【摘 要】本文简要介绍了褐煤的燃烧特性,结合某一600MW燃烧褐煤锅炉的调试、运行情况,分析了褐煤燃烧对锅炉设计的一些特殊要求,最后介绍了褐煤燃烧锅炉在调试、运行过程中需要特别注意的一些特性,为后续褐煤燃烧锅炉的设计、安装、调试及运行提供参考。
【关键词】褐煤特性;褐煤锅炉设计;调试;运行分析
我国有丰富的褐煤矿藏资源,目前已探明的褐煤储量达一千多亿吨,占全国煤炭总储量的13%左右。由于储量巨大,褐煤将为我国火电厂提供强大的燃料动力,具有广阔的前景。褐煤是一种形成年代较短、性能弹性变化很大的劣等燃煤,具有高水分、高挥发分、高灰分和低灰熔点、低发热量的特点,由于褐煤这种“三高两低”的独特性质,以褐煤为主要燃料的电厂对燃烧锅炉各设计参数及安全高效的运行机制有许多特殊的要求。燃烧锅炉的炉膛结构、制粉系统、合理的燃烧设备等很多因素都影响着褐煤电厂的正常运行。本文结合褐煤的特点,从炉膛设计、制粉系统、燃烧设备等方面对褐煤燃烧锅炉的特点进行了研究。
1.褐煤的特殊理化性质
褐煤的高挥发分使其具有良好的着火及稳定燃烧性能,是很好的燃煤材料;褐煤有较高的含水量,一般在20%-50%之间,即便是在干燥空气中也达到10%-20%,这个特点成为制约锅炉制粉系统选择的不利因素;有些种类的褐煤含有较多的灰分,这通常会影响它的着火及燃烧率,从而对锅炉的燃烧设备提出新的要求;褐煤的灰熔点较低,灰变形温度约为1100℃,这种低温熔融特性使得褐煤的燃烧过程容易产生灰污染结渣;褐煤的低发热量和低灰熔点要求炉膛容积热负荷要低,这导致电厂在设计锅炉的过程中要求其较低的炉内温度,从而能够有效减少氮氧化物的产生,具有较低的环境污染。
以位于内蒙古近年开发出丰富褐煤的胜利煤田为例,该煤种具有高水分、高挥发分和较低的灰分含量,属易结渣类型。如下表现实的对该煤特质的研究结果:
2.褐煤燃烧锅炉的一些特殊设计要求
褐煤的特殊性质决定了以褐煤为燃料的锅炉必然与以一般煤料为燃料的锅炉有显著不同,褐煤燃烧锅炉的设计及运行往往有更高的要求。
2.1炉膛结构、炉膛热负荷
炉膛结构及热负荷指标是设计锅炉中首先要考虑的重大问题,它与所使用的燃料煤种有关。褐煤“三高两低”的特点使其具有结渣性倾向,必须严格设计合适的炉膛尺寸和炉膛热负荷指标以控制炉膛的结渣。如下表所示某600 MW等级锅炉使用褐煤和烟煤作为燃料时对炉膛尺寸、热负荷的不同要求:
炉膛容积热负荷是衡量锅炉容积大小的指标,具体表现为燃料经过锅炉所停留的时间长短。从上表可以看到,在锅炉容积方面,以褐煤作为燃料是以烟煤作为燃料时的1.4倍,而热负荷则要减少近1/3,这表明以不同煤种作为燃料对于炉膛结构具有很大影响。Q1越小则表明煤粉在炉内停留时间越长,可以降低炉内温度,减少氮氧化物的排放。Q1与Q2的比值是与炉膛高度相对应的。一般来说,较小的Q2意味着较大的炉膛尺寸,能够有效减小煤粉气流冲刷到水冷壁上而导致结渣的可能。
2.2对制粉系统的要求
褐煤较一般煤类含水量高得多,而制粉系统需要通过一次风温来实现对煤料的干燥和输送;由于换热面、设备等的限制,最常用的三分仓回转式空气预热器一般较小,该设备一次风的温度难以满足褐煤对制粉系统干燥能力的要求;以褐煤为燃料的600MW级锅炉制粉系统的显著特点是引入了管式空预器。以一次风的方向,在每个回转式空气预热器出口处增加一组管式空预器。管式空预器可以接收从低温过热器和省煤器出来的高温烟气,通过错横交错的管排继续给一次风加热,使其获得更高温度。在一般情况下,单纯回转式空预器出口的一次风温度经过管式空预器后可以升高近一百摄氏度,可以满足褐煤对制粉系统的要求。
国内使用褐煤作为燃料的大型电厂在锅炉设计方面还缺乏经验,从国内关于磨煤机的制造使用经验来看,磨煤机的类型主要包括风扇磨煤机和中速磨煤机两种。通过对这两种制粉系统在多方面进行技术经济性比较,如:购置价格、磨损指数、设备使用年限、适用煤种范围、保养成本、维修难易度、煤粉适应度、耗能方面等综合决定磨煤机的类型。国内以胜利褐煤作为燃烧煤料的内蒙古上都电厂,采用8台HPll03型中速磨煤机(7台运行、l台备用)。这是国内磨煤机制粉系统用于磨制褐煤的先例,它对褐煤机组的制粉、输送、运行等方面都提出了较高的要求,也为我国以后的大型褐煤机组锅炉的设计起到了良好的示范作用。
2.3合理的吹灰器布置
如前所述,褐煤有较强的结渣沾污倾向,合理的吹灰器布置是防止炉膛结渣沾污的重要辅助措施。
烟煤锅炉只需在受热面安置数量合适的吹灰器即可,而对于褐煤燃烧锅炉应特别注意加置炉膛吹灰器。如果结渣沾污情况严重,炉膛部分吹灰器有时可以用水力吹灰器替代。
2.4褐煤燃烧设备的考虑
合理的炉膛尺寸和燃烧设备是保证褐煤高效正常燃烧的重要因素。一般情况下,褐煤的挥发份含量往往在40%以上,使得褐煤很容易着火燃烧,只要辅以必要的措施,即可维持褐煤的稳定高效的燃烧;如果使煤粉达到足够精细并在燃烧锅炉内停留足够时间,这样就可以保证褐煤的燃烧达到很好的水平;褐煤燃烧过程中容易结渣变焦,选择锅炉设备时要特别考虑这一点,尽量采取措施减少结渣结焦发生。总而言之,燃烧设备的选择或设计应以减少结渣和保证高效稳定的燃烧为重点,同时考虑降低氮氧化物的排放及减少温度偏差等问题。
3.机组运行分析
3.1着火性质剖析
褐煤含有较多的挥发份。挥发份析出温度约在300摄氏度,320~400℃即开始着火并燃烧,500℃以上基本烧尽,这使得褐煤具有良好的燃烧性能。另外由于褐煤形成年代短,其挥发份和水分在析出后使煤块呈镂空和凹凸状,增加了煤块和空气的接触面积,更使得褐煤容易燃烧完全。在使用助燃装置点燃锅炉后,只要控制磨煤机出口处风分混合物的温度在65摄氏度以上,煤粉进入锅炉很快就可燃烧,明显易于其它煤种着火。但要注意控制磨煤机出口温度,一般不超过70℃,防止发生爆炸事故。某机组在调试阶段发生过启磨爆燃事故,虽不严重,但也损坏了磨防爆装置。
3.2燃烧性质剖析
由于褐煤含有较高的水分和挥发份,其释放热量能力较低,在燃煤量低于60%负荷时,由于水分析出的影响,下层煤料温度较低,燃烧时间加长,火焰暗红;上层燃料由于下层的烘烤和支援,其温度较高,燃烧透彻,能释放更多热量,火焰白皙。在安装火检探头时,要特别控制好安装角度。下层需要检测更加靠近炉膛中心的地方,火检安装角度要适当小些;上层由于燃烧更旺,其火检探头应更加靠近燃烧器喷口,安装角度可适度大些。
3.3变负荷过程中的燃料控制
在机组运行过程中,褐煤“三高二低”的特点最直接地体现在热量释放缓慢、压力改变过程中滞后。在设计机组协调运行过程中,必须注意到褐煤的燃烧特点。在变负荷初期,煤料燃烧滞后,应尽量减小褐煤热量释放滞后对压力的影响,在压力开始上升之际,适当减少煤料,以维持压力稳定。理想的负荷控制应在满足电网对燃烧速率要求的同时,防止在加大负荷过程中造成压力大幅增加及降低负荷过程中压力过低引起安全门扇动。
3.4褐煤的易结渣特性
(1)尽量使煤料在燃烧器内均匀分布,在运行过程中通过调节磨煤机一次风出口管节流孔板开度,在保证燃烧器煤料均匀情况下尽量做到均匀配风。这样做是为了保证燃料和空气均匀混合,避免局部温度过高或过低。(2)做好煤料的管理和检验工作,煤质发生改变要及时通知技术人员,要保证煤粉细度适宜。如果煤粉过细可能导致火焰中心抬高,引起炉膛出口处结渣。(3)运行中要保证锅炉正常负荷,避免使用不当。(4)做好磨煤机的使用保护工作,不要使其电流过大影响寿命,定期合理切换,保证机组正常稳定地运行。(5)定期对炉膛进行吹灰,发现沉渣现象严重时可加大吹灰频率,防止结渣。(6)保证捞渣机等正常工作,关闭各入孔、检查孔尽量避免炉膛漏风。
3.5配风控制
在配风上要采用均等配风,提供给燃烧器的辅助风(包括二次风)开度最小为25%,具体辅助风开度要视给煤量而定。燃烬风(周界风)开度不小于百分之八十,燃烬风具体开度要根据炉膛出口气流残余以及左右侧的温度偏差进行调整。比如要是左右侧温度偏差太小,可以适当减小燃烬风开度,燃烬风的风量一般占总风量的15%左右,如果左右侧温度偏差太大,应调整燃烬风两侧摇摆幅度。辅助风和燃烬风的开度也受大风箱的压力影响。燃料负荷低于30%时风箱压力为0.4 KPa,燃料负荷大于50%时大风箱压力为0.6~0.9KPa。一次风的速度要维持在24~28m/s。
4.总结与建议
根据近年来我国褐煤锅炉设计使用的经验来看:增大炉膛高度、扩大炉膛容积的褐煤锅炉运行状况一般较好,这些设计方案也符合我国褐煤的特点。
对于以我国内蒙古东部地区的长年褐煤为燃料的锅炉而言,其燃烧器预混段时间不宜太长,一次风风速不能太低,一般每秒20米左右。对于水分较高的褐煤,一般一次风速很大,不宜采用墙式燃烧方式,否则会加大旋流燃烧器设计的难度,这时往往采用直流燃烧器切向燃烧方式。
以含水量低于35%的褐煤为燃料的锅炉,采用中速磨煤机即可;使用含水量35% ~40%褐煤为燃料的锅炉,采用中速磨煤机或风扇磨煤机均可。但对于含水量大于40%的褐煤,一般均采用风扇磨煤机。
【参考文献】
[1]曹红加,张清峰,李悦等.600MW高水分褐煤锅炉结渣特性[J].华北电力技术,2008,(3).
[2]冯俊凯,沈幼庭,杨瑞昌等.锅炉原理及计算(第三版) [M].北京:科学出版社,2003.
[3]马嘉鹏,萨如拉等.燃烧高水分褐煤锅炉磨煤机制粉选型分析[J].内蒙古电力技术,2008(6).