降低锅炉飞灰可燃物含量分析与处理

时间：2024-07-28

辜自立，张磊，刘文韬，窦阳

(华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆 402283)

对于现代化火力发电厂的发电机组，飞灰可燃物含量高不仅影响电厂锅炉运行的经济性，还影响锅炉的安全性，可谓百害而无一利。在火电厂燃煤锅炉中，部分煤粉因各种原因未燃尽，而与飞灰混合，从而使飞灰中含有可燃烧炭粒，这就是飞灰可燃物。飞灰可燃物的含量直接影响锅炉运行的经济性和电厂煤耗，与电厂经营成本息息相关，飞灰可燃物含量每降低1%，锅炉热效率可提高0.3%左右，供电标煤耗可降低0.9～1.2 g/(kW·h)。此外，这项指标还是机组是否能延寿的重要能耗和环保指标[1]。除此之外，飞灰可燃物与粉煤灰质量有着密不可分的关系，对粉煤灰的销售和利润有着决定性影响。当然重中之重是飞灰可燃物对机组安全性的影响，假如飞灰可燃物含量较高，且在尾部烟道或者空预器中堆积，可能引起锅炉尾部烟道和空预器再燃烧，严重情况下甚至会导致机组非正常停运。

本文研究项目为降低重庆华能珞璜电厂一、二期机组飞灰可燃物。

设备基本情况：一期360 MW×2、二期360 MW×2；一、二期锅炉为法国STEIN INDUSTRIE公司生产的360 MW发电机组配套锅炉，设计燃用松藻无烟煤，亚临界、中间再热、强制循环、双拱炉膛、固态排渣、燃煤汽包炉，采用“W”火焰燃烧方式。一台炉配两套普通钢球磨仓储式制粉系统。

1 影响飞灰可燃物含量的理论因素及分析

1.1 煤种煤质

我国煤种大致分为无烟煤、烟煤、褐煤，一般来说，这3种煤含碳量由高到低，挥发分和水分由低到高[2]。为了减少飞灰可燃物含量，就要让煤粉在炉膛里充分燃烧，而煤粉的挥发分含量是煤粉从着火到完全燃烧的重要因素。挥发分是煤粉中析出的可燃气体，易于着火，为煤粉中固定碳的引燃提供了良好的化学条件。挥发分从煤粉内部析出的同时，会在煤粉颗粒上形成许多孔隙，这些孔隙增加了煤粉颗粒与助燃空气的接触面积，为煤粉中固定碳的后期燃尽又提供了良好的物理条件。相反，炭化程度高的煤虽然含碳量高，总体热值也高，但是挥发分含量普遍低，且不易引燃着火，再加上固定碳高需要完全燃烧的时间更长，更容易造成飞灰可燃物含量高。对于水分高的煤种，总体发热量会因为水分的吸热而在实际中大打折扣，煤粉相对发热量减小，使炉膛温度降低，延长了煤粉着火时间，相对就减少了煤粉在炉膛内燃烧和停留的时间，不利于煤粉在炉内的充分燃烧。煤种灰分高也对煤粉燃烧不利，高灰分煤的实际发热量小，理论上的燃烧炉内温度低，灰分不仅不能燃烧，而且会在煤粉颗粒燃烧过程中在其表面上形成灰分外壳，阻碍煤粉颗粒与氧气接触，造成煤粉不能充分燃尽。

结合珞璜电厂煤种分析，一、二期锅炉设计煤种为松藻无烟煤，挥发分9.31%，硫分4.02%，灰分30.45%，低位热量21.604 MJ/kg。由于燃用高硫无烟煤，机组投产以来一直存在着排烟温度高、飞灰含碳量高(相对烟煤炉)的问题，因而锅炉效率相比燃用烟煤的机组偏低 2～3 个百分点。所以目前该厂采用烟煤掺烧的方法，利用合理配煤有效降低灰分可燃物含量。

1.2 煤粉细度

煤粉越细越容易被完全燃烧。首先煤粉越细单位质量的煤粉表面积越大，煤粉与空气接触面积就越大，挥发分从煤粉颗粒中析出的速度会更快，煤粉着火速度也增快，而且煤粉越细扩散能力越强，随着炉膛空气动力场更容易被裹入炉膛火焰中心充分燃烧[2]。除此之外，煤粉越细，则每颗煤粉含碳量相对粗煤粉低，能在相同时间内更快燃尽，颗粒外面的焦炭燃烧后，不易形成产生较大扩散阻力的灰壳。由上述分析得出，煤粉越细，飞灰可燃物含量会越低，但从电厂经济性来讲并不是煤粉越细越好，因为把煤磨得越细则所需的制粉电耗就会增加，球磨机钢球的损耗也会增加。理论上讲，在锅炉运行中应综合考虑不完全燃烧损失和制粉单耗，使二者达到最小，即寻找煤粉经济细度，以保证较高的锅炉效率和较低的飞灰可燃物含量。

珞璜电厂一、二期制粉系统为钢球磨，中间储仓式系统，其中干燥介质为热烟气，调温介质为热二次风和冷风，排粉机出口的乏气，一部分进入磨煤机出口进行再循环，另一部分经乏气风机送入炉膛燃烧。制粉系统的流程示意图见图1。

图1 制粉系统的流程示意图

提高煤粉细度方法：1)减小给煤机给煤量，减小乏气量，给煤量与乏气风量相匹配，压着磨煤；2)适当关小排粉机再循环；3)调整粗粉分离器中百叶窗开度；4)通过试验选用合适的钢球数量和钢球质量。

由于珞璜电厂为调峰电厂，有时甚至需要启停调峰，所以该厂实际煤粉细度除了受到制粉电耗和钢球消耗问题的限制，还要考虑负荷变化问题。比如负荷突升，当前制粉速率能不能维持粉位，交接班粉位能不能达标；低负荷时制粉系统持续运行，乏气风带粉严重。所以在真实运行中，没有一个固定的煤粉经济细度，应根据不同负荷试验出不同煤粉经济细度和参数调整方法。

1.3 锅炉负荷

在机组低负荷运行时，锅炉总燃料量低，锅炉热负荷低，炉膛温度整体偏低，这样对煤粉中挥发分析出不利；一、二次风量偏低，风力较弱，炉膛空气动力场减弱，不利于煤粉卷入炉膛中心燃烧，不利于煤粉着火，以至于影响后面整个燃烧过程，从而导致灰飞可燃物含量增加。

机组在高负荷运行时，总燃料量高，锅炉热负荷高，炉膛温度整体偏高，有利于煤粉挥发分析出；总风量高，风力较强，炉膛空气动力场变强，有利于煤粉卷入炉膛中心燃烧。虽然总风量大，会使煤粉颗粒在炉膛内停留时间缩短，但是综合来看，高负荷相对于低负荷更利于煤粉的燃尽，从而降低飞灰可燃物含量。

从实际来讲，珞璜电厂要通过锅炉负荷来控制飞灰可燃物含量并不现实，作为调峰电厂，锅炉负荷受电网调度调控，夏季负荷、冬季负荷，甚至一天中早晚的负荷变化大，不可能把机组负荷一直控制在降低飞灰可燃物含量的最佳负荷，所以想通过控制锅炉负荷来调节飞灰可燃物的含量，对于珞璜电厂是行不通的。

1.4 过量空气系数

为了使燃料在炉内完全燃烧，减小不完全燃烧热损失，实际送入炉内的空气量要比理论空气量大一些，这个空气量叫实际供给空气量，其与理论空气量的比值称为过量空气系数[2]。由此可以看出，过量空气越大，炉膛氧量越大，越有利于煤粉的充分燃烧，从而降低飞灰可燃物含量。但并不是过量空气系数越大越好，过量空气系数过大，总风量就越大，炉膛温度就会降低，不利于煤粉燃烧；总风量越大，导致风速越快，煤粉在炉膛停留时间减少，不利于燃烧。还有，过量空气系数大不利于NOx排放的控制，机组为了控制NOx的排放会大量喷氨[1]。这样不仅导致液氨耗量增大，还加大了空预器堵塞的危险。

珞璜电厂在运行低氮改造以后，由于炉膛需要“贫氧燃烧”，所以飞灰可燃物相对于之前偏高。对此该厂通过控制合理的过量空气系数，找到最佳过量空气系数来降低飞灰可燃物含量。合理优化低氮燃烧，优化分级燃烧状态。增加锅炉负荷时，应遵循先增加风量后增加粉量的调整原则，防止炉内短时缺氧燃烧。在正常锅炉负荷下，调整气压时，应均匀地增减各给粉机的转速和粉量，避免切投部分给粉机进行调整。

1.5 配风方式与炉内空气动力场

在保证一、二次风良好汇合的条件下，只有合理分配一、二次风的风量，才能组织良好的燃烧过程。一次风速不能过大，若风速过大，其中的大颗粒可能因为动能过大而穿过燃烧区不能燃尽，造成飞灰可燃物含量增加；风速太小会使气流无刚性，造成偏转，破坏炉内动力场，并且使其卷吸高温烟气的能力下降，这都会造成不完全燃烧[2]。此外，风速太低还有可能造成堵管。

炉内保证良好的空气动力场，不仅可以加强高温烟气回流，强化煤粉气流的加热，而且还可以使煤粉和空气良好混合，保证煤粉的充分燃烧。这不仅对着火后的燃烧阶段非常重要，而且对燃尽阶段也很重要。因为在燃尽阶段，可燃质和氧气的含量已减少，而且煤粉表面可能包裹有一层灰渣，通过加强混合扰动，可增加煤粉和空气的接触面积，有利于煤粉的完全燃烧，降低飞灰可燃物含量。

结合珞璜电厂实际，根据机组实际情况合理调整二次风A排、B排，燃尽风的开度，既要使炉膛中心有充足的助燃空气，也要向尾部燃烧提供足够氧气，并保证炉膛内合理的空气动力场。全面调整使所有给粉机一次风气动挡板就地真实开度为100%，保证喷入炉膛时一次风压足够。

1.6 热风温度

热一、二次风温直接影响煤粉的着火速度，关系到炉膛温度和煤粉气流的初始温度[3]。机组在相同工况下，提高热风温度可以提高煤粉气流温度，炉膛温度受到冲击相对较小，减少了煤粉着火所需的着火热，加快了着火进程，为燃烧阶段增加了时间，从而降低了飞灰可燃物含量。相反，假如热风温度降低，煤粉气流温度低，炉膛温度受到冲击大，炉膛温度降低，增加煤粉着火热，使煤粉着火时间加长不利于煤粉燃尽，使得飞灰可燃物含量增加。

目前，提高一、二次风温的方法就是通过空预器对一、二次风加热，但是空预器加热是有限的，因为不能使排烟温度降得太低，不然会使空预器表面受到低温腐蚀，进而发生堵塞，还会影响脱硫浆液品质。因此，珞璜电厂新增了WGGH系统，其中包括了一、二次风暖风器，通过热媒水在烟气和辅汽加热器中吸热来加热一、二次风，从而提高一、二次风温。

1.7 燃烧工况

炉膛温度和火焰中心的变化，改变了煤粉燃烧的外部条件，必然对飞灰可燃物产生影响。当炉温较低、火焰中心抬高时，煤粉燃尽程度差，飞灰可燃物含量将增加；当炉温较高、火焰中心适宜时，飞灰可燃物含量将降低[3]。

结合珞璜电厂实际，在保证气温不低和冷灰斗温度不高的前提下，向下调整下三次风，使炉膛火焰中心向下移动，让煤粉颗粒在炉膛内停留时间更长，使其充分燃烧。炉底漏风会导致炉膛温度降低，火焰中心上移，所以须加强炉底渣水系统的检查巡视，发现炉低漏风并及时向炉底水封补水。炉膛内敷设卫燃带，提高炉膛温度。

2 珞璜电厂一、二期状态飞灰可燃物情况

珞璜电厂2017—2020年各炉飞灰可燃物统计见表1和图2。

表1 各炉飞灰可燃物统计 %

图2 锅炉飞灰可燃物对比图

从表1和图1数据可以看出。

1)2019年，低氮改造后的飞灰可燃物含量持续偏高的1#、3#炉得到了有效控制，1#、3#炉飞灰可燃物含量同比分别下降了1.69%、0.62%，均已降至4%以内；4#炉同比基本持平，处于良好状态；2#炉飞灰可燃物含量未出现降低，持续偏高，同比上升0.39%。

2)2020年一季度飞灰可燃物对比2019年，1#、3#炉飞灰可燃物含量分别稳步下降0.32%、0.17%；2#炉仍旧持续偏高，上升0.1%。

3 珞璜电厂一、二期飞灰可燃物实际分析

珞璜电厂2018—2020年月度各炉飞灰可燃物统计见表2。

表2 2018—2020年月度各炉飞灰可燃物统计 %

表2 (续)

3.1 一期锅炉飞灰可燃物

2018—2020年3月，一期各炉煤粉细度、飞灰可燃物趋势，见图3至图5。

图3 一期煤粉细度月度趋势

图4 一期飞灰可燃物月度趋势

图5 一期锅炉飞灰、烧矢量对比图

通过图3至图5分析得到以下几点情况。

1)1#炉煤粉细度一直处于稳定水平，R90在10%～14%，低氮改造后飞灰可燃物含量为6%左右，2018年10月C修后，对制粉系统进行治理、粉管一次风调平(西热)，飞灰可燃物含量下降，但也不稳定，在3%～5%波动[4]。

2)2#炉进行飞灰低氮改造后，飞灰可燃物含量长期在4%～6%波动。2019年1月开始，制粉系统漏风逐渐增大，制粉出力下降，煤粉细度大幅上升，导致飞灰可燃物含量上升，2019年9月C修前，煤粉细度R90达到22.5%，飞灰可燃物含量最高升至6.64%。C修中对制粉系统漏风彻底治理，粉管一次风调平(热态还没做)后，B磨筛钢球(但未更换钢球)，飞灰可燃物含量下降至5%左右。

一期锅炉飞灰可燃物含量高，主要还是设计原因，即燃烧器存在缺陷。低氮燃烧器改造后，1#、2#炉火焰中心一直偏高且不可调整，造成燃烧延后，飞灰可燃物含量一直偏高，同时还有减温水量大、NOx也偏高的问题，2#炉尤为严重。低氮改造后，烟台龙源调试人员进行初期调整时，收效甚微，后直接放弃调整，1#、2#炉飞灰可燃物含量长期在4%～6%波动。旋流燃烧器变直流后锅炉有稳定性差、抗干扰能力弱的隐患。后续经西热燃烧调整，恢复旋流燃烧器二次风角度15～25°，燃烧稳定性增强，但飞灰可燃物含量更不好调整了。