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        高水分褐煤的磨型選擇適應(yīng)性分析

        2021-10-28 06:32:22趙鵬寇震
        能源與環(huán)境 2021年5期
        關(guān)鍵詞:中速制粉褐煤

        趙鵬 寇震

        (中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 湖北武漢 430071)

        0 引言

        世界上褐煤儲(chǔ)量約有4 萬億t,占到煤炭總儲(chǔ)量的40%,其中俄羅斯和東歐地區(qū)的褐煤儲(chǔ)量又占到了世界總儲(chǔ)量的一半。隨著“一帶一路”的推進(jìn),越來越多的東歐電站項(xiàng)目被開發(fā),褐煤電廠發(fā)展前景廣闊。

        褐煤,又名柴煤,是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤,是一種介于泥炭與瀝青煤之間的棕黑色、無光澤的低等級(jí)煤,具有高水分(收到基全水分Mar30%~60%)、高揮發(fā)分(干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf>37%)、易燃、低熱值(低位發(fā)熱量4 186 kJ/kg~16 744 kJ/kg)、不易儲(chǔ)存和遠(yuǎn)運(yùn)等特點(diǎn)。正因?yàn)楹置河羞@些特點(diǎn),制粉系統(tǒng)的選擇上不同于其他煤種。

        1 褐煤制粉系統(tǒng)選擇分析

        1.1 原煤水分對(duì)制粉系統(tǒng)擬定的影響

        選用煤粉鍋爐時(shí),首先要擬定制粉系統(tǒng)。由于褐煤具有高揮發(fā)分的特點(diǎn),通常會(huì)采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)或風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)。由于風(fēng)扇磨的后期維護(hù)成本高,在煤種適宜時(shí),一般會(huì)優(yōu)先選擇中速磨直吹式制粉系統(tǒng)。

        《火力發(fā)電廠褐煤制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)選型導(dǎo)則》(Q/DG 1-J025-2014)[1]對(duì)選擇褐煤制粉系統(tǒng)有以下推薦意見:

        原煤全水分在30%以下時(shí),宜選用中速磨煤機(jī);

        原煤全水分介于30%~35%之間,應(yīng)通過制粉系統(tǒng)平衡試算,條件適宜時(shí)宜選用風(fēng)扇磨煤機(jī)。

        原煤全水分高于35%時(shí),宜選用風(fēng)扇磨煤機(jī)。

        另從磨煤機(jī)廠反饋的經(jīng)驗(yàn)來看,對(duì)于中速磨,煤種的揮發(fā)分不能太高,建議不超過45%,否則可能引起煤粉自燃等安全事故。

        即將發(fā)布的新版《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》也有類似要求。

        由此可見,原煤水分對(duì)中速磨制粉系統(tǒng)有一定的限制性,中速磨制粉系統(tǒng)并不能適應(yīng)水分過高的褐煤。

        1.2 原煤水分限制中速磨制粉系統(tǒng)的原因分析

        煤在鍋爐里燃燒時(shí),所需的空氣由一次風(fēng)(一次風(fēng)機(jī))和二次風(fēng)(送風(fēng)機(jī))提供。一次風(fēng)的主要作用是為磨煤機(jī)提供磨制合格煤粉所需的熱量,并將制成的合格煤粉通過送粉管道送入爐膛。二次風(fēng)的主要作用是為煤粉在爐膛內(nèi)燃燒提供所需的空氣。在煤質(zhì)和耗煤量不變的條件下,一次風(fēng)和二次風(fēng)的總量是確定的。

        冷一次風(fēng)和冷二次風(fēng)在空預(yù)器里被煙氣加熱后成為熱一次風(fēng)和熱二次風(fēng)。熱一次風(fēng)和未經(jīng)加熱的冷一次風(fēng)(壓力冷風(fēng))混合到制粉所需的合適風(fēng)溫進(jìn)入磨煤機(jī),用于煤粉制備。在磨煤機(jī)里,煤不僅要被碾磨,還要被干燥。如果沒被充分干燥(去除外在水分),煤粉會(huì)板結(jié)成塊,堵塞分離器,無法通過送粉管道進(jìn)入爐膛。

        原煤水分越高,磨煤機(jī)所需的干燥出力就越強(qiáng)。要提高干燥出力,只有兩個(gè)途徑:①提高進(jìn)入磨煤機(jī)的一次風(fēng)溫;②提高進(jìn)入磨煤機(jī)的一次風(fēng)量。但是這兩個(gè)途徑同時(shí)受到制粉系統(tǒng)防爆和鍋爐穩(wěn)定燃燒一次風(fēng)率的制約。

        熱一次風(fēng)是由冷風(fēng)在空預(yù)器里被煙氣加熱獲得。為保證位于省煤器和空預(yù)器之間的SCR 脫硝裝置能正常運(yùn)行,省煤器出口的煙氣溫度需控制在320 ℃~400 ℃,這樣在空預(yù)器中被煙氣加熱后的熱一次風(fēng)溫一般也不超過350 ℃。即使采取增大空預(yù)器尺寸,提高入口煙溫等措施,或在熱一次風(fēng)道上設(shè)置蒸汽或煙氣加熱器進(jìn)一步提高熱一次風(fēng)溫度,熱一次風(fēng)溫也難以超過400 ℃~420 ℃,所以進(jìn)入磨煤機(jī)的熱風(fēng)溫度不能進(jìn)一步提高。在風(fēng)溫受限之后,只剩下加大一次風(fēng)量來提高磨煤機(jī)干燥出力的辦法了。在很多項(xiàng)目上,特別是國外項(xiàng)目中,不少業(yè)主認(rèn)為加大磨煤機(jī)型號(hào),或者增加磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)就可以增大磨煤機(jī)的通風(fēng)量,進(jìn)而提高磨煤機(jī)的干燥出力。例如在印尼某350 MW 項(xiàng)目中,原煤全水分最高達(dá)到42%,總包商就一度認(rèn)為如果采用600 MW 等級(jí)的磨煤機(jī)就可以滿足干燥出力的要求,經(jīng)過與鍋爐廠、磨煤機(jī)廠反復(fù)匹配,最終證明這種想法是實(shí)現(xiàn)不了的。

        從磨煤機(jī)出來被送往爐膛的煤粉是風(fēng)粉混合物。受設(shè)備耐溫和防爆要求的限制,磨煤機(jī)出口溫度需滿足《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5145-2012)[2]的要求,對(duì)于揮發(fā)分大于40%的褐煤,中速磨煤機(jī)出口的溫度應(yīng)限制在70℃以內(nèi)。這樣進(jìn)入鍋爐參與燃燒的空氣主要是兩種溫度,一次風(fēng)(<70 ℃)和二次風(fēng)(<350 ℃)。假定通過加大磨煤機(jī)的型號(hào)或增加臺(tái)數(shù)以滿足干燥出力,其實(shí)就是增加了總的一次風(fēng)量。而因?yàn)殄仩t每小時(shí)燃煤所需的空氣總量是一定的,如果提高一次風(fēng)量,就需要減少二次風(fēng)量。

        由于一次風(fēng)溫較低,如果進(jìn)入爐膛的一次風(fēng)比例過高,就意味著大量的冷空氣進(jìn)入爐膛,鍋爐將無法穩(wěn)定燃燒,所以一次風(fēng)所占的比例(一次風(fēng)率)需要控制在合理范圍。對(duì)于普通煙煤而言,一次風(fēng)率一般在20%左右。對(duì)于高水分褐煤而言,一次風(fēng)率也不宜超過35%??梢姡瑸樘岣咧兴倌サ母稍锍隽?,一次風(fēng)量并不能無限制加大,所以靠加大磨煤機(jī)型號(hào)及增加臺(tái)數(shù)的辦法并不能解決干燥出力問題。

        所以,由于一次風(fēng)溫和風(fēng)量受限,導(dǎo)致中速磨制粉系統(tǒng)的干燥出力受限。當(dāng)原煤全水分超過30%時(shí),需要進(jìn)行鍋爐和磨煤機(jī)的匹配試算來判斷是否可以采用中速磨制粉系統(tǒng)。

        表1 是某350 MW 機(jī)組燃用的煤質(zhì),設(shè)計(jì)煤和校核煤的全水分分別為35.2%和40.8%,計(jì)算得到設(shè)計(jì)煤和校核煤的外水分分別為20%和23.6%。經(jīng)過鍋爐廠和磨煤機(jī)廠的匹配計(jì)算,如按中速磨制粉系統(tǒng)選型,設(shè)計(jì)煤的一次風(fēng)率約為38%,校核煤的一次風(fēng)率超過了40%,鍋爐不能穩(wěn)定燃燒,只能按照風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

        表1 某350 MW 機(jī)組煤質(zhì)成分表

        結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目的比選分析,褐煤制粉系統(tǒng)選型建議如下:

        (1)當(dāng)原煤收到基全水分低于30%時(shí),通??蛇x用中速磨制粉系統(tǒng)。

        (2)當(dāng)原煤收到基全水分介于30%和35%之間時(shí),需要進(jìn)行制粉系統(tǒng)匹配試算和外水分Mf比較分析。煤的全水分包括內(nèi)水分和外水分,內(nèi)水分是吸附在物料內(nèi)部毛細(xì)孔中的水分,外水分是指附著在煤顆粒表面的水分。在一定條件下,煤樣與周圍空氣濕度達(dá)到平衡時(shí),所失去的水分就是外水分。煤的外水分直接受所處外界條件的影響,與煤本身的性質(zhì)無關(guān),而內(nèi)水分由于毛細(xì)孔吸附力的作用,是較難蒸發(fā)的。所以,外水分對(duì)制粉系統(tǒng)干燥出力的影響更大。

        結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目的選型經(jīng)驗(yàn),當(dāng)原煤收到基全水分介于30%和35%之間且外水分小于或等于19%時(shí),可初步先選擇中速磨制粉系統(tǒng),并核算磨煤機(jī)干燥出力,以實(shí)際核算結(jié)果為準(zhǔn);當(dāng)外水分大于19%時(shí),經(jīng)過干燥出力核算,如果中速磨制粉系統(tǒng)不能滿足要求,則需要選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

        (3)當(dāng)原煤收到基全水分大于35%時(shí),通常需選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

        1.3 典型褐煤電廠制粉系統(tǒng)選擇

        表2 為典型褐煤電廠原煤水分和制粉系統(tǒng)的選擇情況,可以看出,元寶山3 號(hào)爐和上都1~4 號(hào)爐原煤水分均低于30%,選擇了中速磨制粉系統(tǒng);伊敏3、4 號(hào)爐原煤水分超過了35%,選擇了風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng);通遼5 號(hào)爐和九臺(tái)1、2 號(hào)爐的原煤水分介于30%和35%之間。經(jīng)過比較外水分,通遼5 號(hào)爐可以選用中速磨制粉系統(tǒng),九臺(tái)1、2 號(hào)爐外水分超過了19%,只能選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

        表2 典型褐煤電廠制粉系統(tǒng)選擇

        2 中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)比較

        當(dāng)原煤水分在一定范圍內(nèi),既可以選用中速磨又可以選擇風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)時(shí),通常優(yōu)先選擇中速磨制粉系統(tǒng)。這是因?yàn)轱L(fēng)扇磨的打擊板壽命較短,運(yùn)行2 000 h 后就需要補(bǔ)焊維護(hù),而每次維護(hù)打擊板都需要拆卸打擊輪,維護(hù)工作量較大。打擊板也只能補(bǔ)焊3~4 次,所以打擊輪每2 年就需要更換,導(dǎo)致維護(hù)成本較高。

        表3 600 MW 機(jī)組中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

        以1 臺(tái)600 MW 超臨界褐煤機(jī)組(全水分約31%,通過試算可選擇中速磨制粉系統(tǒng)或風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng))為例,如選用中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng),初投資和年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析見表3。

        從表3 能看出,中速磨制粉系統(tǒng)在初投資和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用上均優(yōu)于風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng),在條件適宜的情況下,應(yīng)優(yōu)先選用中速磨制粉系統(tǒng)。

        3 結(jié)論和建議

        由于受到一次風(fēng)溫和一次風(fēng)率的限制,中速磨制粉系統(tǒng)不能燃用水分過高的褐煤。加大磨煤機(jī)型號(hào)或增加磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)會(huì)提高一次風(fēng)率,過高的一次風(fēng)率將造成爐膛燃燒不穩(wěn)定,并不能解決根本問題。

        當(dāng)原煤收到基全水分小于30%時(shí),通??蛇x用中速磨制粉系統(tǒng);當(dāng)原煤收到基全水分處于30%和35%之間且外水分小于19%時(shí),可初步先選擇中速磨制粉系統(tǒng),并核算磨煤機(jī)干燥出力,以實(shí)際核算結(jié)果為準(zhǔn);當(dāng)原煤收到基全水分位于30%和35%之間且外水分大于19%時(shí),經(jīng)過干燥出力核算,如果中速磨制粉系統(tǒng)不能滿足要求,則需要選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng);當(dāng)原煤收到基全水分大于35%時(shí),通常需選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

        當(dāng)中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)都能適用時(shí),由于中速磨制粉系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用均優(yōu)于風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng),應(yīng)優(yōu)先采用中速磨制粉系統(tǒng)。

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