制粉系统改造可行性研究

III内蒙古电厂内蒙古电厂一期锅炉制粉系统改造可行性研究内蒙古电厂内蒙古电厂二○一四年十一月

目录前言 11.设备介绍 11.1锅炉本体简介 11.2制粉系统简介 22.褐煤及燃用褐煤锅炉特点 42.1褐煤特点 42.1.1着火和燃尽特性 42.1.2结渣及沾污特性 42.1.4折算成分 42.2褐煤锅炉的特点 43.燃用褐煤的关键技术问题 53.1制粉系统的防爆 53.2制粉系统的干燥出力 64.实际运行中存在的问题及原因分析 64.1制粉系统目前存在的问题 64.2原因简析 64.2.1磨煤机出力 64.2.2干燥出力偏低 75.改造原则 86.改造方案 96.1改造的基本技术路线 96.2抽取高温炉烟 97.制粉系统改造的计算 117.1主要参数的影响和选取 117.1.1煤粉水分 117.1.2高温烟气的参数 117.1.4制粉系统终端温度 117.1.5磨煤机碾磨出力 117.2制粉系统热力计算 128．抽取高温烟气的优点 138.1满足干燥和防爆要求 138.2改造管道阻力小 138.3调节灵活 138.4有助于降低NOx排放浓度 138.5改造成本较低 139．改造投资估算 1410.结论 14PAGE14前言内蒙古电厂1号机组锅炉为俄罗斯制造的500MW超临界直流锅炉，配8台风扇磨，燃用伊敏本地褐煤。机组投产至今出现了机组在中低负荷运行时干燥出力不足的问题，不仅造成了一定的环境污染，限制了机组带负荷能力，还可能带来制粉系统的重大安全隐患。1.设备介绍1.1锅炉本体简介内蒙古电厂1号机组锅炉为俄罗斯制造的500MW超临界直流锅炉，型号为∏n-1650-25-545BT。锅炉为单炉体，全悬吊，T型结构，燃用伊敏本地褐煤。锅炉采用风扇磨直吹式制粉系统、八角喷燃切圆燃烧、平衡通风，两台轴流式送风机从锅炉炉顶取风，经暖风器后和热风再循环风机来的热风混合加热至50℃以上，送入空气预热器将其加热到305℃后进入空预器出口风道。锅炉主要热力参数表1-1。表1-1锅炉参数表项目单位100%负荷70%负荷60%负荷额定蒸发量t/h16501155990再热器蒸汽流量t/h1357950815主蒸汽温度℃545545545主蒸汽压力MPa2524.224再热汽入口压力MPa4.162.922.49再热汽出口压力MPa3.922.82.41再热汽入口温度℃295267262再热汽出口温度℃545545545给水温度℃271248240暖风器后风温℃303030空预器入口风温℃606060空预器出口风温℃305282279排烟温度℃153146147保证效率%89.5//计算热效率%90.0890.388.9锅炉理论空气量Nm3/kg3.13.13.11.2制粉系统简介锅炉采用风扇磨煤机直吹式制粉系统，配8台MB3400/900-490型磨煤机，磨煤机布置在锅炉四周，每台磨煤机供给四个煤粉燃烧器。在磨煤机出口装有惯性分离器，用以调节磨煤机出口的煤粉细度，在磨煤机惯性分离器后装有可调节旋流式煤粉分配器，通过调节分配器叶片角度来调节各层煤粉燃烧器的煤粉浓度。给煤机是复合式给煤机，由刮板式配料器和输送机组成。制粉系统的干燥剂由热空气、热烟气和冷烟气组成，设计热风温度为307℃，热烟气温度为719℃。该磨煤机叶轮直径为3400mm，冲击板宽度900mm，工作转速490转/分，配套电机电压6000V，功率1000kw。磨煤机保证出力77t/h，煤粉细度R90=55~60%，R1000≤2%。磨煤机设备特性参数见表1-2。表1-2磨煤机主要参数表项目单位备注1型号MB-3400/900/4902数量台8每台锅炉3T/h4额定转数4956磨煤机通风量M3/h出口温度120℃磨煤机出口全压KPa78煤粉细度R90R1000〈2%9叶轮直径mm340010叶轮重量T1311打击板宽度mm90012打击板高度mm49013磨煤机入口温度℃〈49014磨煤机出口温度℃120-20015磨煤机轴封风量M3/h300016落煤管密封风量M3/h600017电机型号Aдот-1000/6000-1218电机功率Kw100019电机电压Kv620电机电流A135.221电机转数495锅炉燃用伊敏露天矿褐煤，设计煤种及校核煤种均为高水分褐煤，具体煤质资料及灰分析资料见表表1-3。表1-3设计燃煤特性名称符号单位设计煤种上限煤种下限煤种收到基碳份Car%36.8936.0432.77收到基氢份Har%1.782.131.94收到基氧份Oar%11.3411.7510.71收到基氮份Nar%0.380.360.33收到基硫份Sar%0.400.170.12收到基灰份Aar%9.810.5514.13收到基水份Mar%39.4139.0040.00空气干燥基水份Mad%11.1013.999.13干燥无灰基挥发份Vdaf%4544.3044.30低位发热量Qnet,ar(kcal/kg)281529582635可磨性系数HGI-77.881.566磨损指数AImg/kg2321.528灰成份分析表名称符号单位设计煤种校核煤种二氧化硅SiO2%26.2829.60三氧化二铝Al2O3%22.7721.0三氧化二铁Fe2O3%6.328.28二氧化钛TiO2%0.850.78三氧化硫SO3%6.249.21氧化钙CaO%13.327.32氧化镁MgO%2.701.98氧化钾K2O%1.682.04氧化钠Na2O%0.390.68二氧化锰MnO2%0.150.132.褐煤及燃用褐煤锅炉特点2.1褐煤特点我国褐煤已探明储量在1200亿吨以上，主要分布在东北地区和云南省。褐煤是煤炭资源中行程时间较短的煤种，其特点是含碳量低，干燥无灰基挥发分很高，其Vdaf＞35%，故极易自然；又因水分、灰分以及含氧量较高，因而发热量相对较低，多数褐煤的收到基低位发热量Qnet,ar大致为11000～15000kJ/kg。褐煤在大气中容易失去水分和机械强度，变成碎屑状。2.1.1着火和燃尽特性煤质的着火特性不仅取决于挥发分的含量，而且取决于挥发分的发热量或氢含量，由于褐煤挥发分含量较高，有利于着火。另外，褐煤的灰分含量略高于艳梅，而挥发分含量却高出典型烟煤近一倍，非常有利于煤的燃尽。同时，褐煤煤粉内部水分高，煤粉粒子受热后内部水分蒸发，有利于增强煤粉粒子内部的加热过程和增加焦炭粒子内部与氧接触的面积，促使煤的燃尽。2.1.2结渣及沾污特性褐煤的变形温度和软化温度均较低，实际燃烧时很容易结焦，从表2-1中可以看出褐煤属于强结渣煤种，因而褐煤燃烧中关键是要解决由于灰熔融温度低而引起的燃烧结渣问题。另外，从煤灰沾污程度来看，褐煤灰极易在高温受热面上沾污。2.1.3磨损性煤的磨损指数是指煤在研磨的过程中，煤对研磨设备的研磨部件磨损的强烈程度。褐煤的磨损指数一般可达4～7，属于极强的范围。2.1.4折算成分褐煤的折算水分为8.01%～11.81%，折算灰分为5.80%～12.81%，可见，褐煤的水分和灰分都很高。2.2褐煤锅炉的特点东北地区200MW～300MW的褐煤锅炉较多，除了伊敏发电厂两台和元宝山发电厂两台为进口锅炉外，其他为哈尔滨锅炉厂制造。表2-1为东北地区部分褐煤锅炉设计煤质分析数据。对于燃用褐煤的锅炉，其区别于燃用其他煤种锅炉主要表现在制粉系统等方面。表2-1东北地区部分褐煤锅炉设计煤质分析项目单位结果元宝山3号元宝山4号通辽1～4号富拉尔基1～6号机组容量MW600300200200锅炉容量t/h/h20082021670670磨煤机形式--中速磨风扇磨风扇磨风扇磨煤种--元宝山褐煤霍林河褐煤霍林河褐煤扎赉诺尔褐煤全水分%25.2828.6524.0034.63空气干燥基水分%--11.47--11.88收到基灰分%26.3927.4932.8817.02干燥无灰基挥发分%43.8448.3746.7743.75收到基碳%36.3031.5731.3034.65收到基氢%2.342.222.162.34收到基氮%0.470.570.560.57收到基氧%8.519.078.8210.48全硫%0.700.430.280.31收到基低位发热量kJ/kg13207113041130412280由于褐煤的高水分、易燃尽、易爆炸等特点，燃用褐煤的锅炉通常采用中速直吹式制粉系统或者风扇磨直吹式制粉系统。而对于Mar＞30%的褐煤，如选用风扇磨煤机炉烟干燥直吹式系统时，宜优先采用热炉烟和热风二介质干燥系统，来提高制粉系统的干燥出力；如果制粉系统氧量无法满足防爆要求，则采用热炉烟、热风和冷炉烟三介质干燥系统，以此来防止制粉系统爆炸的发生。3.燃用褐煤的关键技术问题内蒙古电厂1号锅炉燃用褐煤时主要面临着以下两个方面的关键性技术问题。着两个关键技术问题若得不到有效解决，根本无法保证燃用褐煤时人身和设备的安全，更谈不上锅炉的经济运行。3.1制粉系统的防爆制粉系统的安全稳定运行，是燃用褐煤工作的重点。内蒙古电厂1号锅炉制粉系统原设计采用以热风和热炉烟为主，用冷烟气调节的三介质系统，设计热风温度为307℃，热烟气温度为719℃。实际运行时热烟气温度只有656℃，为了保证干燥出力，将热风和冷烟气停用，仅用热烟气做干燥剂。但是，在中低负荷运行时，干燥剂温度仍然偏低，不能完全有效干燥煤粉里的水分。3.2制粉系统的干燥出力内蒙古电厂1号锅炉制粉系统目前采用热炉烟（656℃）作为干燥介质，能够满足高负荷时制粉系统的干燥和防爆能力。但是，在中低负荷时运行时，现有的干燥介质提供的输入热量已很难满足制粉系统需要的干燥能力，这势必会降低制粉系统出力，进而影响机组的出力。4.实际运行中存在的问题及原因分析4.1制粉系统目前存在的问题锅炉在380MW～420MW负荷，六台磨运行，NOx排放浓度较高，六台磨运行NOx排放浓度为255～275mg/m3，五台磨运行，NOx排放浓度为205mg/m3。通过对比400MW负荷时投运6台磨煤机与380MW负荷时5台磨煤机工况可见，400MW～420MW负荷区段在现有煤质条件下，在保证磨煤机出口温度不低于130℃的前提下，必须投运6台磨，此时磨煤机出力相对均较低，一次风浓度较高，因此SCR进口NOx排放浓度相对360MW～380MW负荷区段略偏高。4.2原因简析4.2.1磨煤机出力煤在磨煤机内被研磨的同时，还受到干燥，故从磨煤与干燥两个条件考虑，磨煤机的出力有两个，即磨煤出力与干燥出力。磨煤出力是指单位时间内，在保证一定煤粉细度条件下，磨煤机所能磨制的原煤量。干燥出力是指单位时间内，磨煤系统能将多少原煤由最初的水分（收到基水分）干燥到煤粉水分。制粉系统要生产一定数量和一定质量的煤粉，并能经济安全地运行，不仅要保证一定的磨煤出力，而且要恰当地选择干燥剂量和温度，把煤干燥到所需要的程度，保证一定的干燥出力。干燥出力与磨煤出力要相适应。如果干燥出力小于磨煤出力，使系统按干燥出力工作，就不能充分利用磨煤机的潜力。要保证磨煤出力，就必须提高干燥出力，即提高干燥剂温度或者增加干燥剂量。如果干燥出力大于磨煤出力，会使磨煤机出口的煤粉温度增高，对输送和储存煤粉不安全，此时要设法降低磨煤机进口铅的干燥剂温度，或者提高磨煤出力，使之与干燥出力相适应。4.2.2干燥出力偏低经过计算，内蒙古电厂1号机组磨煤机的磨煤出力裕度较大，均大于1.5，规程要求大于1.15即可；而目前的关键点是在干燥出力，电厂要求磨煤机出口温度不能小于130℃，五台磨带400MW负荷时，干燥出力不足，出口温度小于130℃；根据《DLT5145-2002>火力发电厂制粉系统设计计算规定要求，各种制粉系统的磨出口最高温度见表4-1。对干燥剂的终端温度下限要求如下：表4-1磨煤机出口最高允许温度tM2℃干燥剂的终端温度t2应高于露点tdp，并且不能低于60℃，终端温度的最低值为：对于贮仓式制粉系统t2min=tdp+5℃对于直吹式制粉系统t2min=tdp+2℃式中：tdp—露点温度，可根据干燥剂的含湿量d2查表4-2得出对应于该含湿量下的露点tdp。表4-2空气含湿量与露点由上表计算可知，采用风扇磨的褐煤炉，干燥剂为烟气+热风，磨煤机出口温度不大于180℃；而最低温度为露点温度+2℃，经过计算，磨煤机出口的露点温度为65℃，因此磨出口温度最低为67℃。因此要保证机组安全运行，改善现有运行问题，从而最大限度发挥磨煤机的潜力，关键在于提高磨煤机的干燥出力，以尽可能匹配磨煤出力。通过以上分析可以看出，内蒙古电厂1号机组所面临的主要问题集中在制粉系统的干燥能力上。因此抽取一部分高温炉烟与现有干燥剂进行混合，是解决此问题的一个有效方法。5.改造原则为了保证1号机组安全稳定运行，对制粉系统进行加装抽取高温炉烟系统的改造必须遵循如下几个原则：（1）制粉系统末端氧量控制在16%以下，满足防爆要求；（2）磨煤机出口风粉温度控制在130℃以上，满足不能负荷条件下磨煤机的干燥能力；（3）最大限度减少改造的工作量和改造的投资成本。6.改造方案6.1改造的基本技术路线根据磨制褐煤的制粉系统设计要点，并且借鉴已改造的制粉系统的设计调试经验，针对内蒙古电厂1号锅炉的具体设备情况提出了抽取高温炉烟与原中温炉烟混合作为干燥介质的技术路线。即从锅炉主燃烧区域上方抽取一部分高温炉烟（约1100℃）与现有中温炉烟（656℃）混合作为1号锅炉制粉系统的干燥介质。改造路线如图6-1所示。图6-1制粉系统改造方案示意图6.2抽取高温炉烟制粉系统中，常用的干燥剂有：空气预热器出口的热空气、温风抽出点的温风、热烟气、冷烟气及冷空气等。此改造方案抽取的是锅炉主燃烧区域上方的高温、低氧的炉烟，利用风扇式磨煤机入口负压和抽取点负压之间的压力差将高温炉烟抽吸到磨煤机入口，来满足目前中低负荷时制粉系统的干燥出力。抽取高温烟气方案见图6-2。图6-2抽取高温烟气与原中温烟气混合作为干燥剂根据现场考察结果，暂定抽烟口位置位于主燃烧区域上方的吹灰器标高位置，抽烟口见图6-3。图6-3抽烟口的现场示意图7.制粉系统改造的计算内蒙古电厂1号锅炉制粉系统改造方案提出以后，下面根据煤质特性、计算结果等对制粉系统和相关设备进行核算，最终确定改造方案的可行性。7.1主要参数的影响和选取7.1.1煤粉水分煤粉水分越高，所需磨煤机的碾磨出力和干燥出力就越大，所需抽取的高温烟气总量也就越多；反之，抽取的烟气量就越少。按低氮改造设计煤种Mt=38-42,Mp.c=7.8进行计算。7.1.2高温烟气的参数根据改造前摸底试验的结果，并为涉及留出一定的裕度，高温烟气在500MW电负荷下取1100℃，过量空气系数为1.24，烟道压力为-200Pa；在400MW电负荷下取1050℃，过量空气系数为1.3，烟道压力为-200Pa；300MW电负荷下取1000℃，过量空气系数为1.35，烟道压力为-200Pa。本次计算按高温烟气温度1000℃选取。7.1.3制粉系统末端氧量褐煤的制粉系统终端氧量规定不高于16%。7.1.4制粉系统终端温度见4.2.2，制粉系统的终端温度t2应介于最低要求67℃和最高限制180℃之间，取目前电厂运行规范中要求的制粉系统终端温度为130℃。加入高温烟气后，假定制粉系统终端温度提高到150℃。7.1.5磨煤机碾磨出力DL/T5145-2002《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》中的相关章节规定：对于风扇磨直吹式制粉系统而言，锅炉装设磨煤机的计算总出力按设计煤种不应小于锅炉最大连续蒸发量时所需耗煤量的115%，按校核煤种也不应小于锅炉最大连续蒸发量时所需耗煤量。所以，1号锅炉燃用褐煤进行制粉系统改造计算时，单台磨煤机的碾磨出力储备系数选取不低于115%。7.2制粉系统热力计算制粉系统计算结果汇总，见表7-1.从下表看出，抽一部分高温炉烟后，磨煤机入口混合烟气温度从656℃提高到736℃，烟气温度提高80℃，磨煤机出口温度可提高20℃；假设烟气速度20m/s,在每个侧墙各开三个取烟孔，半径大小为0.897m。表7-1制粉系统计算结果序号名称单位抽高温烟气前抽高温烟气后抽高温烟气后1锅炉负荷MW5005004002煤粉收到基水份Mt42%42%42%3煤粉水份Mp.c7.8%7.8%7.8%4煤粉低位发热量Qnet.ar10830KJ/KG10830KJ/KG10830KJ/KG5耗煤量Bj444.62t/h444.62t/h356t/h6磨煤机投运数量台7757每台运行磨煤机原煤出力Bm63.5t/h63.5t/h71.2t/h8磨煤机储备系数1.831.531.839磨煤机出口通风量QV287912m3/h287912m3/h287912m3/h磨煤机进出口温度计算10磨煤机进口烟气温度T3℃656假设736假设73611煤粉温度℃20202012磨煤机进口混合温度kg/h61268267714干燥剂初始量g12.13kg/kg2.01kg/kg1.8kg/kg15磨煤机出口温度℃130150148含氧量计算--1.516干燥剂空气中氧容积Vda.o20.1750.1670.15417热烟中氧容积Vhg.o20.0430.0410.03618终端介质中氧容积份额rag2.o27.817.88含氧量O2容积份额不大于12%(褐煤)满足要求满足要求满足要求因此第10项磨煤机进口烟气温度假设736℃无问题。高温烟气量计算19高温炉烟温度T1℃/1000100020中温炉烟温度T2℃65665665621高温炉烟占干燥剂质量份额%0%23%23%22中温炉烟占干燥剂质量份额%100%77%77%23干燥介质的体积V2.d.n2.32Nm3/kg2.