均勻等特點(diǎn)[4]。與采用擋板式粗粉分離器的靜態(tài)分離器相比，靜態(tài)擋板調(diào)節(jié)相對比較困難，除非煤質(zhì)發(fā)生大的變化，否則不會經(jīng)常調(diào)整擋板開度，此外，擋板調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行時間較長后會出現(xiàn)卡澀等問題，影響調(diào)節(jié)的靈活性。

動態(tài)分離器的主要部件為裝有多個葉片的轉(zhuǎn)子，電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。從磨煤機(jī)來的風(fēng)粉混合物經(jīng)過轉(zhuǎn)子區(qū)域時，在轉(zhuǎn)子的帶動下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，較粗的煤粉在離心力和葉片撞擊的作用下被分離出來，其余合格的煤粉隨氣流帶出。磨煤機(jī)出口的煤粉細(xì)度通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度實(shí)時調(diào)節(jié)，具有調(diào)節(jié)方便、靈活、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，且分離器出口的煤粉細(xì)度更為均勻。動態(tài)分離器布置示意圖如圖1和圖2所示。

圖2 動態(tài)分離器結(jié)構(gòu)

磨煤機(jī)動態(tài)分離器改造需將現(xiàn)有的靜態(tài)分離器拆除，在磨煤機(jī)出口增設(shè)新的動態(tài)分離器，分離器上部安裝驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)為變頻控制，同步增設(shè)變頻器，電機(jī)及變頻器的控制引入原DCS控制系統(tǒng)中。

（2）磨煤機(jī)變加載運(yùn)行改造

通常，磨煤機(jī)加載力會按照給定的加載力曲線自動控制，本項(xiàng)目根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對推薦的加載力曲線進(jìn)行了修正，從而在實(shí)際煤質(zhì)特性下給出了合理的加載力曲線特性[5]。后續(xù)，應(yīng)對現(xiàn)有的磨煤機(jī)油站系統(tǒng)進(jìn)行改造，將油站油泵的出力控制方式改造為4～20mA的變出力特性，其中4mA電流對應(yīng)磨煤機(jī)最低的加載力時的油泵油壓，20mA理論上對應(yīng)最高的加載力油壓，因本項(xiàng)目實(shí)際的加載力不需要那么高，因此，可將20mA電流對應(yīng)的油壓設(shè)置在較為合理的加載力值，從而實(shí)現(xiàn)油泵功率與加載力的線性控制關(guān)系。

此外，在控制系統(tǒng)中也應(yīng)增加油泵功率與磨煤機(jī)出力的自動控制函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)出力改變時，加載力油壓自動跟蹤的控制邏輯。

磨煤機(jī)動態(tài)分離器改造和加載力自動均是成熟的技術(shù)方案，均不存在改造的難度，可較為容易的實(shí)現(xiàn)。

3 鍋爐燃燒器改造

3.1 鍋爐燃燒系統(tǒng)現(xiàn)狀

1號、2號、3號鍋爐均已進(jìn)行過低氮燃燒器改造，4號鍋爐尚未進(jìn)行改造。目前，四臺鍋爐均存在一定程度的結(jié)焦情況，結(jié)焦位置均集中在燃燒器區(qū)域附近，上層燃燒器區(qū)域的結(jié)焦情況較下層燃燒器更嚴(yán)重，其主要原因是上層燃燒器區(qū)域的爐膛溫度更高[6]?，F(xiàn)場也觀察了5號、6號鍋爐的結(jié)焦情況，也存在一定程度的結(jié)焦，只是相對于1～4號鍋爐要輕一些?？傮w而言，鍋爐燃燒器區(qū)域結(jié)焦是6臺鍋爐的共性問題。

鍋爐結(jié)焦首先會影響鍋爐正常的吸熱和燃燒，從目前結(jié)焦的情況看，焦塊阻礙了二次風(fēng)氣流對于流場的有效組織能力，同時，改變了二次風(fēng)與煤粉顆粒的混合時間，改變了爐膛內(nèi)整體的燃燒狀態(tài)。鍋爐正常運(yùn)行工況為了緩解結(jié)焦的影響，在上煤過程中添加除焦劑，增加了運(yùn)行的總成本。

因此，緩解鍋爐燃燒系統(tǒng)結(jié)焦對于鍋爐的高效運(yùn)行及降低運(yùn)行成本是非常有必要的。

3.2 鍋爐燃燒器改造

鍋爐燃燒器對燃燒整體的影響是一個非常復(fù)雜的過程，通過調(diào)整試驗(yàn)期間對鍋爐整體運(yùn)行特性的了解，可從以下幾個方面進(jìn)行深入分析，尋找解決問題的關(guān)鍵：

（1）燃料特性的分析

鍋爐實(shí)際燃用煤質(zhì)屬于高熱值、高揮發(fā)分、低灰分的優(yōu)質(zhì)煙煤，燃料著火和燃盡特性均較好。因此，在燃料適應(yīng)性方面應(yīng)適當(dāng)延長煤粉顆粒的著火距離，控制燃燒器出口區(qū)域的溫度水平[7]。從目前鍋爐的結(jié)焦情況可知，上層燃燒器出口區(qū)域的溫度水平較高，對應(yīng)的結(jié)焦較為嚴(yán)重，最下層燃燒器噴口區(qū)域的溫度水平較低，結(jié)焦情況較輕。因此，燃燒器出口區(qū)域的溫度在目前的實(shí)際煤質(zhì)情況下是對結(jié)焦有促進(jìn)作用的，應(yīng)予以反向消減。

（2）燃燒器結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)實(shí)際的燃料特性可知，鍋爐實(shí)際燃用煤質(zhì)特性較好，因此，燃燒器目前設(shè)計的水平濃度分離助燃措施會強(qiáng)化燃燒器出口區(qū)域的著火速度，在一定程度上提高燃燒器出口的溫度。從目前情況來看，下層燃燒器出口的溫度較低，可以沿用濃淡分離技術(shù)措施，上層燃燒器出口區(qū)域溫度水平較高，可以考慮取消或部分削弱濃淡分離效果，降低上層燃燒器出口區(qū)域的溫度水平。

（3）燃燒器角度設(shè)計

從鍋爐實(shí)際燃燒效果來看，燃燒器噴口區(qū)域的火焰波動情況較為明顯，高溫火焰會向一、二風(fēng)之間的區(qū)域壓迫，使得該區(qū)域有高溫燃燒的焦炭顆?；亓骰貋?，從而在燃燒器區(qū)域的澆注料上沉積，日久造成結(jié)焦情況的加劇。根據(jù)早期的鍋爐冷態(tài)空氣動力場試驗(yàn)結(jié)果可知，鍋爐設(shè)計的切圓結(jié)構(gòu)尚可，可將鍋爐爐膛的假想切圓控制在爐膛中心區(qū)域，但實(shí)際的火焰情況可能存在一定的變化，因此，有必要對目前狀態(tài)下的鍋爐冷態(tài)空氣動力場特性重新進(jìn)行試驗(yàn)測試，全面評估鍋爐爐膛空氣動力場特性。

首先，建議針對某臺鍋爐進(jìn)行冷態(tài)空氣動力場試驗(yàn)，得到在目前實(shí)際燃燒情況下鍋爐爐膛內(nèi)部的各氣流的配合特性、實(shí)際切圓特性等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其次，對目前的實(shí)際燃料特性進(jìn)行綜合評估，對其著火特性、燃盡特性、結(jié)渣特性等進(jìn)行全面評估，結(jié)合鍋爐實(shí)際結(jié)焦特性，對鍋爐爐膛局部區(qū)域的燃燒特性進(jìn)行理論重構(gòu)；再次，利用數(shù)值計算的方法對鍋爐爐膛內(nèi)部的燃燒情況進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)際運(yùn)行的情況相互對照，待獲得了較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果后將模擬的基本參數(shù)固化，并逐步進(jìn)行適配型燃燒器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計；最終，根據(jù)各項(xiàng)研究的結(jié)果，最終確定合理的燃燒器結(jié)構(gòu)型式，并予以實(shí)施。

4 鍋爐自動化控制程度提升

鍋爐目前的各項(xiàng)參數(shù)控制基本依靠運(yùn)行人員手動控制，得益于鍋爐運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定，現(xiàn)階段的控制方式仍可滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。但對比電站鍋爐的自動化控制程度，仍有許多方面需要優(yōu)化。如：制粉系統(tǒng)出力與加載力、風(fēng)門開度自動控制，鍋爐出力與燃料量、蒸汽量、汽包壓力等之間的自動控制，鍋爐蒸汽溫度與減溫水自動控制，鍋爐運(yùn)行氧量與風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度自動控制等。

上述自動控制的基本理論是非常成熟的，但由于本項(xiàng)目鍋爐的使用場景，仍需對相應(yīng)的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其與鍋爐實(shí)際的運(yùn)行需求更加匹配。鑒于此，建議委托有電站鍋爐自動控制經(jīng)驗(yàn)的單位對現(xiàn)有控制系統(tǒng)進(jìn)行全面升級，提升機(jī)組整體的協(xié)調(diào)控制水平。

5 結(jié)束語

熱動力站鍋爐是YNH公司的動力心臟，每年需消耗150萬噸燃料煤，其熱效率的提升對于碳減排具有非常重要的意義。本項(xiàng)目針對鍋爐燃燒調(diào)整試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的各種問題，推薦鍋爐在后續(xù)進(jìn)行一定的改造工作，進(jìn)一步改善鍋爐系統(tǒng)整體的運(yùn)行效果，主要包括：增設(shè)暖風(fēng)器改造、磨煤機(jī)綜合升級改造、鍋爐燃燒器改造技術(shù)攻關(guān)、鍋爐自動化控制程度提升改造工作。通過改造實(shí)現(xiàn)了鍋爐效率的有效提升，對熱動力車間整體設(shè)備狀態(tài)的提升有著重要的意義。