電站鍋爐制粉系統(tǒng)在高溫空氣及可燃煤粉介質(zhì)的工況下運(yùn)行，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)，可能產(chǎn)生熱爆燃等安全隱患，嚴(yán)重影響著電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。據(jù)國內(nèi)150臺(tái)運(yùn)行鍋爐調(diào)查統(tǒng)計(jì)，約有42%的燃煤鍋爐發(fā)生過熱爆問題。據(jù)美國EPRI統(tǒng)計(jì)，在美國的361臺(tái)燃煤鍋爐中，平均每臺(tái)鍋爐每年發(fā)生制粉系統(tǒng)著火1.26次，每年爆炸0.31次，美國有差不多22%的燃煤機(jī)組存在著著火或爆炸問題，其中有18%的燃煤機(jī)組存在著嚴(yán)重的爆炸問題。因此，制粉系統(tǒng)的熱爆問題引起了各發(fā)電廠商的高度重視。
一次風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)的是風(fēng)粉混合物，由于各種各樣的原因，近幾年一次風(fēng)管熱爆問題時(shí)有發(fā)生，有的燒毀火嘴，有的靠近火嘴的一次風(fēng)管管段燒紅、變形，甚至爆裂 ，導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)，危及機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文結(jié)合某電廠一臺(tái)670 t/h鍋爐一次風(fēng)管煤粉爆燃實(shí)驗(yàn)，對制粉系統(tǒng)熱爆燃問題進(jìn)行了理論分析。
1 鍋爐概況及研究方案
該鍋爐型號(hào)為HG-670/140-9，鍋爐本體采用單爐膛П型布置，爐膛寬度13.66 m，深度11.66 m，其設(shè)計(jì)煤種為開灤洗中煤，制粉系統(tǒng)為中儲(chǔ)式，燃燒器采用四角布置切圓燃燒方式。每組燃燒器由6層二次風(fēng)噴嘴、4層一次風(fēng)噴嘴和2層三次風(fēng)噴嘴組成。
該鍋爐自1997年以來，主要燃用山西貧煤與煙煤的混煤，由于所燃用的煤種有所變化，鍋爐燃燒的穩(wěn)定性變差。燃用某些煤種(或混煤)時(shí)，爐內(nèi)發(fā)生滅火，與此同時(shí) ，在燃用另一些煤種時(shí)，又出現(xiàn)一次風(fēng)管爆燃的事故。主要表現(xiàn)：火嘴燒壞，與火嘴連接的一次風(fēng)管發(fā)生振動(dòng)，甚至一次風(fēng)管燒紅而爆裂，煤粉泄漏。出現(xiàn)上述情況，故障停機(jī)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
根據(jù)事故的特點(diǎn)以及該鍋爐燃燒的歷史狀況，初步認(rèn)為，造成一次風(fēng)管爆燃的根本原因是，該鍋爐所燃用的煤種發(fā)生了變化，而由于鍋爐結(jié)構(gòu)的限制，鍋爐運(yùn)行無法根據(jù)煤種的變化作出相應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致煤質(zhì)特性與當(dāng)前爐型及制粉系統(tǒng)不相適應(yīng)，從而產(chǎn)生燒毀噴嘴及一次風(fēng)管爆燃的事故。根據(jù)上述初步分析，有必要首先將該鍋爐目前所用煤種的燃燒特性(尤其是煤的著火特性)研究清楚，為此，本論文將開展如下實(shí)驗(yàn)研究：
(1) 對該鍋爐目前燃用的三種典型煤種進(jìn)行常規(guī)特性分析，主要是煤的工業(yè)分析和元素分析;
(2) 對上述三種煤種進(jìn)行熱失重分析，主要了解其著火燃燒性能;
(3) 在實(shí)驗(yàn)室小型實(shí)驗(yàn)爐(一維爐)進(jìn)行熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步了解上述三種煤的著火性能。
在上述實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行理論分析，提出推薦煤種，指導(dǎo)電廠鍋爐運(yùn)行。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及煤質(zhì)特性
煤質(zhì)特性分析采用的是LECO公司生產(chǎn)的MA-500型工業(yè)分析儀，以及CHNS-600型元素分析儀。
煤的熱重分析(TGA)采用德國NETSCH公司的STA-409熱重分析儀，氣氛為空氣，溫度范圍為0～1 000℃，升溫速率為20℃/min，樣品為煤粉。
熱態(tài)燃燒實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室一維爐上進(jìn)行，一維爐的結(jié)構(gòu)及流程示意圖參見圖1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由給粉機(jī)、燃燒器、燃燒室、尾部煙道、煙氣凈化裝置及煙囟組成，燃燒器為同心套管直流燃燒器，內(nèi)管為一次風(fēng)口，外管為頂二次風(fēng)口，燃燒室側(cè)面布置三層二次風(fēng)口。燃燒室由6段爐體組成，每段爐體上布置有取樣孔及熱電偶溫度測點(diǎn)。通過改變給粉機(jī)的振動(dòng)頻率來改變給粉量，給粉量可在1～3 kg/h范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)整，以適應(yīng)不同工況、不同煤種的實(shí)驗(yàn)要求。燃燒室的溫度由敷在保溫磚上的耐高溫電阻絲加熱維持，實(shí)驗(yàn)過程中由控制盤上程序自動(dòng)控制加熱溫度。在爐體的每個(gè)取樣孔及燃燒室尾部均可抽取煙氣進(jìn)行煙氣分析，并可獲取固體灰樣，考察其燃盡性能。1) 各燃燒工況下爐內(nèi)氣相溫度分布各不相同，對于煤1和煤3，在700、800℃ 爐溫下，其爐內(nèi)氣相溫度分布趨于平坦，雖然有放熱反應(yīng)發(fā)生，但不明顯，當(dāng)爐溫控制在900、1 000℃時(shí)，才有明顯的燃燒放熱曲線;對于煤2，在的實(shí)驗(yàn)爐溫下,都呈現(xiàn)明顯的燃燒放熱過程，說明煤2較煤1和煤3有著較好的著火性能。
(2) 各燃燒工況下爐內(nèi)氣相溫度各不相同，由高到低排序?yàn)槊?煤3煤1，說明在同樣的外部條件下，煤2更容易著火燃燒。
(3) 不同煤種不同加熱溫度的燃盡性能以飛灰含碳量表示，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5看出，爐溫越高，燃燒室出口的飛灰含碳量越小;在相同的爐溫、相同的停留時(shí)間及配風(fēng)工況下，燃用煤2時(shí)，其爐膛出口飛灰含碳量較低，說明煤2著火及燃燒性能明顯優(yōu)于其它兩種煤。
(4) 上述分析表明，煤2著火點(diǎn)明顯低于其它兩種煤，著火性能，考慮到該鍋爐一次風(fēng)管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行情況，為防止一次風(fēng)管爆燃的頻繁發(fā)生，在該鍋爐選用煤種時(shí)，建議不選用煤2，優(yōu)先燃用煤1，慎用煤3，如燃用煤2，必須同時(shí)實(shí)施其它防爆燃措施。
4 結(jié)束語
本文從煤粉著火燃燒的角度出發(fā)，采用實(shí)驗(yàn)的方法，分析了三煤種的著火性能,為預(yù)防一次風(fēng)管爆燃，提出了建議采用的煤種。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，為徹底解決一次風(fēng)管的爆燃問題，除了燃用優(yōu)化煤種以外，還有以下幾個(gè)方面需要考慮：
(1) 合適的煤粉細(xì)度;
(2) 恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)粉比(煤粉濃度);
(3) 適宜的一次風(fēng)溫度;
(4) 合適的一次風(fēng)速，避免一次風(fēng)管道內(nèi)煤粉沉積，同時(shí)避免噴口處產(chǎn)生回火;
(5) 適當(dāng)控制一次風(fēng)中的氧濃度等。
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