影響磨制褐煤風扇磨煤機直吹式制粉系統干燥出力的因素分析

2015-05-30 15:14:38王志麗

科技創新與應用 2015年25期

王志麗

摘要：我國褐煤資源豐富，但產地不同煤質差別顯著。尤其寒冷地區褐煤原煤凍塊水分除不掉，流動性很差，影響制粉系統干燥出力不足。通過文章的分析指出：制粉系統的漏風和散熱損失是影響磨煤機干燥出力下降的重要因素，對磨制水分小于40%的褐煤風扇磨煤機干燥介質，采用高溫爐煙和熱風調節，取消低溫爐煙可節約投資。

關鍵詞：褐煤；直吹式制粉系統；風扇磨煤機；干燥力

引言

褐煤是一種成分變化區間很大的燃料，產地不同煤質差別顯著。但共同的特點是：水分灰分較大，發熱值較低，灰熔點低，揮發分高。我國褐煤資源頗為豐富，在寒冷地區燃用褐煤水分高達34%～40%左右，原煤凍塊水分除不掉，煤的流動性很差，影響制粉系統干燥出力。

1 風扇磨煤機的工作特性

1.1 風扇磨煤機的空氣動力特性

風扇磨煤機同時完成煤的磨碎、干燥和輸送煤粉[1]。因其具有自行吸入干燥介質的能力，所以也起到了風機的作用，但它的運行工況又不同于風機，因為它同時進行燃料干燥和磨碎，使磨內的工作條件因下列因素發生大幅度的改變。即：（1）原煤在磨內干燥時，使干燥劑溫度降低200～500℃，蒸發的水分大量析出。前一現象使工質體積縮小，后者使其增大，而溫降的幅度和水分的蒸發量又決定于干燥劑的初溫，煤的初始水分、粒度以及煤粉的細度等因素。（2）煤的粒度比重在磨碎和干燥過程中不斷變化。（3）由于分離器和磨煤機組合成一整體，因此，回粉量的多少和分離器的調節擋板位置，對磨煤機內部阻力影響很大。上述原因使風扇磨的工作特性與其在冷態下用純空氣測定的通風特性有顯著不同，整個制粉系統工作特性與管道的流通阻力有關。

1.2 風扇磨煤機的運行性能

1.2.1 褐煤磨碎與干燥的關系

風扇磨的運行性能主要表現在磨煤機出力、煤粉細度、煤粉水分和調節特性四個方面。磨煤機的出力又與干燥介質是相輔相承的。煤粉細度隨通風量增加而變粗，并導致煤粉水分增加。風扇磨的調節性能是靠改變空氣量調節抽爐煙量，實現給煤量的調節，即磨煤機出力的調節和保持磨煤機出口溫度為規定值。

在風扇磨中，煤的磨碎過程與干燥過程同時進行，相互制約。煤的磨碎是由于機械和熱力綜合作用所致，即機械作用，如轉輪撞擊煤粒、運行的煤粒撞擊蝸殼、煤粉與煤粒的撞擊等；熱力作用，如煤粒處于大量的有較高的相對速度的高溫干燥劑被干燥，使表面塑性體降低，易于破碎，干燥過程部分煤粒自行脆裂；隨著撞擊破碎和脆裂，煤粒的表面積相應增加，使干燥作用進一步深化，從而利于磨碎，但這兩個過程隨著煤的種類、水分、灰分以及工作條件不同變化很大。實驗表明，其干燥劑煤粉濃度、溫度及細度的影響因素：（1）煤粉的水分和顆粒平均直徑的關系。當給煤顆粒尺寸大于4mm時，對煤粉水分影響較小，濃度的影響隨著溫度增加而更加明顯。（2）干燥時，煤粒收縮，對煤粉細度的影響。褐煤是一種多毛細孔的膠體，除有大量的細毛細孔外，還有粗毛細孔，含有大量水分，當對煤粒進行干燥時，煤粒表面的附著水分和毛細孔中的水分先后蒸發，隨著水分的減少，孔徑也相應縮小，體積收縮，由于體積收縮而開裂破碎，這一因素不是由于破碎的作用，而是煤自身破碎。所以煤粒收縮時，對煤粉細度有影響。（3）磨碎過程的干燥速度影響。當褐煤顆粒受到撞擊時，被高溫氣體包圍，在其強烈作用下，第一次撞擊后的煤粒得到迅速干燥。

1.2.2 煤的磨損性能

煤質本身的特性決定了煤被磨碎的難易程度，由于各種煤的機械強度與干脆性的差異，磨碎性能是不同的。煤的磨損特性除常用的可磨度、含灰量、含硫量及灰分中的硅鋁比判斷外，還要分析煤種礦物成分的形貌/顆粒度和分布形式等[2]。對于磨損特性，也可采用磨損指數Ke來判斷；另一種判斷煤質磨損特性方法，是通過實驗室在擬定的小型風扇磨煤機上進行試磨，利用沖擊板的使用壽命長短來確定煤質的磨損特性。

2 風扇磨制粉系統干燥介質選擇方案技術分析

2.1 干燥介質選擇應考慮的因素

2.1.1 干燥劑的初溫

由于褐煤水分大，需要較高的干燥劑初溫，同時要求干燥劑初溫具有一定的裕度，如果采用高溫爐煙作干燥劑，干燥劑初溫選擇就比較自由[3]，而且對制粉系統安全、經濟運行有利。根據國外經驗，對于水分超過40%的褐煤，抽高溫爐煙溫度取850～1150℃；對水分不超過30%的褐煤，取爐煙溫度一般為800～850℃。

2.1.2 制粉系統煤粉爆炸的問題

褐煤揮發分高，易于自燃，故對防爆問題應予重視。制粉系統防爆措施主要有：（1）控制干燥劑的含氧量。采用熱風干燥系統難以控制含氧量，而采用爐煙干燥系統含氧量易于控制。（2）限制干燥劑的終溫。國內一般設計規定磨煤機出口風粉混合溫度：用熱風干燥為100℃，用爐煙和熱風干燥為140℃；而德國180℃，最高達240℃。（3）制粉系統設計上要防止積粉、自燃及爐煙帶入火源等。應根據褐煤水分確定有利的熱風量。

2.1.3 控制爐內結渣

采用爐煙干燥介質，對排入爐內一次風中的惰性氣體成分（CO2、N2、H2O）增加，而O2含量減少，減慢了煤粉著火速度，使燃燒溫度降低，所以要求爐內空氣動力場組織合理，要有效地控制爐內結渣。

2.1.4 一次風量協調問題

國內實踐表明：當褐煤水分大于30%時，一般采用爐煙+熱風干燥，對于大容量鍋爐也可采用冷、熱爐煙+熱風的混合干燥劑。在滿足磨煤機出力的前提下，干燥出力應當在設計上留有裕度，否則在水分偏高或冬季凍煤情況下，干燥劑的終溫將難以保持。

2.2 選擇干燥介質的幾種方案技術比較

根據褐煤三高二低的特點，采用風扇磨直吹式制粉系統的干燥介質組成，國內外經驗，一般選擇有三種方案：

a.高溫爐煙；b.高溫爐煙+熱風；c.高溫爐煙+熱風+低溫爐煙

由于褐煤的煤質不同，其干燥介質的選用也不同。干燥劑如果選擇不適當，將影響制粉系統的干燥出力、抽爐煙管道結焦、積灰以及爐內燃燒不穩定，影響鍋爐出力等[4]，所以應通過計算和經濟比較確定。

2.2.1 單一介質-抽取高溫爐煙配乏氣分離器干燥方式

對燃燒高水分褐煤（一般水分達60%）配置風扇磨干燥方式采用高溫爐煙單一介質，如抽高溫爐煙溫度為1000℃和高水分褐煤混合，使爐煙溫度由1000℃降到700℃～600℃，煤進入磨內破碎，再干燥，經乏氣分離器出口，氣粉混合物溫度為160℃～200℃，約88%～85%以上高濃度煤粉進入主燃燒器，而12%～15%的煤粉排入乏氣燃燒器，這種干燥方式可保持一次風速在允許范圍內，并能保證一、二次風率比例。由于采用單一高溫煙氣作干燥劑，使系統含有大量惰性氣體，可防止制粉系統爆炸，可不必采取防爆措施。

2.2.2 雙介質-高溫爐煙+熱風的干燥方式

國內的電站配風扇磨煤機燃燒褐煤鍋爐，多采用這種干燥方式，其特點干燥能力較強，熱風溫度穩定。抽爐煙溫度800～900℃，熱風溫度300～350℃，混合后平均溫度500～550℃，考慮到漏風影響，溫度降低約100℃，則400～450℃和褐煤水分<40%的原煤混合，在保證熱風、煙氣量份額合理，系統漏風率小于25%以下條件時，采用此方案可以滿足干燥要求。

該系統是采用熱風調節磨入口溫度，對煤質變化，鍋爐低負荷運行，運行斷煤，啟停磨煤機，異常運行等情況，都可以調整熱風門開度，保護磨煤機入口溫度為正常值。

由于一次風中含有大量惰性氣體，防止爐內結渣和NOX生成，對改變環境污染有利。

運行中如果爐內空氣動力場組織不合理，此方式在抽爐煙口處易結渣，因爐內溫度1200℃左右，碳粒處于熔化狀態，被吸入與300～400℃熱風混合降溫，變成固態渣，堵塞抽煙口，限制抽煙量，降低干燥效果，當調節熱風量大時，影響爐內燃燒，特別是送風量不足時，更為敏感。另外，也不易控制系統O2和CO2的規定值（O2>16%，CO2<4%）。

2.2.3 三介質-高溫爐煙+熱風+低溫爐煙干燥方式

國內外大型電站燃燒高水分褐煤鍋爐[5]，風扇磨直吹式制粉系統一般都選擇三介質干燥方式。這種干燥方式的特點是熱風量相對固定。由于高溫爐煙干燥能力強，低溫爐煙系統含氧量可控制在允許范圍內，磨煤機出口溫度可提高到250～280℃，且當改變工況啟停磨煤機、斷煤等，均不會發生煤粉爆炸。

由于系統中惰性氣體含量高，對防止爐內結渣更有利，利于實現低溫燃燒技術，還可以降低SO2和NOX的生成量，對減輕NOX污染有利。由于熱風量約占干燥劑量的1/3，也可有效地控制一次風率，加大二次風量，利于合理組織爐內燃燒。并且對煤質變化和低負荷運行適應能力強。

但其存在缺點：（1）特殊考慮空氣預熱器設計，既考慮燃燒方面熱風溫度，又要考慮到供磨煤機干燥所需熱風溫度。（2）系統復雜，占地空間大，低溫爐煙管道長，金屬耗量大；因增加低溫風機，還需加設一套除塵設備，增大了費用和維護工作量，使經濟性下降。

所以，對燃用我國原煤水分小于40%的褐煤鍋爐，選擇風扇磨直吹式制粉系統干燥介質，推薦采用具有干燥能力強，利于防止爆炸和爐內結焦，且對鍋爐負荷及煤質變化適用性好，調節方便，系統簡單，投資少，運行費用及維護費用低的高溫爐煙+熱風（或冷風）組成的二介質干燥方案較為合適。

3 影響制粉系統干燥出力不足的因素

3.1 抽爐煙口的位置、溫度

爐煙的抽取點和溫度選取，應根據灰的軟化溫度及磨煤機材料允許溫度確定，抽取的煙氣溫度一般低于灰的軟化溫度，一般至少50℃；抽煙口的位置選擇原則是：（1）該處的煙溫必須低于灰的軟化溫度；（2）該處為燃盡區，也就是沒有碳粒進入抽煙口內再燃燒，抽煙口煙氣流速一般不高于15～20m/s為宜。

干燥劑的初溫選取可視褐煤水分差異而定。對于水分大于50%的褐煤，抽高溫爐煙的煙氣溫度為1000℃左右，抽煙口的位置可取自屏過中部；當褐煤水分小于50%以下時，抽高溫爐煙的煙氣溫度為800～900℃左右，抽煙口的位置可取自鍋爐上方屏過中部。

3.2 抽高溫爐煙口與爐本體，高溫爐煙管道與風扇磨煤機的連接方式

防止膨脹不統一造成泄漏，抽爐煙豎井管采用滑動法蘭與鍋爐連接，它通過彈簧將抽爐煙管的連接法蘭壓在鍋爐上，這樣鍋爐與抽爐煙豎井可以無阻礙地膨脹。

3.3 落煤管的布置方式

為使煤在進口處均勻分布到落煤管中，可采用兩種方式引入，即：（1）原煤從豎井中間加入，即抽爐煙豎井管道呈S型，原煤通過落煤管，從中間進入豎井，氣流經過豎井彎管內擾動，使煙氣與煤產生混合作用。（2）原煤從豎井側面加入，煤沿斜面滑入豎井，用擺動活柵控制，同時煤塊在整個豎井寬度上散開，使降落過程的煤能夠很好地預先干燥。

3.4 落煤管距風扇磨入口高度

根據計算磨出口溫度為120℃時，磨入口溫度在500～600℃，所以，要求必須有足夠的干燥段，干燥劑與煤有充分的預熱時間[6-8]。

3.5 抽爐煙管道的散熱損失

風扇磨煤機入口的抽爐煙管道的保溫材料和結構，對管道散熱損失的大小密切相關，國內燒褐煤電廠，風扇磨入口抽爐煙管運行均不理想。為了減少抽爐煙管道的散熱損失，根據國外經驗，應在高溫爐煙管道內襯材料和保溫方式上引以借鑒。

4 結束語

（1）根據國內褐煤特性，對磨制水分小于40%的褐煤風扇磨煤機干燥介質，采用高溫爐煙（1000℃）+熱風（250℃～350℃）調節為宜。取消低溫爐煙可節約大量投資。

（2）干燥和磨碎是相互制約的。根據國內外試驗表明：磨煤機入口干燥劑溫度如低于200℃，干燥效果明顯下降，反之，又影響磨煤機破碎能力降低。

（3）制粉系統的漏風和散熱損失（抽爐煙管結構和保溫方式不當）是影響磨煤機干燥出力下降的重要因素，應當重視。

參考文獻

[1]葉江明.電廠鍋爐原理及設備（第3版）[M].北京：中國電力出版社，2010：48-53.

[2]樊功德.高水分褐煤電站鍋爐燃燒問題[J].內蒙古電力，1987（2）：32-42.

[3]劉鋼，譚紅軍，葉菲.大型褐煤鍋爐及其制粉系統的特點與選擇[J].電力建設，2008，29（5）：54-57.