在劣质煤条件下提高锅炉运行安全性和经济性的措施1安徽电科院.docx
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在劣质煤条件下提高锅炉运行安全性和经济性的措施1安徽电科院
安徽省火电厂燃烧技术
锅炉效率分析研讨会交流资料
安徽省电力科学研究院
安徽省电机工程学会
二零零五年十月
影响锅炉运行安全性和经济性的因素及解决措施
一、前言
自2001年底以来,我国煤炭供应开始紧张,煤炭价格持续上涨,导致以前煤炭价格低迷时无开采价值的低质量煤炭也有了开采价值,燃煤市场变成卖方市场,火电厂不得不购入这些低质量煤炭,各火电厂的煤炭来源更加多样化,至今煤炭质量下降的局面毫无改观,从目前的形势来看,这种局面在今后相当长的一段时期内仍将持续。
我们知道每台锅炉都有一个设计煤种,锅炉的重要参数如炉膛断面热负荷、燃烧器区域壁面热负荷、炉膛出口温度以及受热面的布置等都是根据一定范围内的煤种来设计的,当煤种改变时必然使锅炉运行参数如汽温特性以及其他参数发生变化,例于当燃煤的挥发分远低于设计挥发分时,将带来锅炉熄火事故,而当燃煤的挥发分远高于设计挥发分时,将带来燃烧器喷嘴烧损以及燃烧器区域受热面严重结渣等问题,而且挥发分大幅度的变化还引起汽温特性的变化造成锅炉的汽温达不到设计参数或者减温水大幅度增加,这些都将导致机组的经济性下降。
燃煤质量的下降以及燃煤来源的多样性给机组的运行调整带来很大的困难,在燃用劣质煤条件下如何提高锅炉运行安全性和经济性是每个电厂都必须面对的问题。
二、煤的燃烧特性
煤的燃烧分为着火、燃烧和燃烬三个过程,其中着火和燃烬对火力发电厂锅炉的安全、经济运行尤为重要。
燃用燃烧性能差的煤的锅炉会发生火焰稳定性差、经济性下降等问题;而对着火性能优良的煤种,则可能烧损设备、发生煤粉爆炸等事故。
因此,掌握煤的燃烧特性对火力发电厂是非常有用的。
目前国内外有关研究机构除采用煤的常规分析指标及有针对性的特种指标(如热重分析指标等)来反映煤的燃烧特性外,还建立了相应的煤燃烧试验台架(如一维试验炉、小型试验锅炉等)来模拟煤在实际锅炉中的燃烧情况,以求表现煤在燃烧过程中的真实特性。
安徽电科院结合自身工作的性质并参考国内有关科研机构的经验,建立了煤的燃烧特性实验室,以热重分析作为分析煤的燃烧特性的手段,其分析结果较好的反映了煤的燃烧特性。
1.煤的常规分析指标
原煤由可燃质、不可燃的矿物质(灰分)和水分组成。
煤的常规分析指标即煤的工业分析和元素分析,煤的元素分析指标为碳、氢、氧、氮、硫以及水分、灰分,煤的工业分析指标为挥发分、固定碳以及灰分、水分。
煤种的划分主要以挥发分为依据。
①碳
碳是煤中的主要可燃元素,在煤的形成过程中,随着年代的增长,一些不稳定的成分逐渐析出,而碳的含碳量逐渐增加,这就是煤的炭化过程。
随着碳化程度的深浅不同,原煤可燃质中碳的含量在93~97%(无烟煤)到50~60%(泥煤)范围内变化。
煤的炭化程度越高,碳的含量越多。
煤中的碳主要是以和氢、氧等元素组成的有机物的状况存在。
炭化程度高的煤中也存在结晶状的碳。
纯碳是难以燃烧的,炭化程度较高的煤着火和燃烧均较困难。
②氢
煤中含氢量一般为2~6%,氢主要以各种类型的碳氢化合物状态存在,这些物质在煤受热时易裂解析出,同时也易着火和燃烧。
炭化程度越高的煤含氢量越低,反之煤中含氢量越高。
③氧
煤中的氧是有机废物,它的存在使可燃质中碳和氢的含量相对减少,此外,由于氧使煤的可燃质中部分元素(如碳和氢)氧化,使煤燃烧时放出的热量减少。
一般碳化程度较浅的煤含氧量较多,碳化程度较高的煤含氧量则较低,无烟煤的含氧量约1~3%。
④氮
氮是煤可燃质中的废物,其含量很少,一般情况下氮不氧化,而是以自由状态(N2)转入烟气中,但是在高温下,部分氮可形成NOx,形成对大气的污染物。
⑤硫
硫是煤中的有害物质,通常以三种形态存在,即存在于有机物中的有机硫、黄硫铁矿和硫酸盐硫。
前两种包括在煤的可燃质中,参与燃烧,放出少量的热量,因而和称为可燃硫。
后者存在于灰分中,不参与燃烧。
三者共称为全硫。
可燃硫的存在给锅炉运行带来一系列危害,如造成低温区受热面烟气侧的腐蚀、积灰等,并造成严重的大气污染。
⑥挥发分
众所周知,挥发分是判断煤碳化程度的一个主要指标,也是评定煤着火、燃烧性能的主要指标。
一般以干燥无灰基挥发分即Vdaf来大致反映煤的着火、燃烧性能,Vdaf越大,煤的着火温度越低。
目前国内外通用的燃烧性能指标仍为挥发分数据,表一列出了各国挥发分测定所采用的标准。
表一、各国测定挥发分产率的主要条件
国别
坩埚材料
炉型
测定温度(℃)
加热时间(min)
国际标准(ISO)
石英
马弗炉
900±10
7
英国
石英
马弗炉
900±5
7
美国
铂
马弗炉
950±20
7
日本
铂
马弗炉、管式炉
950±20
7
德国
石英
马弗炉、管式炉
900
7
原苏联
瓷或石英
马弗炉
850±10
7
中国
瓷
马弗炉
900±10
7
我国燃煤挥发分与火电厂锅炉的固体未燃烬损失的数据统计表明,挥发分与电厂实际运行经济性有十分明显的关系性。
2.煤的热重分析
尽管到目前为止Vdaf仍然是世界上通用的煤燃烧性能指标,并且使用非常方便,但是准确性不高,主要原因是挥发分的成分不同对煤的燃烧性能影响很大,尤其是高灰分含量煤,其灰分中某些矿物质热解所产生的不可燃的气态物质也计入到挥发分中,如灰分中的碳酸盐在高温下会分解出CO2、某些矿物质中的结晶水在高温下会以水蒸汽的形态逸出,结果这些成分不仅使挥发分虚高,而且对煤的燃烧不利。
特别对低挥发分煤来说,尤其是无烟煤,煤的燃烧性能在很大程度上取决于碳的反映能力,同时由于煤炭市场是卖方市场,电厂煤炭来源很广,有时来煤不是单一煤种而是混煤,但是混煤的燃烧特性具有很大的不确定度,仅以挥发分等常规指标难以准确地反映煤的燃烧特性,因此,安徽电科院结合自身工作的特性以及参考国外的经验,建立以热重分析来分析煤的燃烧特性的燃烧实验室。
热重分析是一种非常规的煤燃烧特性分析方法。
该方法是将少量(若干毫克)有代表性的煤粉置于热天平机构的坩埚内,坩埚周围通空气或氧气保持固定的环境气氛,按规定的温升速度(一般在10~100℃/min,取决于仪器)在静态条件下加热试样。
随着温度的升高,试样中可燃物不断被氧化,导致重量不断变化,最后到燃烬为止。
并通过软件或记录仪记录了试样随温度的失重过程,生成一条随温度变化的失重曲线,该曲线的形状和在温度坐标上的位置因煤的可燃性而异,可以反映出煤的燃烧特性。
但是热重分析显示的是煤样在坩埚中静止状态下被缓慢加热的反映特征,与煤粉实际燃烧条件相差甚远,当然一维火焰炉或小型试验炉可以完全模拟煤粉在实际锅炉中的燃烧过程,但是试验设备庞大,需要较多的试验人员,并且需要的煤样为数百公斤至数吨,非常的不方便。
因此在建立燃烧实验室前,我们进行了详细的调研工作,重点放在煤的热重分析指标是否与煤在实际锅炉的燃烧情况相符上。
我们主要对以煤分析为主的有关科研机构的热天平使用情况进行了调研,表二是调研的有关情况。
表二、有关科研机构热天平使用情况
单位
热天平生成厂家
仪器型号
仪器价值
分析结果是否与实际锅炉相符
山东电科院
北京光学仪器厂
WCT-2
14万人民币
未开展试验
西安热工研究院
北京光学仪器厂
4.1型
25万人民币
较差
华东电力试验研究院
法国SETARAM
SETSYS18
约4万美圆
较差
浙江大学热能工程研究所
德国NETCSCH
STA449C
约9万美圆
好
东南大学热能工程研究所
法国SETARAM
SETSYS24
约6万美圆
较差
华东电力试验研究院还购买了一维火焰试验炉,而西安热工研究院、浙江大学热能工程研究所、东南大学热能工程研究所不仅配有一维火焰试验炉,还有小型煤粉试验炉用于开展煤燃烧特性研究。
在西安热工研究院调研时,西安热工研究院煤燃烧特性研究所专家告诉我们热天平所分析的煤燃烧特性与煤在实际锅炉上的表现相差较大,而一维火焰炉能准确地反映煤燃烧特性。
而浙江大学热能工程研究所煤燃烧利用研究室专家告诉我们他们的热天平所分析的煤燃烧特性与煤在一维火焰炉所表现的燃烧特性相符好。
为此我们对其所使用的热天平的结构特点进行了分析,结果发现导致这些差异的主要原因是热天平的结果不同造成的。
西安热工研究院和华东电力试验研究院使用的热天平上所带的天平是光学物理天平,而浙江大学热能工程研究所使用的热天平上所带的天平是电子天平,由于天平需要保护气,两者在进、排气方式上有很大的区别。
以下是法国SETARAMSETSYS18型热天平和德国NETCSCHSTA449C热天平的结构简图。
从上图可以看出,法国SETARAMSETSYS18型热天平是上部进气、下部排气,而德国NETCSCHSTA449C型热天平是下部进气、上部排气,这点与实际锅炉相似,这是德国NETCSCHSTA449C型热天平所反映的煤燃烧特性与实际相符的原因。
最终我们选择了德国NETCSCHSTA409PC热天平,其结构与STA449C基本相似,并规范了煤燃烧特性试验条件。
安徽省电科院煤燃烧特性实验室热重分析试验条件:
吹扫气流量N215ml/min
反映气流量O235ml/min
加热速率40℃/min
加热温度范围~1200℃
样品量12mg
样品粒度通过200目或电厂制粉系统所磨制
图三是两种煤样的热重分析曲线和失重率分析曲线,煤种一的Vdaf为17.44%,煤种二的Vdaf为12.30%,从分析结果可以看出,尽管煤样1的Vdaf更高,但其燃烧性能相比更差。
图四是马鞍山电厂所送的某种煤种煤样的分析曲线,电厂反映该煤种的工业分析数据与常用煤种基本相同,燃用该煤种时锅炉的燃烧稳定性也很好,但是飞灰含碳量高达10%以上,从其热重分析图谱可以看出该煤实际上是一种至少由三种燃烧性能相差很大的煤配成的混煤(燃烧分布曲线明显地呈三峰形式),其中一种煤(应为无烟煤)的反应活性很低,其燃烬时间很长,结果造成锅炉的飞灰含碳量很大,显然用常规分析指标难以发现问题,而热重分析能很好地解决该问题。
铜陵发电厂#3炉前期发生了数次熄火事故,锅炉熄火时的煤粉的工业分析显示Vdaf并不低(为18%左右),而该炉以前长期燃用Vdaf为16%左右的煤种也能保持锅炉稳定燃烧,同时锅炉的设备、运行调整方面也无问题,电厂也反映实际燃用煤种的挥发分较低时锅炉燃烧也很稳定,显然用常规分析指标已难以解释锅炉熄火的原因,而热重分析结果(见图五、图六)显示熄火时煤样的燃烧特性很差,尽管其Vdaf为18%左右,但是其燃烧性能与Vdaf为12%的煤种相比相当或更差,远比Vdaf为14.75%的煤种差,是该锅炉所不能适应的。
从这个例子也可以看出,煤种热重分析的结果与其在实际锅炉的燃烧情况能很好地相符。
图七是马鞍山万能达发电有限公司所送的某贫煤、无烟煤以及由这两种煤混制的两种混煤的分析结果,分析结果显示混煤的燃烧性能介于两种单一煤种之间。
由上述例子可以看出,热重分析在电厂安全、经济用煤方面有着常规分析所不能比拟的优点。
3.我国发电煤粉锅炉用煤的分类
目前我国发电煤粉锅炉用煤的分类的标准为国家标准《发电煤粉锅炉用煤技术条件》GB/T7562,见表三,该标准以煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、干基灰分Vd、全水分Mt、干基全硫St,d、灰软化温度ST和哈氏可磨性指数HGI作为主要分类指标,以受到基挥发分Qnet,ar作为辅助分类指标。
表中各特征指标等级的划分是根据实际锅炉燃烧工况参数的大量统计资料和非常规的煤质特性实验室指标数据,并结合经验确定的,其中能够体现煤的燃烧特性的是V、A、M等指标,尤以V最为明显,同时还包括Q,而煤粉制
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