提升高水分褐煤中速磨出口温度方案研究

富跃龙

摘 要：印尼南苏煤电项目安装2×150MW燃煤机组，采用中速磨煤机直吹式制粉系统。燃用印尼高水分褐煤，设计原煤水份55.3%，煤矿开采的原煤通过蒸汽干燥机将原煤水分干燥至37.8%再送入锅炉原煤斗。机组投产试运后发现蒸汽干燥机将原煤干燥至水分达到49%以下时，整条干燥机系统粉尘飞扬，且粉尘细小无法收集，多次出现自燃和爆炸事故，严重影响机组安全和环境。现场经过反复调试，严格控制各项参数，逐渐摸索出一套适合实际情况的运行控制方式，即将煤干燥后干燥煤水分控制在50%～54%之间，可有效解决粉尘飞扬和自燃爆炸问题，又通过整改旋转煤仓、加空气炮等措施解决了煤仓堵煤问题。因入炉煤水分大，目前，实际运行中采取增加一次风量的方式提高磨煤机出力，在冷风全关情况下，磨煤机入口一次热风温度最高只能达到320℃左右，磨煤机出口风粉混合物温度56～58℃，存在出口分离器和煤粉管道容易出现粘煤、堵煤问题。综上，为解决分离器和煤粉管道粘煤、堵煤问题，提高磨煤机出口温度，降低制粉系统运行风险，开展抽取高温烟气提高磨煤机出口温度方案研究。

关键词：高水分褐煤 中速磨 高温烟气 磨煤机出口温度

1. 概述

南苏电厂由西北电力设计院有限公司设计，安装2×150MW燃煤机组。锅炉、汽轮机、发电机分别由华西能源工业集团有限公司，哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨电机厂有限责任公司提供。锅炉为超高压、一次中间再热、直吹式四角切园燃烧、自然循环汽包锅炉。锅炉采用全悬吊全钢构架、锅炉为平衡通风、固态排渣方式，尾部空预器采用管式空预器

印尼南苏煤电项目于2009年7月开工建设，2011年月7月和11月两台机组相继投产。锅炉设计褐煤原煤水份55.3%，实际原煤水份最高可达甚至超过61.3%的校核煤种水分，为保证制粉系统及机组的安全运行，开创性的将煤干燥系统应用于煤电项目，原设计中，煤矿开采的原煤通过蒸汽干燥机将原煤水分干燥至37.8%再送入锅炉原煤斗，从而达到《DL_T466电站磨煤机及制粉系统选型导则》：MPS中速磨煤机选用褐煤时，入炉煤表面水分＜19%的设计标准要求，以确保制粉系统的正常运行。而在机组投产试运后发现，煤干燥机后原煤水分达到49%以下时，整条干燥机系统粉尘飞扬，且无法收集，调试中多次出现自燃和爆炸事故，严重影响机组安全和环境。为此，现场经过反复调试，严格控制各项参数，逐渐摸索出了一套适合印电实际情况的运行控制方式，即将煤干燥干燥煤水分控制在52%～54%之间，可有效解决粉尘飞扬和自燃爆炸问题，又通过加装旋转煤仓、空气炮及定期拉空清仓等措施解决煤仓堵煤问题，成功找到安全性与经济性的平衡点，对全厂的稳定运行起到了关键作用，同时打破了MPS型中速磨煤机常规运行参数，在燃用印尼高水分褐煤提供了宝贵的经验。

机组投产后，由于入炉煤与设计煤种偏差较大（见表1），锅炉燃烧工况受煤质高水分影响，部分参数与设计值存在一定差异，特别是空预器出口一次风温，远未达到设计热力计算书中的388℃，且随着机组运行年限增加空预器漏风、表面积灰和结垢的影响，目前，实际运行中，磨煤机入口一次风温度在冷风全关的情况下，最高能达到320℃左右，远低于设计值，磨煤机出口温度也只有56-58℃，因磨煤机出口温度偏低，运行中存在出口分离器和煤粉管道容易出现粘煤、堵煤问题。为此，运行中需人为参与加大一次风量的方法提升磨煤机出口温度，而此种运行方式不仅增加了一次风机电耗，同时，由于提高了一次风速，使磨煤机内部部件、出口粉管等设备磨损加剧。

表1：入炉煤水分及热值对比（实际值指2020年1月至今平均值）

参数	原设计	实际值
全水Mt	38.7	52
内水Mad	23.47	28.97
低位热（kcal/kg）	3365.2	2387.8

此外，通过多年运行经验摸索，磨煤机入口风温高于320℃运行也存在着火爆炸的风险。因此，对目前机组的运行状况开展研究，以进一步提高磨煤机出口温度，而又能降低磨煤机着火爆炸的风险，从而降低制粉系统运行风险，保证机组的安全稳定运行。

2. 方案研究实施背景

2018年，广东电科院对2号锅炉进行了全面燃烧调整试验，完成了磨煤机粉管调平、变风量等多项试验，并绘制出磨煤机风煤比曲线（见图1）。实际运行中，为了保证磨煤机出口温度，防止发生堵煤问题，在冷风门全关情况下，磨煤机总风量平均向上偏置5-10%才能满足磨煤机出口温度要求（如11磨煤机煤量49.5t/h，而风量为89t/h，超出10%）。在此种运行方式下，干燥出力仍显不足，磨煤机出口温度偏低，出口分离器挡板粘煤、堵煤时有发生，而每次出现粘煤缺陷时均需人员进入磨煤机内部进行清理，存在较大的安全风险。针对上述问题，结合机组实际运行状况，参考风扇磨煤机系统的高温烟气循环利用的运行方式，拟开展抽取高温烟气加入一次风的方案研究工作，以进一步提升磨煤机干燥出力，提高磨煤机出口温度，同时降低磨煤机内氧含量，降低磨煤机爆炸风险，提升机组运行安全性和经济性。

图 1-磨煤机风-煤比曲线

3. 改造方案研究

1. 改造目标

• 根据电厂来煤结构并结合锅炉设备实际运行情况，改造的目标是实现磨煤机出口温度62-65℃，减少出现结露问题，降低磨煤机出口分离器堵塞的风险；

• 通过改造提高一次风粉温度，降低炉膛火焰中心高度，改善炉膛燃烧环境，使排烟温度降低5-10℃。

• 通过抽取高温烟气混入一次风系统，降低磨煤机内一次风氧量，降低磨煤机爆炸的风险；

2. 改造内容

采用高温、高压热炉烟风机从锅炉低过出口后墙烟道抽取中高温烟气，注入热一次风母管；热烟气与一次风混合提高磨入口风温后分别送入各台运行磨，从而提高制粉干燥出力、提高磨煤机出口温度。在选用“热风+热炉烟”做干燥剂时，可不对一次风机进行改造。该方案实施后不但提高了制粉系统干燥能力，也同时提高了制粉系统的防爆能力。（如图2）

图2：抽取高温烟气示意图

3. 热力计算：

3.1 设计和实际入磨煤质情况

锅炉设计褐煤原煤水份55.3%，通过干燥机将原煤水分干燥至37.8%，实际运行干燥后原煤水分约52%~54%，按52%含水率计算煤质资料及煤耗量如表3-1所示：

表3-1 设计和实际入磨煤质情况

项目	单位	设计入磨煤质	实际入磨 煤质
收到基全水分	%	37.8	52
空气干燥基水分	%	23.47	28.97
收到基灰份	%	4.66	3.60
收到基碳	%	39.74	30.67
收到基氢	%	2.89	2.23
收到基氮	%	0.42	0.32
全硫	%	0.17	0.13
收到基氧	%	14.32	11.05
收到基高位热值	MJ/kg	15.56	12.26
收到基低位热值	MJ/kg	14.09	9.55

3.2 设计和实际入磨煤干燥热平衡计算

设 计和实际入磨煤干燥热平衡见表3-2。该热平衡计算中煤粉水分按照DL/T 5145-2012《火力发电厂制粉系统设计技术规定》图3.6.2进行选取；磨煤机出口温度按照65℃选取，磨入口按最大通风考虑，热风温度按原锅炉设计热风温度选择，并考虑热风沿程温降5℃。由热平衡计算可知，当4台磨同时运行，在磨最大通风情况下，且保证入磨热风温度为386℃的情况下，即使使用实际入磨煤质，最终干燥出力也可以满足要求，但一次风率将近50%。

表3-2 设计和实际入磨煤干燥热平衡

序号	名 称	单位	设计入磨煤质	实际入磨煤质
(一)	燃料消耗量（BMCR）	t/h	100.8	147.3
	磨煤机运行台数	台	3	4
(二)	磨煤机入口
1	干燥煤的物理热	kJ/kg	758.67	864.35
	初始干燥剂量	kg/kg	2.24	2.23
2	密封风物理热	kJ/kg	2.04	2.68
	空气热含量	kJ/kg	30	30
3	碾磨产生的热量	kJ/kg	10.76	14.1
(三)	磨煤机出口
	磨出口一次风温	℃	65	65
	煤粉中剩余水份	%	21	36
1	蒸发原煤中水耗热	kJ/kg	539.66	634.42
	所干燥的水分	kg/kg	0.213	0.25
	原煤温度	℃	20	20
2	乏气带出热量	kJ/kg	152.19	152.71
	tm"下湿空气比热	kJ/(kg℃)	1.014	1.014
3	加热燃料消耗热	kJ/kg	64.19	76.37
	干燥煤的比热容	kJ/(kg℃)	1.18	1.18
	干燥基灰分	%	7.49	7.49
	进出口平均温度	℃	42.5	42.5
	灰的比热容	kJ/(kg℃)	0.76	0.76
	纯煤比热容	kJ/(kg℃)	1.214	1.214
4	磨入口一次风温	℃	328	374.8
5	磨入口一次风比热	kJ/(kg℃)	1.032	1.035
6	冷风分额		0.162	0.031
	热风分额		0.838	0.969
	冷风温度	℃	30	30
	冷风比热	kJ/(kg℃)	1.012	1.012
	热一次风温度	℃	386	386
	热一次风比热	kJ/(kg℃)	1.036	1.036
	一次风率	%	40	48.6

3.3干燥烟气量选取

抽取干燥烟气是为了补偿热一次风干燥能力的不足，热一次风的热量来源于空气预热器。当入磨煤质水分大幅上升时，随着干燥出力需求的增加，一次风率和进入空气预热器的一次风量大幅提高，而空气预热器的换热能力是有限的，所以当过量冷风进入空气预热器之后其表现为热一次风温大幅下降，从而无法满足原煤干燥需求。

由表3.2可见，当同时满足一次风率和一次风温的条件下，干燥出力是可以满足要求的。但在高一次风率的条件下实际运行热风温度很低，为了保证一次风温为原设计值，需要保证进入空气预热器的一次风量不超过空预器设计值。其余不足的热量由抽取的热烟气给出。

采用烟气干燥原煤时，被抽取的烟气流程本质上为部分烟气再循环流程，其基本流程为：低过出口→热烟风机→热风道→磨煤机→燃烧器→炉膛→高过→高再→中温过热器→低温过热器→低过出口。由于本身是循环过程，所以低过下游烟气量不发生变化，对下游设备影响很小。

抽炉烟不能提供燃烧供氧量，所以入炉总风量不变，燃烧本身产生的烟气量不变。但入磨干燥介质成分会发生重大变化，其O₂含量从21%降低至15.85%，大幅提高了系统的防爆特性。

表3-3干燥烟气量初步选取

	单位	设计入磨煤质	实际入磨煤质
BMCR总风量	t/h	649.4	739.4
BMCR总烟气量		786.6	930.35
一次风率	%	40	48.6
入磨一次风量	t/h	259.76	359.35
入空预器一次风量	t/h	217.7	348.21
空预器出口一次风温	℃	391
热一次风焓值	kj/kg	405.1
实际入磨总热量缺额	kj/h	52869033.7
低过出口烟气温度	℃	418
低过出口烟气焓值	kj/kg	430.73
需补充烟气量	t/h	122.7
混合后干燥介质含氧	%	15.85

3.4 抽炉烟对锅炉影响分析

原煤水分上升、热值降低会引起烟气量的上升，导致炉膛燃烧区域温度的下降；抽炉烟本质上是一种烟气再循环，所以增加抽炉烟循环也会进一步降低炉膛燃烧温度，同时进一步降低NOx原始排放，但由于其总烟气量的增加，总热量并不减少。

抽炉烟会导致抽炉烟点上游烟气流速上升，所以其对流换热有所加强，一般来说锅炉受热面对流换热系数与速度的0.6~0.8次方成正比。抽炉烟后对流受热面区域烟气流速为设计煤的1.34倍，对流换热强度增加约19~25%；烟气流速为不抽炉烟实际入磨煤的1.13倍，对流换热强度增加约7~10%。

总的来说，抽炉烟之后炉膛辐射换热量会有所降低，但下游受热面对流换热能力有所上升，抽炉烟点处烟气温度略有下降。由于抽炉烟本身不引起下游烟气量的变化，所以抽炉烟点下游的设备换热情况与抽炉烟本身关系不大。

4. 研究结论

1. 经研究，实施抽取高温烟气混入一次风系统改造后锅炉运行的安全性、稳定性提升，经济性不会有明显变化，预计改造后锅炉效率不低于设计值，锅炉排烟温度降低5-10℃。

2. 实施抽取高温烟气混入一次风系统改造，利用高温烟气提高磨煤机干燥出力，可实现磨煤机出口温度到62-65℃的目标，始终在露点以上温度运行，可有效避免磨煤机出口分离器一次风粉结露，降低分离器堵塞、粉管堵塞的运行风险。

3. 磨煤机合理混配高温烟气，提升磨煤机出口温度的同时，混合后一次风含氧量下降，制粉系统爆炸性能降低，有利于制粉系统可靠性的提升，机组的运行安全性提升。

4. 为实现高温烟气与一次风合理匹配，需增设热炉烟风机等相关辅助设备，要根据详细试验结果进行选型。

5. 由于磨煤机通风量增加，需测试现有粉管一次风粉管道风速，通过计算结果确定是否需加粗磨煤机出口粉管，以保持合理的一次风速。

6. 改造后因增加了炉烟风机及相关的附属设备，运行与维护成本增加，但制粉系统的安全性提升、停运检修次数减少，维护成本降低。

7. 改造研究过程应进行详细的热力计算及校核计算，开展全面的磨煤机动态特性试验、燃烧调整试验等，理论与实际结合，确定最佳运行方式。

参考文献

华北电力技术-《1000MW机组炉烟再循环送粉改造技术研究》，作者：靖长财等

锅炉制造-《炉烟再循环风机运行情况调研研究作者：李冰

节能-《烟气再循环技术研究现状及发展趋势》，作者：兰健

DL_T466-2004《电站磨煤机及制粉系统选型导则》，中华人民共和国国家发展和改革委员会。