仓储式制粉系统四角切圆燃烧锅炉混煤掺烧方式探索

段学农,朱光明,宾谊沅,雷 霖,焦庆丰

(湖南省电力公司试验研究院,湖南长沙 410007)

随着国内火电厂建设规模的持续增加,发电燃煤需求增长迅猛,而我国煤炭资源分布极不均衡,“北多南少、西富东贫”,煤炭的生产和供应基本在中、西部地区,煤炭消费则主要在东部地区。国内多数地区,尤其是东部和中部地区,煤炭资源本身储量少、开采程度高,造成煤炭资源逐渐枯竭,煤炭产量有下降趋势。随着经济的高速发展,电力需求大幅增加,本地煤炭供应已不能满足电厂正常生产要求,由于交通运输能力的限制,电煤供应形势日益紧张,目前越来越多的电厂在生产运行时很难燃用设计煤种,在现有燃煤条件下,为最大限度地保证锅炉燃烧的稳定性、经济性、安全性以及环保要求,混煤掺烧已成为火电厂的必然选择。

湖南省电力公司试验研究院在总结传统混煤掺烧方式 “炉前掺配、炉内混烧”优缺点的基础上,提出并实施了 “分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”、“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”等混煤掺烧新方式,成功地解决了传统方式燃烧效率低、燃烧安全性差、掺配煤劳动强度大、输配煤电耗高等难题。

仓储式制粉系统四角切圆锅炉是燃煤锅炉中比较典型的炉型,其混煤掺烧方式的选取与掺混煤种的特性、粉仓与燃烧器连接方式、粉仓之间的联络方式等密切相关。文中重点阐述了仓储式制粉系统四角切圆燃烧锅炉粉仓与一次风火嘴的对应关系、粉仓间的输粉方式对混煤掺烧方式的选取的影响,并在电站锅炉上得到应用。

1 混煤掺烧方式选取的基本原则

1.1 传统混煤掺烧方式的不足

传统的混煤掺烧方式,即 “炉前掺配、炉内混烧”,是指燃料在进入原煤斗之前,通过各种手段按一定的比例混合,混配均匀的原煤在磨煤机中一同被磨制成粉,再送入炉内燃烧。从混煤掺烧理论上看这种方式充分利用了 “混煤的着火特性接近于易着火煤”的优点,有利于煤粉的着火和燃烧的稳定,但无法避免混煤的 “抢风”现象、可磨特性趋向于难磨煤种、燃尽特性接近于难燃尽煤种等不利因素。从实际应用上看存在以下问题:

1.1.1 现有的炉前掺混手段都很难保证煤质掺配的均匀性,掺配煤的管理难度也很大,劳动强度大,输配煤设备运行时间长,厂用电增加。

1.1.2 如果混煤不均匀,煤质波动较大,会产生一系列的燃烧问题,如发生锅炉局部甚至全炉膛灭火、锅炉结焦垮焦、带不起负荷。在极端情况下,如掺入优质烟煤比例太大、制粉系统参数控制不当,甚至会发生制粉系统爆炸、一次风管烧损等事故。

1.1.3 对于煤质特性差异较大的煤,特别是可磨性差异较大的煤,易磨的煤会 “过磨”,成粉样中细粉比例大;而难磨的煤 “欠磨”,成粉样中粗颗粒比例大,煤粉细度和均匀度均难以保证,从而导致飞灰含碳量、炉渣含碳量较高。

1.1.4 由于烟煤着火较迅速,将煤粉气流周围氧气迅速燃烧,就算难着火煤种达到或超过了着火温度,如果补氧不及时,也无法迅速着火,造成燃烧推迟,因此燃烧不完全。

1.2 新型混煤掺烧方式

为克服 “炉前掺配、炉内混烧”的上述不足,湖南省电力公司试验研究院创造性地提出了 “分磨磨制”的方法,并根据粉仓之间的联络方式,提出并实施了 “分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”,“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”等混煤掺烧新方法。

1.2.1 分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧

磨煤机磨制各自选定的煤种,再输入各自的粉仓,煤粉由不同的粉仓接到不同的燃烧器喷口,即不同的燃烧器所燃用的煤种不同,煤粉的混合在炉内完成。这种混合方式可根据锅炉的不同温度区域送入合适的煤种,以改善锅炉的燃烧环境,例如:将易着火煤种送入下层燃烧器,以提高燃烧稳定性;将不易结渣的煤送入易结渣区域的燃烧器(燃烧器的中间 2层),以减小炉膛结渣问题发生的可能。

1.2.2 分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧

磨煤机磨制各自选定的煤种,不同的煤粉输入同一个煤粉仓,即煤粉的混合在煤粉仓内完成,各燃烧器燃用的是同样的混煤。这种混合方式保留了混煤着火特性接近于易着火煤种的优点,同时由于分磨制粉可保证磨细难燃尽煤种,克服了可磨特性趋向于难磨煤种、混煤燃尽特性接近于难燃尽煤种的缺点。

1.3 混煤掺烧方式选取的基本原则

理论研究和实验研究表明,混煤的着火特性接近于易着火煤种,可磨特性趋向于难磨煤种,燃尽特性接近于难燃尽煤种。在混掺烧方式的选取上必须充分利用着火特性接近于易着火煤种这一特性,以避免可磨特性趋向于难磨煤种,燃尽特性接近于难燃尽煤种的问题。

混煤掺烧实际应用中必须注意以下 4点:

(1)保证入炉煤质的相对稳定,避免煤质大幅度波动,提高锅炉燃烧稳定性。

(2)保证难着火、难燃尽煤种煤粉细度,提高燃烧经济性。

(3)考虑不同煤种燃烧器的均匀投入,以保证对难着火煤种的火焰支持,确保难着火煤种的着火、燃尽。

(4)要综合考虑掺混煤种的着火、燃尽特性,合理进行二次风的分配,保证各煤种氧量的及时补充,确保燃烧效率。

2 中储式制粉系统锅炉粉仓与燃烧器连接的几种典型布置方式

2.1 粉仓与燃烧器同边连接

以湖南大唐某发电有限公司 1,2号锅炉、湖南华电某发电有限公司 3,4号锅炉为例,300 MW机组中储式制粉系统、四角切圆锅炉,配 4套制粉系统,A,B制粉系统和 C,D制粉系统分别对应1,2号 2个粉仓,1号粉仓通过一次风管与 1,2号角燃烧器 (炉左)相接,2号粉仓通过一次风管与 3,4号燃烧器 (炉右)相接。这种连接方式管道布置简单,一次风速调平容易,但对混煤掺烧方式的适应性较弱。

2.2 粉仓与燃烧器对角连接

以某厂 300 MW机组仓储式制粉系统、四角切圆锅炉为例,4套制粉系统,A,B制粉系统和 C,D制粉系统分别对应 1,2号 2个粉仓,1号粉仓对应 2,4号角燃烧器 (对角),2号粉仓对应 1,3号角燃烧器 (对角)。这种管道连接方式简单,同层一次风管长短偏差小,一次风速调平简单,对混煤掺烧方式的适应性较好。

2.3 粉仓与燃烧器分层连接

湖南华润某发电有限公司 300MW机组 1,2号锅炉,仓储式制粉系统、四角切圆锅炉,配 4套制粉系统,A,B制粉系统和 C,D制粉系统分别对应 1,2号 2个粉仓,1号粉仓对应 A,B层燃烧器和 C1,C3燃烧器,2号粉仓对应D,E层燃烧器和 C2,C4燃烧器。

湖南大唐某发电有限公司 300MW机组 1,2号锅炉,湖南经投某发电有限公司 300 MW机组 1,2号锅炉,其粉仓与燃烧器的分层相接方式则是 1号粉仓对应 A,C层火嘴和 E2,E4燃烧器,2号粉仓对应 B,D层和 E1,E3燃烧器。

这种管道布置方式复杂,一次风速调平工作量大,一次风管阻力损失也较大,但对混煤掺烧方式的适应性较强,几乎可适用于各种混煤掺烧方式。

3 仓储式制粉系统粉仓与粉仓的联络方式

为保证 2个粉仓粉位的匹配,同炉 2个粉仓之间、甚至与邻炉粉仓之间一般设置有相互输粉的设备或装置,主要有以下 2种。

3.1 输粉机

最典型、最常见的粉仓与粉仓联络方式是输粉机。输粉机灵活、方便,但可靠性不高,维修也不方便,利用率不高。输粉机无法实现两粉仓间煤粉的同步掺混。

3.2 输粉裤叉管

输粉裤叉管是一种方便简单、可靠性高的新装置。湖南大唐某发电有限公司 1,2号锅炉、湖南华电某发电有限公司 3,4号锅炉,选取离 2个粉仓相近的 B,C制粉系统,将细粉分离器粉筛下的原单根落粉管设计为裤叉管并装设调节档板,使B,C制粉系统可单独或同时向 1,2号粉仓输粉,见示意图 1。输粉裤叉管装置能较好地实现不同制粉系统所制煤粉的仓内掺混,并保证混合基本均匀。此外,通过调节挡板位置,还可实现粉位调节,避免频繁启停磨煤机。

图 1 细粉分离器输粉裤叉管示意图

4 仓储式制粉系统、四角切圆燃烧锅炉混煤掺烧方式的选择

4.1 粉仓与燃烧器同边连接时混煤掺烧方式的选取

在粉仓与燃烧器同边连接系统中,没有实现仓内掺混手段时,只能选取 “炉前掺混、炉内混烧”,不能选用 “分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”,否则,将会出现锅炉半边炉烧好煤,另半边炉烧差煤的情况,产生燃烧稳定性变差、汽温、烟温左右偏差大、飞灰含碳量分布不均匀且整体高等一系列问题。

如果有实现仓内掺混的输粉裤叉装置,最佳的混煤掺烧方式是 “分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”,华电某发电有限公司 3,4号锅炉采用该混煤掺烧方法,取得了良好的效果;如果掺混煤种差异不大亦可采用 “炉前掺混,炉内混烧”,大唐某发电有限公司 1,2号锅炉就采用这种混煤掺烧方式。

4.2 粉仓与燃烧器对角连接时混煤掺烧方式的选取

在粉仓与燃烧器对角连接系统中,如果掺混原煤可磨性差异不大、又能保证掺混基本均匀,可优先采用 “炉前掺混,炉内混烧”。

如果原煤可磨性差异大、又装有输粉库叉装置,建议采用 “分磨制粉,仓内掺混,炉内混烧”。

如果混煤可磨性差异大、又没有输粉裤叉装置时,建议采用 “分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”,此时,一个对角烧好煤,另一个对角烧差煤,2个对角可根据各自煤种的燃烧特性采用不同的煤粉细度和配风方式,烧好煤的火焰对烧差煤的一次风射流起火焰支持作用,依然能保证燃烧的稳定。

4.3 粉仓与燃烧器分层连接时混煤掺烧方式的选取

在粉仓与燃烧器分层连接系统中,如果混煤的可磨性差异不大、又能保证掺混基本均匀,可优先采用 “炉前掺混、炉内混烧”,如大唐湖南某发电有限公司 1,2号锅炉就长期使用该混煤掺烧方式。

如果混煤的可磨性差异大、又装设有输粉裤叉装置,建议采用 “分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”。如华电湖南某发电有限公司 3,4号锅炉就采用该混煤掺烧方式成功地掺烧了晋城无烟煤,使飞灰含碳量由 “炉前掺混,炉内混烧”的 20%降到了 10%以下。

如果混煤的可磨性差异大、又没有装输粉裤叉装置,建议采用 “分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”,此时,某 2层半火嘴烧好煤、另外 2层半火嘴烧差煤,可根据各自煤种的燃烧特性采用不同的煤粉细度和配风方式,上下层之间的火焰支持力度也很大,锅炉燃烧较稳定。湖南华润某发电有限公司 1,2号锅炉、湖南经投某发电有限公司 1,2号锅炉就长期采用 “分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”的方式。

5 结 论

5.1 仓储式制粉系统锅炉混煤掺烧方法各种各样,应根据掺混煤种的可磨性、着火特性、燃尽特性,以及煤种掺混设备、粉仓与燃烧器的连接方式等综合考虑,选取合适的混煤掺烧方法。

5.2 新建火电厂采用仓储式制粉系统锅炉设计时,应充分考虑混煤掺烧需要,建议粉仓与燃烧器的连接方式以分层连接或对角连接为宜,非特殊情况不采用同边连接方式。

5.3 鉴于“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”混煤掺烧方法的优势,建议新建火电厂设计选型时或有条件进行制粉系统设备改造的在役火电厂,在细粉分离器下增设输粉裤叉管,以获得仓内掺混手段,提高煤粉掺混质量,保证锅炉燃烧稳定性和发电机组的安全经济运行水平。

〔1〕段学农,朱光明,焦庆丰,等.电站锅炉混煤掺烧技术研究与实践 〔J〕.中国电力,2008,41(6),51-54.

〔2〕湘电技中 〔2007〕18号,湖南省电力系统技术中心:湖南省电站锅炉混煤掺烧指导性意见.

〔3〕侯栋岐,冯金梅,陈春元,等.混煤煤粉着火和燃尽特性的试验研究 〔J〕.电站系统工程,1995,11(2),30-34.

〔4〕钟德惠,丘纪华.可磨性对混煤燃烧特性的影响 〔J〕.电站系统工程,2003,19(2),13-14.

〔5〕高正阳,方立军,周健,等.混煤燃烧特性的热重试验研究〔J〕.动力工程,2002,22(3),1 764-1768.