大型CFB電廠石灰石粉制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周大吉，許華，羅曉康，王仕能，黨楠

(中國電力顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院，成都市，610021)

0 引言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)發(fā)電技術(shù)是潔凈煤燃燒發(fā)電技術(shù)的一種，近年來在燃煤電廠得到了廣泛應(yīng)用。為了滿足環(huán)保脫硫要求，CFB機(jī)組運(yùn)行時(shí)需要摻燒石灰石粉，進(jìn)入爐膛的石灰石粉的品質(zhì)、粒徑及級(jí)配、石灰石粉量等都有嚴(yán)格的要求。

以前，大多數(shù)電廠所用的石灰石粉通過外購成品粉的方式獲得。但近年來，隨著外購成品粉的成本越來越高，石灰石粉粒度控制越來越差，越來越多的電廠選擇制備石灰石粉。石灰石制粉系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到系統(tǒng)自身的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且還關(guān)系到后續(xù)系統(tǒng)——石灰石粉輸送系統(tǒng)的安全運(yùn)行，進(jìn)而影響到整個(gè)鍋爐燃燒的脫硫效率、煙塵中SO2含量的控制，是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)眾多300 MW CFB機(jī)組的石灰石粉制備系統(tǒng)運(yùn)行不夠理想，其中一個(gè)重要的原因就是石灰石粉制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型不當(dāng)，導(dǎo)致成品粉的粒徑和級(jí)配不能滿足設(shè)計(jì)要求。另一重要的因素是，大容量石灰石粉制備系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)工作，無論在理論分析、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)，還是在運(yùn)行方面幾乎都沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒［1-10］。如白馬(1×600 MW)CFB示范電廠采用了世界首臺(tái)單機(jī)容量最大的CFB鍋爐，用于爐內(nèi)脫硫的石灰石粉最大顆粒粒徑小于1 mm，石灰石粉耗量為45～86 t/h，要求制備系統(tǒng)最大出力為100 t/h，采用3套(單套50 t/h)制備系統(tǒng)，2運(yùn)1備，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量在國內(nèi)外均無先例。

1 CFB機(jī)組對(duì)石灰石粉粒度及級(jí)配的要求

摻燒的石灰石粉偏粗時(shí)，石灰石在爐膛內(nèi)反應(yīng)的表面積不足;摻燒的石灰石粉偏細(xì)時(shí)，石灰石粉會(huì)因?yàn)樵跔t膛內(nèi)停留的時(shí)間過短，也會(huì)導(dǎo)致脫硫效率偏低，石灰石耗量增加，進(jìn)而使石灰石粉系統(tǒng)運(yùn)行成本增加。此外，石灰石粉粒度和級(jí)配要求還受煤質(zhì)的影響，如燃燒揮發(fā)份較高的煤，要求石灰石粉粒度較粗一些(中值粒徑0.45 mm，最大粒度1.5 mm)，相反則要求石灰石粉粒度較細(xì)(中值粒徑0.2 mm，最大粒度1.0 mm)。

2 磨碎系統(tǒng)

2.1 磨碎理論

磨碎石灰石粉通常采用破碎和粉磨方式。破碎機(jī)運(yùn)行時(shí)，破碎用錘頭或者刀具處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過撞擊或切削將物料破碎，適合將大塊的原料破碎至較粗的物料;磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過較為笨重的碾輥低速運(yùn)轉(zhuǎn)碾磨擠壓物料，更適合將小塊物料進(jìn)一步粉碎。經(jīng)大量理論研究和運(yùn)行實(shí)踐證明，存在一個(gè)破碎和粉磨最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。

分段磨碎有利于制備系統(tǒng)節(jié)能，提高經(jīng)濟(jì)性。諾爾斯及法欒特從碎礦和磨礦能耗降低的角度出發(fā)，用邦德公式的計(jì)算結(jié)果作圖，得出碎至12.7 mm交給磨礦時(shí)能耗最低。前蘇聯(lián)研究者則從碎磨成本最低的角度出發(fā)，測(cè)算出大型選礦廠碎礦最終粒度4～8 mm最好，小型選礦廠最終10～15 mm。李啟衡教授提出，應(yīng)該碎礦與磨礦兼顧，用生產(chǎn)率平衡的辦法確定碎礦的最終粒度。段希祥教授從碎礦和磨礦能耗之和最小出發(fā)，用數(shù)學(xué)方法從邦德原式推算出碎至3～4 mm 交給磨機(jī)較為合適［1］。

結(jié)合目前國內(nèi)磨碎石灰石設(shè)備的能力，以及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得出，采用破碎機(jī)破碎大塊石灰石至30～10 mm左右，再采用磨機(jī)破碎小塊石灰石至1 mm以下。

2.2 石灰石粉碎設(shè)備的選擇

2.2.1 石灰石的粗碎

石灰石原料進(jìn)廠粒度一般在100 mm左右，要求經(jīng)粗碎機(jī)破碎后的粒徑在30 mm以下，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，一般采用國產(chǎn)破碎機(jī)即可。

2.2.2 石灰石的細(xì)碎

根據(jù)CFB鍋爐廠的要求，石灰石成品粉最大粒徑為1～1.5 mm，宜選用粉磨的方式制備，也有電廠采用進(jìn)口破碎機(jī)。鋼球磨是制粉系統(tǒng)常用的設(shè)備之一，可靠性較高，出力大;但出料粒徑偏細(xì)，控制手段少，耗電量較大、噪音大，不能滿足設(shè)計(jì)要求;另外，其設(shè)備價(jià)格也較高。雷蒙磨、棒磨機(jī)等達(dá)不到這個(gè)級(jí)配要求，另外出力較小，不適宜用于大型CFB機(jī)組石灰石粉制備。柱磨機(jī)是近年來在石灰石粉破碎上普遍采用的一種磨機(jī)，采用反復(fù)滾壓原理生產(chǎn)石灰石粉，具有產(chǎn)量高、噪聲小、磨損小、耗電量低、控制調(diào)節(jié)手段較多等優(yōu)點(diǎn)，尤其是易損件輥輪由耐磨合金鑄鐵經(jīng)過特殊熱處理生產(chǎn)的，其使用壽命長，襯板為2年，輥輪3年。另外可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、碾輥與襯板的間隙、下料桶高度等來控制出料的粒徑，其技術(shù)性能指標(biāo)(加上后續(xù)閉式系統(tǒng))是目前各種磨碎設(shè)備里最接近石灰石粉制備設(shè)計(jì)要求的設(shè)備。柱磨機(jī)工作原理如圖1所示。

2.2.3 小結(jié)

綜上所述，大型CFB機(jī)組石灰石磨碎系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備的選擇推薦原則如下:

圖1 柱磨機(jī)原理Fig.1 Elementary diagram of column mill

(1)應(yīng)遵循分級(jí)粉碎原則，粗碎采用破碎機(jī)，細(xì)碎采用磨機(jī)。

(2)當(dāng)石灰石來料粒度≤30 mm時(shí)，可直接采用磨機(jī)。

(3)石灰石粉的磨碎設(shè)備推薦采用柱磨機(jī)。

3 分選系統(tǒng)

3.1 機(jī)械篩分系統(tǒng)

機(jī)械篩分系統(tǒng)一般從破碎設(shè)備后接機(jī)械振動(dòng)篩，振動(dòng)篩出來的合格粉直接進(jìn)成品粉庫，而不合格品返回破碎設(shè)備繼續(xù)破碎，系統(tǒng)流程參見圖2所示。

3.2 氣力分選系統(tǒng)

該系統(tǒng)一般從磨機(jī)設(shè)備后接氣力分選系統(tǒng)，其關(guān)鍵設(shè)備為瀑流式分選機(jī)、風(fēng)機(jī)等，系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖2 白馬CFB電廠石灰石粉制備系統(tǒng)流程Fig.2 Flow chart of limestone powder preparation system of Baima CFB power plant

圖3 巡檢司電廠(2×300 MW CFB)石灰石粉制備系統(tǒng)流程Fig.3 Flow chart of limestone powder preparation system of Xunjiansi power plant with two 300 MW CFB units

4 調(diào)研工作

4.1 機(jī)械篩分系統(tǒng)

針對(duì)機(jī)械篩分系統(tǒng)，調(diào)研單位主要有白馬示范電廠、宜都市東陽光(2×300 MW CFB)自備熱電廠、鎮(zhèn)海煉化自備電廠、南郊熱電廠、日照寶鑫礦業(yè)制粉廠、秦皇島市丹誠石業(yè)制粉廠等。

機(jī)械篩分系統(tǒng)的主要設(shè)備是振動(dòng)篩，該設(shè)備目前有平面振動(dòng)篩和斜面振動(dòng)篩，其核心部件是篩子，篩子的質(zhì)量、運(yùn)行壽命和效果是該系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

調(diào)研結(jié)果總結(jié)如下:

(1)由于石灰石粉成品顆粒要求較細(xì)(≤1～1.5 mm)，在較大出力要求時(shí)(≥30 t/h)，機(jī)械篩分系統(tǒng)易堵塞，難以保證長期穩(wěn)定出力運(yùn)行。

(2)篩分系統(tǒng)對(duì)石灰石粉料的濕度較為敏感，濕度略大就容易出現(xiàn)糊篩、堵篩的現(xiàn)象，對(duì)氣候的適應(yīng)能力較差。

(3)就目前的現(xiàn)狀，篩分系統(tǒng)在篩選1～1.5 mm以下石灰石粉料時(shí)，系統(tǒng)的故障較多，篩子更換頻繁，平均壽命一般為3個(gè)月，日常檢修維護(hù)費(fèi)用較高。

(4)該系統(tǒng)對(duì)石灰石粉的粒徑和級(jí)配控制的調(diào)節(jié)幾乎沒有手段。

(5)該系統(tǒng)環(huán)境衛(wèi)生條件較差。

4.2 氣力分選系統(tǒng)

4.2.1 調(diào)研情況

針對(duì)氣力分選系統(tǒng)，調(diào)研單位主要有云南巡檢司電廠、義利水泥廠等。

石灰石粉氣力分選系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備為瀑流式分選機(jī)，該套石灰石粉氣力分選系統(tǒng)總的來說運(yùn)行效果不錯(cuò)。以巡檢司電廠為例簡要說明如下:氣力分選單套系統(tǒng)設(shè)計(jì)出力為40 t/h，實(shí)際運(yùn)行出力(粒徑為1 mm)約45～48 t/h，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常、平穩(wěn)，故障率低，主要設(shè)備包括高壓離心風(fēng)機(jī)、瀑流式風(fēng)選機(jī)等經(jīng)過1年多的運(yùn)行，都未出現(xiàn)過故障，也未進(jìn)行過維修。該系統(tǒng)對(duì)石灰石濕度的適應(yīng)能力較強(qiáng)，當(dāng)?shù)赜晁^多，但未出現(xiàn)因?yàn)槭沂瘽穸却蠖l(fā)生堵塞的情況。

4.2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)實(shí)際出力雖然已經(jīng)接近，但還未達(dá)到白馬電廠石灰石粉最大粒徑1 mm、50 t/h出力的要求，如果將其應(yīng)用于白馬電廠通常需要選擇更大的容量，需要更換分選機(jī)、風(fēng)機(jī)和管道等，其設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用均需增加。充分考慮到節(jié)約投資和運(yùn)行成本，對(duì)分選系統(tǒng)的進(jìn)料、成品粉和返料粉進(jìn)行測(cè)試，并反復(fù)分析研究，決定在白馬示范電廠，對(duì)分選機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行部分完善設(shè)計(jì)。改造后分選機(jī)原理如圖4所示。

圖4 改造后的分選機(jī)原理Fig.4 Elementary diagram of reformed sorting machine

該分選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)瀑流式選粉機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)大容量選粉，增加了物料中粉區(qū)的設(shè)計(jì)(圖中16和17)。其原理為:氣流從殼體的右側(cè)吹向左側(cè)的過程中，粗顆粒最先進(jìn)入粗粒出口排出，絕大部分細(xì)粉隨氣流進(jìn)入細(xì)粉出口排出，而中粉或少部分細(xì)粉進(jìn)入殼體左側(cè)中下部的中粉出口排出，中粉與粗粉合并后形成返料。這樣，在保證分選效果的同時(shí)，也增大了設(shè)備出力。實(shí)際測(cè)試表明，粒徑為1 mm時(shí)，系統(tǒng)出力超過設(shè)計(jì)要求的50 t/h。

4.2.3 小結(jié)

(1)總體來說，氣力分選系統(tǒng)安全可靠，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)氣力分選系統(tǒng)的分選出力較大，對(duì)分選系統(tǒng)進(jìn)行局部改進(jìn)，篩分1 mm石灰石粉料能夠達(dá)到50 t/h的出力。

(3)氣力分選系統(tǒng)較篩分系統(tǒng)對(duì)物料濕度的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，而且有一定的去潮氣作用，受天氣的影響不大。

(4)系統(tǒng)運(yùn)行后，需要的維護(hù)工作量非常小。

(5)該系統(tǒng)對(duì)石灰石粉粒徑和級(jí)配的控制有多種靈活調(diào)節(jié)手段，如調(diào)節(jié)瀑流式分選機(jī)的格板、翻板角度，合理控制粗、中、細(xì)顆粒的比例。

(6)環(huán)境衛(wèi)生條件好。

5 測(cè)試試驗(yàn)

測(cè)試試驗(yàn)的基本條件:

(1)兩級(jí)破碎機(jī)+機(jī)械篩分系統(tǒng)。對(duì)白馬CFB電廠的石灰石粉制備系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)料粒度為≤30 mm，出料粒度要求≤1.0 mm，設(shè)計(jì)出力要求為65 t/h。

(2)柱磨機(jī)+氣力風(fēng)選系統(tǒng)。對(duì)巡檢司CFB電廠的石灰石粉制備系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)料粒度為≤30 mm，出料粒度要求≤1.5 mm，設(shè)計(jì)出力要求為45 t/h。

機(jī)械篩分系統(tǒng)中二次破碎使1 mm以下細(xì)粉含量提高10%左右，而氣力分選系統(tǒng)使1mm以下細(xì)粉含量提高20%左右，說明機(jī)械篩分較氣力分選系統(tǒng)的分選效率低。

2種成品粉曲線都沒有完全落在機(jī)組要求的粒徑分布區(qū)內(nèi)，主要原因是45 μm細(xì)粉含量較高，200 μm以上細(xì)粉含量偏低;氣力分選系統(tǒng)成品粉曲線更接近最佳區(qū)間。

6 結(jié)論

(1)當(dāng)石灰石來料粒度＞30 mm時(shí)，推薦采用破碎機(jī)+柱磨機(jī)+氣力分選系統(tǒng)。

(2)當(dāng)石灰石來料粒度≤30 mm時(shí)，推薦采用柱磨機(jī)+氣力分選系統(tǒng)。

(3)對(duì)于如50 t/h大容量出力要求的石灰石粉制備系統(tǒng)，氣力分選系統(tǒng)推薦采用增加物料中粉區(qū)設(shè)計(jì)的瀑流式分選機(jī)。

(4)對(duì)于采用柱磨機(jī)+氣力分選系統(tǒng)的石灰石粉制備系統(tǒng)，建議今后進(jìn)一步開展不同物料、不同要求的石灰石粉制備系統(tǒng)的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究，以及設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，使得石灰石粉制備系統(tǒng)不僅能夠滿足石灰石粉出力和最大粒度的要求，而且能夠?qū)⒊善贩矍€絕大多數(shù)甚至完全落在CFB機(jī)組要求的分布區(qū)內(nèi)。

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