高效分離器研制項目實施情況

    一、基本情況

　　隨著我國能源緊缺和環(huán)境污染問題的日益突出，國家對大氣污染物排放控制提出了更為嚴格的要求，必須進一步降低污染大戶如燃煤發(fā)電、石化、鋼鐵、水泥等行業(yè)的排放強度，提高排放標(biāo)準(zhǔn)。國家能源科技“十二五”規(guī)劃中提出要建成國際一流的火力發(fā)電節(jié)能減排和污染控制技術(shù)研發(fā)中心，研發(fā)掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的火力發(fā)電節(jié)能減排和污染控制及資源化關(guān)鍵技術(shù)，降低現(xiàn)役火電廠能耗水平，使火電排放的污染物得到資源化循環(huán)利用，提高火電廠清潔生產(chǎn)水平。

　　高效細粉分離器研制及示范項目，是中國華電集團科學(xué)技術(shù)研究總院多相流分離技術(shù)中心承擔(dān)的北京市重大科技專項和華電集團重大科技項目。項目主要針對我國日益快速增長的能源消耗和日趨嚴峻的環(huán)保壓力，以及燃煤電廠能耗偏高及污染排放超標(biāo)等現(xiàn)狀，利用科研總院彭維明教授所掌握的先進分離技術(shù)及專利，研發(fā)能源行業(yè)急需升級改造的關(guān)鍵分離技術(shù)設(shè)備，解決燃煤發(fā)電制粉系統(tǒng)分離器高耗低效的現(xiàn)狀，為鍋爐燃燒配送合格的煤粉，提升鍋爐的燃燒效果，有效提高燃煤電廠能源的轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境保護。

　　課題承擔(dān)單位——中國華電集團科學(xué)技術(shù)研究總院隸屬于中國華電集團公司，是集團公司為了進一步適應(yīng)世界能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，貫徹落實中央關(guān)于引進海外高層次人才“千人計劃”的重大決策，實施科技強企戰(zhàn)略，有效整合集團公司內(nèi)部技術(shù)資源，建設(shè)高水平創(chuàng)新團隊，提升集團公司自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，推進集團公司做強做優(yōu)，努力建設(shè)具有國際競爭力的世界一流能源集團的需要而組建的綜合性能源科學(xué)技術(shù)研究單位?？蒲锌傇阂劳袊摇扒擞媱潯睂＜遗砭S明教授積累的雄厚技術(shù)基礎(chǔ)，組建了多相流分離技術(shù)研究團隊，建立了高性能CFD計算中心和多相流分離技術(shù)實驗室，為能源、環(huán)保等行業(yè)研發(fā)、提供先進技術(shù)，促進節(jié)能減排和污染排放控制。

　　在華電集團、北京市科委、華電國際、華電河北分公司及鹿華電廠的大力支持下，以彭維明教授為課題組長的華電科研總院多相流分離技術(shù)團隊，于2013年5月~9月實施了鹿華熱電#2鍋爐A、D制粉系統(tǒng)細粉分離器改造項目示范工程。

　　經(jīng)河北省電力科學(xué)研究院對改造前、后制粉系統(tǒng)性能及鍋爐效率的對比測試表明，示范項目改造后的細粉分離器各項性能指標(biāo)均顯著優(yōu)于國內(nèi)行業(yè)水平，細粉分離器改造后對制粉系統(tǒng)性能、鍋爐熱效率和污染物控制等方面均產(chǎn)生了顯著提升，本項目取得了圓滿成功。

　　二、項目背景

　　目前我國電廠入爐煤質(zhì)普遍呈逐年下滑趨勢，熱值降低、灰分升高、煤質(zhì)難燃盡成為制約鍋爐效率和電廠效益提升的重點難題。電廠實際煤質(zhì)嚴重偏離設(shè)計煤種，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)運行不正常，制粉系統(tǒng)出力下降、制粉單耗大幅增加、煤粉細度整體偏粗、煤粉均勻性下降等問題日漸凸顯。針對制粉系統(tǒng)分離器存在的性能不足和運行安全性等關(guān)鍵問題，科研總院多相流分離技術(shù)研發(fā)中心，基于彭維明教授的具有國際領(lǐng)先水平的核心分離技術(shù)，提出了從細粉分離器到粗粉分離器，再到雙進雙出磨煤機分離器的整套循序改進方案。

　　中儲式制粉系統(tǒng)中的細粉分離器通常采用旋風(fēng)分離技術(shù)。旋風(fēng)分離器廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、鋼鐵、水泥等國家重要行業(yè)和領(lǐng)域。自上世紀六十年代到本世紀初，作為一種傳統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備，旋風(fēng)分離器性能的提升走到了一個瓶頸期，在機理研究和技術(shù)革新方面進展緩慢，成為制約工藝裝備水平和困擾國際研究領(lǐng)域的重大難題。彭維明教授一直致力于探索旋風(fēng)分離技術(shù)的深層物理機制，通過持之以恒的研究從旋風(fēng)分離器流場中的漩渦破碎、斷裂以及漩渦不穩(wěn)定性方面，揭示了科學(xué)界和工業(yè)界長期為之困擾的分離效率瓶頸無法突破的深層次原因，在國際領(lǐng)域和行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)了核心技術(shù)的突破。自2003年至現(xiàn)在，相關(guān)技術(shù)成果已經(jīng)應(yīng)用于挪威、法國、葡萄牙、美國、荷蘭等歐美油氣行業(yè)。

　　河北鹿華熱電有限公司是國內(nèi)具有代表性的、采用中儲式制粉系統(tǒng)的燃煤電廠，裝機容量2×33萬千瓦，燃用無煙煤、貧煤等難燃煤種，每臺機組配備4套鋼球磨煤機制粉系統(tǒng)。國內(nèi)中儲式制粉系統(tǒng)存在煤粉細度偏高、排粉機葉輪磨損嚴重、煙氣NOx含量偏高等問題，由于相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)水平的限制使得上述問題難以徹底克服。在上級有關(guān)單位和領(lǐng)導(dǎo)的支持下，鹿華熱電以其改造提升設(shè)備性能，促進節(jié)能降耗的堅定決心，以及用先進技術(shù)帶動企業(yè)進步的遠見卓識，與科研總院迅速達成了制粉系統(tǒng)細粉分離器改造優(yōu)化的合作協(xié)議。

　　三、項目實施

　　本項目在鹿華熱電#2機組制粉系統(tǒng)A、D細粉分離器上進行了改造示范。為保證工作的可靠性，項目依次開展改造前A、D制粉系統(tǒng)性能試驗及鍋爐性能測試、2A細粉分離器改造及改造后性能測試、2D細粉分離器改造及改造后性能測試、改造后鍋爐性能測試工作。示范項目總體實施過程如下：

　　(1) 2013年5月8日，集團公司副總經(jīng)理鄧建玲主持召開“高效多相流分離技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”專題推進會。

　　(2) 2013年5月中旬~7月上旬，科研總院多相流分離技術(shù)中心進行鹿華熱電#2鍋爐現(xiàn)場測繪、分離器設(shè)計、CFD數(shù)值計算及設(shè)計優(yōu)化。

　　(3) 2013年7月上旬~7月中旬，改造前#2鍋爐A、D制粉系統(tǒng)性能試驗、鍋爐效率試驗。

　　(4) 2013年7月中旬~8月上旬，A制粉系統(tǒng)細粉分離器改造、改造后性能測試。

　　(5) 2013年8月中旬~9月中旬，D制粉系統(tǒng)細粉分離器改造及改造后性能測試、改造后鍋爐效率試驗。

　　細粉分離器實施改造前，科研總院多相流分離技術(shù)中心首先采用高性能計算平臺，進行了改造前細粉分離器內(nèi)部流場的CFD計算，獲得了流體的流動和渦旋特性，預(yù)測了其對煤粉的分離效果，發(fā)現(xiàn)了其在結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及流場等方面的設(shè)計不足之處。在對原系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，進行了新型高效分離器的理論設(shè)計和數(shù)值分析，通過優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流場，獲得了最終的優(yōu)化設(shè)計方案。扎實而全面的理論和數(shù)值分析，為項目的成功打下了堅實的基礎(chǔ)。

　　研制設(shè)計的高性能細粉分離器為匹配電廠現(xiàn)有制粉系統(tǒng)設(shè)備（磨煤機、排粉機、粗粉分離器等）的出力，采取了相對保守的設(shè)計，對舊細粉分離器局部進行改造的技術(shù)方案，整個項目自2013年5月10日起，從改造前現(xiàn)場測繪、高效細粉分離器設(shè)計及制造、改造前現(xiàn)場測試、現(xiàn)場改造與安裝，到9月中旬完成改造后現(xiàn)場測試，共歷時四個月。僅就單臺細粉分離器的改造安裝而言，兩周以內(nèi)即完成施工。

　　四、項目效果

　　為檢驗項目實施效果，項目實施前華電科研總院委托河北省電力科學(xué)研究院，對改造前、后的#2鍋爐制粉系統(tǒng)性能指標(biāo)、鍋爐熱效率、污染物排放情況進行詳細對比測試，并出具正式的測試報告。

　　測試結(jié)果表明，細粉分離器改造后主要性能指標(biāo)獲得顯著提升，由此對制粉系統(tǒng)性能、鍋爐熱效率和污染物排放等方面均產(chǎn)生了明顯的積極影響。主要如下：

　　制粉系統(tǒng)方面:

　　(1) 2A、2D制粉系統(tǒng)，在設(shè)計流量運行工況下，細粉分離器效率由改造前的84%左右，大幅提高十一個百分點，達到95%以上，且在很寬的運行工況范圍內(nèi)，仍然保持很高效率；

　　(2) 乏氣帶粉量的減少，使三次風(fēng)煤粉密度明顯降低，排粉機電流降低3.5 A左右，單臺排粉機年可節(jié)約電耗7萬元左右；

　　(3) 改造后制粉系統(tǒng)單耗約降低2.14 kWh/噸煤，減少供電煤耗0.23 g/kWh，按2012年燃用180萬噸煤計算，單臺機組改造兩臺細粉分離器的情況下，制粉系統(tǒng)年減少廠用電量96萬kWh，相應(yīng)年增加上網(wǎng)電量收益40萬元；

　　(4) 細粉分離器改造后乏氣帶粉量僅為改造前的1/3，且煤粉更細，將顯著緩解乏氣帶粉對制粉系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的磨損，預(yù)計可使設(shè)備維修、葉輪更換方面的投入大幅減少；

　　(5) 乏氣帶粉量的大幅減少，既降低了排粉風(fēng)機故障率，也降低了排粉風(fēng)機蝸殼和出入口系統(tǒng)管道及擋板的沖刷磨損造成的漏粉發(fā)生，全面提高了制粉系統(tǒng)和鍋爐的安全可靠性，尤其為冬季供熱期間長期高負荷穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。

　　鍋爐性能及污染物排放方面:

　　(1) 改造后的A、D制粉系統(tǒng)與未經(jīng)改造的B、C制粉系統(tǒng)分別運行時，27萬負荷下過熱器減溫水量減少9.65 t/h，再熱器減溫水量降低7.16 t/h，飛灰可燃物含量降低0.56%，鍋爐排煙溫度降低3℃左右，鍋爐熱效率提高0.56個百分點；

　　(2) 根據(jù)鍋爐熱效率以及各相關(guān)參數(shù)的變化，改造后共計降低機組供電煤耗1.87 g/kWh，單臺機組每年節(jié)約煤耗252萬元以上（機組按年利用小時數(shù)5500計算，且考慮一臺機組供熱量折算電量、標(biāo)煤按市場價630元/噸）；

　　(3) 改造后三次風(fēng)帶粉量大幅減少，同樣負荷下爐膛下部燃燒區(qū)域的給粉量相應(yīng)增加，穩(wěn)定了鍋爐燃燒，特別是低負荷時鍋爐燃燒明顯穩(wěn)定；

　　(4) 改造后NOx排放明顯減少，比改造前降低200 mg/Nm3。

　　項目投資回報：

　　兩臺分離器改造后，項目每年可為電廠創(chuàng)造292萬元的綜合效益，按項目科研投資495萬元計，投資回報率接近60%（本技術(shù)產(chǎn)業(yè)化后，成本可以大幅下降，投資回報率還將進一步提高）。

　　細粉分離器改造后還取得了氮氧化物減排的效果，社會效益非常顯著。

　　五、存在的不足與改進措施

　　高效細粉分離器示范項目雖然取得了顯著的效果，科研總院技術(shù)團隊回顧項目執(zhí)行過程，認為仍存在待改進之處，需要進一步提高細粉分離器制造工藝、安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和嚴格測試條件。細粉分離器改造后三次風(fēng)帶粉量大幅下降，需要技術(shù)人員和運行人員對改進后系統(tǒng)特性進一步熟悉和調(diào)整優(yōu)化燃燒，從而挖掘更多的成果。

　　六、致謝與展望

　　本項目的有效實施，是北京市科委、華電集團公司、華電國際、華電河北分公司對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)高度重視和大力投入的結(jié)果，亦是鹿華熱電積極響應(yīng)集團號召、支持科研成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化、以先進技術(shù)帶動企業(yè)進步的遠見卓識的成果。本項目也得到了河北電力科學(xué)研究院的支持和幫助。在此，一并表示衷心感謝！

　　本項目的完成或許是一小步工作的結(jié)束，卻以喜人的成效揭開了更大的序幕。為踐行集團公司“可持續(xù)創(chuàng)造價值”理念，科研總院將繼續(xù)秉承華電集團“自強求變，厚德求進”的精神，在上級領(lǐng)導(dǎo)的支持下，與各兄弟單位攜手并進，全力、快速推進新技術(shù)的推廣應(yīng)用和持續(xù)改進，為創(chuàng)造更大的社會價值和經(jīng)濟價值而努力！