提升1 000 MW机组磨煤机进出口温度的措施研究

吕洪坤，常毅君，裘立春，吴俊波，张 明

（1.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.华能玉环电厂，浙江 玉环 317604）

0 引言

目前，国内燃煤电厂普遍存在煤种不稳定、煤质变化较大等现象，因而无法根据某一煤质制定统一的中速磨煤机进、出口气流温度限值。另外，许多电厂对中速磨煤机进、出口气流温度的限值均源于以往的老旧资料，受限于旧时的研究条件，气流温度限值普遍较为保守。从目前许多机组的实际运行情况来看，均存在通过提升中速磨煤机进、出口气流温度，从而降低排烟温度、提高锅炉效率的可行性。张肃[1]认为可以通过控制燃煤热解开始温度和堆积煤粉起燃温度这2个主要参数来达到制粉系统防爆目的，且磨煤机内燃煤热解析出的可燃性气体存在回火爆燃的风险。文献[2]认为应以燃煤的红外CO（一氧化碳）析出温度作为磨煤机进口风温的控制值。这些文献对进口风温的控制要求仍显保守，且缺乏析出气体为何容易造成危险的理论依据。

本文针对某1 000 MW机组锅炉，在分析磨煤机内气流温度的变化情况、研究常用燃煤的热重着火温度、红外CO析出问题之后，对应所研究煤种全面提升磨煤机进、出口气流温度，并进行相关的试验分析，从实践中得出了提升磨煤机进、出口气流温度所创造的经济效益。在实际测试中，燃料供给采用分仓配煤方式，针对印尼煤种的试验则首次突破了相关规程中对磨煤机出口气流温度的要求。

1 锅炉概况

某电厂1 000 MW超超临界变压运行直流锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造、三菱重工业株式会社提供技术支持。锅炉采用Π型布置、单炉膛、平衡通风、露天布置、固态排渣、全悬吊结构、反向双切圆燃烧方式。

该锅炉采用冷一次风机正压直吹式制粉，系统布置6台上海重型机械厂生产、带动态分离器的HP1163/Dyn型中速磨煤机，6台给煤机、6只原煤斗。在燃用设计煤种时，投用5台磨煤机就可满足锅炉最大连续蒸发量下的燃煤要求。锅炉设计与校核煤种分别为神府东胜煤与晋北煤，本文研究中采用煤种主要为目前电厂常用的印尼煤、优混煤，煤质分析结果如表1所示。

目前，电厂要求燃用印尼煤时磨煤机出口气流温度控制在65℃，燃用优混煤时磨煤机出口气流温度则控制在75℃。根据文献[3-5]中的相关规定，中速磨煤机直吹式制粉系统分离器后的温度可以根据燃煤的干燥无灰基挥发分来制定。据此，磨制印尼4煤及印尼112煤时的磨煤机出口气流温度应控制在小于70℃，而磨制优混2时的磨煤机出口气流温度则应控制约74±5℃。

表1 设计、校核及试验煤种煤质 %

2 提升磨煤机进、出口气流温度的基础研究

通常，磨煤机内温度最高的介质为进入磨煤机的热风，其与原煤直接接触时存在原煤热解、着火的可能性。磨煤机出口的气流温度一般远低于入口热风温度，适当提升其温度值，在没有管道积煤的情况下一般不会发生爆燃。在磨制水分较高的煤种时，若磨煤机出口气流温度控制较低，反而容易引起煤粉管道中煤粉结露堆积，久而久之引起煤粉自燃，形成粉煤管道中的明火，进而可能造成煤粉管道中的煤粉颗粒爆燃（通常的煤粉浓度处于其爆炸范围内，且煤粉粒度较细[1]）。因此，适当提升磨煤机进、出口气流温度不仅能提高机组的经济效益，还能改善机组制粉系统的结露爆燃情况。当然，中速磨煤机石子煤室中长期充满着高温热风，若其中有石子煤或原煤沉积，即使在较低的热风温度条件下，沉积的石子煤或原煤仍存在着自燃的风险。

因此，当提升磨煤机进、出口温度时，安全控制的关键在于进口风温是否过高，而非出口风温，重点需要研究磨煤机入口热风与原煤接触部位在什么条件下处于安全状态。

2.1 可燃性气体析出与爆燃问题

燃煤在加热的过程中，可能会首先释放出CO，H2，CH4之类的可燃性气体，存在一定的着火或爆燃风险。CO主要由煤中的羰基、酚类、醚键、杂环氧以及少量短链脂肪酸的断裂产生，H2主要来自于缓慢生成阶段自由基之间的相互缩聚以及高温快速生成阶段芳香结构的氢化和芳香结构的缩聚脱氢反应，而CH4则主要由脂肪烃通过自由基裂解机理或芳环上的烷基侧链断裂生成[6]。文献[6，7]的研究表明，对于上述可燃性气体，煤在热解过程中首先析出的为CO（约200℃），其次为 CH4（约 300℃），再次为 H2（约 400～600℃）。通常发电厂的热风温度不超过350℃，因此在磨煤机内燃煤的轻微热解过程中一般不会产生H2。

文献[8]指出，CO气体在常温下的爆燃极限约为体积浓度的12.5%～74%，引燃温度为609℃；CH4气体在常温下的爆燃极限约为体积浓度的5%～15%，引燃温度为540℃。假设1 000 MW机组通常运行时单台磨煤机的出力为60 t/h，通风量为130 t/h，要使CO气体浓度达到12.5%，CO的析出质量需要占煤量的约26%；而要使CH4气体浓度达到5%，则CH4的析出质量需要占煤量的约6%。显然，燃煤在磨煤机内经历短暂的轻度热分解后，从数量级上或常理上均不可能达到上述量值[9]。另外，磨煤机出口的煤粉气流温度即使达到200℃，上述可燃性气体的爆燃体积浓度范围扩大量值亦较小[10]。因此，磨煤机及出口管道内一般不会发生CO，CH4等气体的爆燃，燃烧器喷口亦不会发生CO，CH4等气体的回火问题。此外，CO与CH4的引燃温度均远远高于一般锅炉的热风温度，磨煤机内一般亦不会发生此类气体的直接引燃着火。总而言之，磨煤机及煤粉管道内的CO和CH4气体浓度不在其可燃范围内，且通常情况下的运行温度范围亦远低于其引燃温度，故而通常不存在气体爆燃的风险。

2.2 磨煤机内温度分布

图1为该1 000 MW机组所配HP型中速磨煤机风环附近外壁面的红外热成像图。如图所示，磨煤机外壁面的温度在风环位置处达到最高（＞130℃），沿着风环位置垂直向上，外壁面的温度急剧下降。这说明，在磨煤机内部，一次热风从风环进入磨煤机研磨区域后受到了原煤的快速冷却，其温度在较短的时间内降低为接近磨煤机出口的气流温度。原煤或煤粉与高温一次热风的接触时间极为有限，在研磨区域一般不会将原煤或煤粉加热至接近于一次热风的温度。因此，燃煤在磨煤机内的热解程度极其有限，可燃性气体的析出量亦应极其少量。

2.3 试验煤种热重-红外研究

图1 磨煤机风环附近壁面温度分布

分别采用TGA/SDTA 851型热重仪以及NICOLET NEXUS 670型傅立叶变换红外光谱仪对试验煤样进行了热重-红外实验分析。实验时以15℃/min的升温速率将样品由30℃加热到1 000℃。反应气氛为空气，流量为50 mL/min；保护气为氮气，流量为40 mL/min。采用150 μL的A12O3坩埚装样，样品用量约为10 mg（经过空气干燥，细度为100～200目）。

表2列出了现场试验涉及煤种的热重-红外实验结果。其中：热重着火温度由切线法所得，红外CO析出温度是指红外光谱中开始明显出现CO时的温度。如表2所示，热重着火温度均远高于红外CO析出温度。通常，在温度达到由切线法所得的热重着火温度之前，实验样品质量已经开始明显下降，可能已经析出一定数量的挥发分（包括焦油），若直接以该温度作为磨煤机进口热风的控制温度可能存在一些不确定因素。若以红外CO析出的温度作为磨煤机进口热风的控制温度，则如上文所述显然过于保守。考虑到需同时兼顾安全性与经济性，以热重着火温度与红外CO析出温度的平均值作为磨煤机进口热风的理论控制温度暂时较为妥当。而事实上，磨煤机进口的理论热风温度控制值很可能可以更高。

表2 热重-红外分析结果 ℃

当以热重着火温度与红外CO析出温度的平均值作为磨煤机进口热风的理论控制温度时，已考虑以下安全控制因素：

（1）煤粉气流的着火温度一般高于对应煤粉的热重着火温度[11]。

（2）热重-红外实验所用的是空气干燥后的煤粉，而实际进入磨煤机中的是颗粒较大并存在较多外在水分的原煤，热一次风直接接触原煤后，外在水分的蒸发将使其温度明显降低。

初中数学和小学数学的侧重点是不同的。小学数学侧重是夯实数学的基础。初中数学侧重于培养学生的数学能力，包括计算能力、自学能力、分析问题与解决问题的能力、抽象逻辑思维的能力等。

2.4 制粉系统热力计算

假设试验机组带6台磨煤机满负荷运行时，单台磨煤机的给煤量和通风量分别约为60 t/h和130 t/h（环境温度20℃，相对湿度30%），参考文献[12]对该机组的制粉系统进行了热力计算，结果如表3所示，其中的进口理论风温为2.3节中所述对应煤种磨煤机进口热风的理论控制温度。

表3 磨煤机进出口理论温度 ℃

按照表3中的计算条件与结果，磨制印尼4煤种、印尼112煤种以及优混2煤种时，磨煤机出口气流温度可分别达到100℃，83℃和120℃，已经远远超过上文所述原有文献的规定数值。

3 现场试验结果

由于该厂长期燃用大量印尼煤，而印尼煤水分较高、热值较低，机组满负荷运行时经常以6台磨煤机的方式运行。基于此，为了适应机组的运行习惯，试验中亦保持满负荷用6台磨煤机的运行方式。

为能够合理比较提升磨煤机进、出口气流温度前后的锅炉主要经济指标变化，在2个类似气象条件的连续日子进行了基础工况（T-base）与提升进、出口温度工况（T-improve）的试验。2个工况均大致在同一时间段开展，试验前均完成一次锅炉常规吹灰。试验人员在T-improve试验开始前，检查了磨煤机石子煤室的石子煤刮板，确保残余石子煤能够顺利排出。试验开始后，通过磨煤机出口气氛测试及石子煤室、煤粉管道表面温度测试等措施保障设备的安全运行。

3.1 磨煤机参数

实际现场试验中，磨制印尼4煤种的为E磨；磨制印尼112煤种的为C磨与F磨；磨制优混2煤种的为A磨、B磨与D磨。表4、表5分别列出了基础工况与提升进、出口温度工况各台磨煤机的主要运行参数。T-improve工况时考虑到确保电网运行安全的因素，磨煤机进、出口气流温度参考表3中的结果进行保守处理。需要指出的是，表4、表5中的数据均为试验工况期间机组SIS（厂级监控信息系统）数据的平均值，其准确性有所欠缺，尤其是通风量与进口温度。出口温度则由于出口气流温度分布已经较为均匀，相对较为准确，因此作为本文进行提升温度比较说明的主要依据。

如表4、5所示，实际现场试验中，磨制印尼4煤种的磨煤机出口气流温度从约66℃提升到了79℃，磨制印尼112煤种的磨煤机出口气流平均温度从约65℃提升到了约76℃，磨制优混2煤种的磨煤机出口气流平均温度从约75℃提升到了约96℃。虽然，为确保安全，现场进行提升进出口温度试验时取值较为保守，但其实际出口温度亦已突破了有关文献规定的限值[3-5]。

表4 T-base工况磨煤机主要运行参数

表5 T-improve工况磨煤机主要运行参数

3.2 排烟温度

表6 排烟温度及X比

3.3 经济效益

若试验工况所产生的灰/渣量值按照9:1分配[13]，则T-base工况与T-improve工况的灰渣综合可燃物含量分别为3.1%和2.9%，变化不甚明显。理论上，进入炉膛内部的煤粉气流温度提升后，其着火热下降、着火提前，将有利于尾部灰渣的燃尽，同时亦可能对锅炉的减温水量等参数产生一定的影响，但其量值可能较小，很难通过试验有效确定其真实数值。本文出于比较的需要，规定仅以排烟温度的变化作为锅炉效率提升的参考，并且略去风机功耗变化的影响。如此，T-improve工况排烟温度相对降低约6.3℃，相当于锅炉效率提升了约0.30%[13，14]，机组发电煤耗下降约0.9 g/kWh。该1 000 MW机组年等效利用小时较高，若按6 000 h计算，则单台机组每年可节约5 400 t标煤。

4 总结

本文分析了中速磨煤机内温度分布、可燃性气体析出及爆燃问题，对典型混煤、印尼煤进行了热重-红外研究。在某1 000 MW机组上成功实施了提升磨煤机进、出口气流温度的试验，结果表明：

（1）产生于磨煤机及煤粉管道内的可燃性气体通常不会发生爆燃或回火。

（2）一次热风进入磨煤机研磨区域后，其温度将在较短时间内降低至接近于磨煤机出口气流的温度。

（3）以热重着火温度与红外CO析出温度的平均值作为磨煤机进口热风的理论控制温度暂时较为妥当。

（4）在分仓配煤的方式下，磨煤机的出口气流温度从75℃提升到96℃（优混煤）、65℃提升到76℃（稍低热值印尼煤）、66℃提升到 79℃（稍高热值印尼煤）时，排烟温度可以下降约6.3℃。

（5）现场试验中磨制优混煤与印尼煤时的出口气流温度虽然都突破了原有规程的限值，但仍过于谨慎，在理论与实践中该值均可以更高，机组排烟温度可以进一步降低。

[1]张肃.根据煤质特性确定磨煤机出口温度的防爆上限[J].电站系统工程，1991（1）:48-55.

[2]李文华，杨建国，崔福兴，等.提高中速磨煤机出口温度对锅炉运行的影响[J].中国电力，2010，43（10）:27-30.

[3]DL/T 5145-2002火力发电厂制粉系统设计计算技术规定[S].北京：中国电力出版社，2002.

[4]赵仲琥.火力发电厂煤粉制备系统设计和计算方法[M].北京：中国电力出版社，1998.

[5]DL/T 466-2004电站磨煤机及制粉系统选型导则[S].北京：中国电力出版社，2004.

[6]崔银萍，秦玲丽，杜娟，等.煤热解产物的组成及其影响因素分析[J].煤化工，2007，35（2）:10-15.

[7]赵丽红，郭慧卿，马青兰.煤热解过程中气态产物分布的研究[J].煤炭转化，2007，30（1）:5-9.

[8]SH3063-1999石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].北京：国家石油和化学工业局，1999.

[9]吕洪坤，杨卫娟，周俊虎，等.再燃煤粉轻质挥发分动态析出特性实验研究[J].中国电机工程学报，2009，29（5）:78-85.

[10]王淑梅，梅林.可燃性气体爆炸极限与温度、压力的关系[J].兵工安全技术，1998（2）:24-25.

[11]哈尔滨普华煤燃烧技术开发中心.大型煤粉锅炉燃烧设备性能设计方法[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社;2002.

[12]贾鸿祥.制粉系统设计与运行[M].北京：水利电力出版社，1995.

[13]GB/T 10184-1988电站锅炉性能试验规程[S].北京：机械工业出版社，1988.

[14]The American Society of Mechanical Engineers.Fired Steam Generators Performance Test Codes.ASME PTC 4-2008，2008.

[15]The American Society of Mechanical Engineers.Air Heaters.ASME PTC 4.3-1968；Reaffirmed 1979.