煤泥烘干系統在燃煤電廠的實踐與應用

王永斌， 閆岳鋒

（山西陽光發電有限責任公司， 山西　陽泉　045200）

引言

目前我國全社會用電量中約80%來源于火力發電，水電、核電等清潔能源只占較少一部分，未來我國發電的主體依然是火力發電。調查顯示很多燃煤電廠從2008年開始面臨著較大的生產成本壓力，煤炭價格的上漲幅度遠遠大于電價的上調幅度，使電廠經營狀況由盈利逐漸轉向微利甚至虧損，很多電廠的發電積極性受挫，發電量減少，導致出現違背正常規律的電荒現象，不僅不利于企業的生存發展，而且給全社會正常的生產、生活帶來負面影響。因此，如何采取有效措施使電廠扭虧為盈已成為全社會迫切需要解決的問題，除了要逐漸改革計劃電市場煤，加強電網的有序管理、采取分段電價等措施外，降低電廠燃料成本成為燃煤電廠自救的必要途徑。根據在山西陽泉地區調查，煤泥的市場價格遠低于電煤，所以很多電廠都選擇購進大量煤泥進行摻燒，而由于煤泥自身的特點，直接摻燒煤泥會對電廠設備造成損壞。本文從燃煤電廠的生產成本入手，提出了采用煤泥烘干系統加工煤泥后與電煤進行摻燒來降低生產成本的方法[1]。

1　煤泥簡介

煤泥是煤礦企業生產過程中出現的包含煤粉、灰分、水分、礦物質等成分的一種廢棄物，其具有發熱量較低、水分高、黏性大等特點，使得它的存放、運輸和使用都比較困難，這樣的煤泥晾曬幾個月，表面似已干燥，內部含水率幾乎不降，很難實現工業應用，曾長期被電力用戶棄用。尤其是煤泥露天堆放時極易發生煤泥流失分化進入空氣和河流，造成環境污染，同時煤泥中含有的煤粉成分隨之流失，煤泥的處理也成為煤礦企業的棘手問題，所以煤礦企業出售煤泥的價格要遠低于電煤價格。對于燃煤電廠而言，直接使用煤泥會造成鍋爐制粉系統堵煤及斷煤事故，破壞電廠發電設備，易造成堵煤影響電廠的安全生產。但由于煤炭價格的上漲，燃煤電廠被迫選擇價格較低的煤泥進行摻燒，如何合理利用煤泥則成為燃煤電廠首要考慮的問題。

2　煤泥烘干系統的工作流程和主要設備

煤泥烘干系統是采用先進的科學技術專門針對有效處理煤泥制作而成。一臺整機容量在290 kW，出力能力在45 t/h的煤泥烘干系統的工作流程是：沸騰爐燃燒產生溫度高達600～700℃的高溫煙氣，由鼓風機和引風機配合使高溫煙氣從回轉滾筒中穿過，此時裝載機將高水分（ω（H2O）20%～25%）的煤泥放進煤泥打散機，打散后的煤泥由上料皮帶輸送至回轉主滾筒，隨著主滾筒的不停旋轉通過高溫煙氣將濕煤泥烘干成低水分（ω（H2O）12%～14%）的粉狀煤，粉狀煤由出料皮帶輸送至煤場。然后通過燃煤電廠的輸煤設備將烘干后的粉狀煤和電煤按一定比例混合輸送至制粉系統，進入鍋爐燃燒[2]。

圖1　煤泥烘干系統結構示意圖

煤泥烘干系統主要包括高溫沸騰爐、煤泥打散機、上料皮帶、回轉主滾筒、出料皮帶、鼓風機、引風機、旋風除塵器和袋式除塵器等設備（如上頁圖1）。

2.1　回轉主滾筒

回轉主滾筒也稱為滾筒干燥機，是整個烘干系統生產線的核心部分。該設備由機體、托輪裝置、擋托輪裝置、密封裝置、傳動裝置等組成，其基本結構如圖2所示，筒體前后滾圈支承在托輪裝置及擋托輪裝置上。擋托輪裝置上的一對擋輪可防止筒體上下串動。傳動裝置通過筒體上的大齒圈帶動筒體旋轉。筒體兩端設有密封裝置，防止冷空氣進入筒體和防止燃燒室、筒體、排料箱的煙氣、塵埃溢出。濕物料從入料端直接落入給料箱，并由螺旋導料裝置將物料導入干燥機，經活動翼板和帶清掃裝置的弧形揚料板等的作用；再由于機體的傾斜和回轉，將物料不斷的拋撒并做縱向運動。同時與進入筒體的高溫介質進行質熱交換，使水分得以蒸發，物料得以干燥[3-4]。

該機的主要結構特點是能將粘結成大塊的煤泥打碎，再經帶清掃裝置的圓弧形篦條揚料板，增大物料和熱介質的接觸面積，并能清掃掉粘結在揚料板內外的粘結物，獲得符合要求的粒度、水分的煤質。

圖2　回轉主滾筒結構圖

滾筒干燥機工作流程如下。

首先，將具有高濕、高粘結性的煤泥放進煤泥打散設備，經過打散的塊狀煤泥由帶式上料機輸送進入呈負壓的回轉滾筒后分為以下幾個工作區。

1）導料區：濕煤泥進入此區與高溫負壓熱風接觸后被迅速蒸發出大量水分，煤泥在大導角的抄板抄動下，形不成粘結便被導入下一個工作區。

2）清理區：濕煤泥在此區被抄板抄起形成料幕狀態，物料落下時易形成粘結滾筒壁現象，在此區由于設備設計有清掃裝置，清掃裝置可以快速清理掉粘結筒壁的煤泥，在這個過程中，清掃裝置對于煤泥團球結塊也起破碎作用，從而增加了熱交換面積，提高傳熱傳質的效率，提高了干燥速率。

3）傾斜揚料板區：此區是低溫干燥區，煤泥在此區已呈低水分松散狀態，此區已不具有粘結現象，經過熱交換后成品達到所要求的水分要求，運動進入最后的出料區。

4）出料區：干燥主機滾筒在此區不設抄板，物料在此區滾動滑行至排料口，完成整個干燥過程。

為了達到最佳的烘干效果和環保的要求，烘干系統中其他主要設備的選型也是至關重要的。以下主要對烘干系統中熱源和除塵設備作簡單分析。

2.2　高溫沸騰爐

高溫沸騰爐是煤泥烘干系統的重要熱源，它能以劣質煤取代優質煤進行燃燒，產生高溫煙氣來烘干煤泥。其結構如圖3，設備包括：沸騰爐、沸騰爐基礎、圓盤喂料機、斗提機、原煤倉、粉碎機、鼓風機等。該爐具有燃燒速度快，供熱效率高，環境無污染的顯著特點，具有較高的社會效益和經濟效益。

高溫沸騰爐的主要技術特點是：等壓風室，兩段燃燒，采用U型燃燒段可分離和收集未燃盡的細小碳粒，又可延長其燃燼時間；采用大節距變孔徑風帽的布風裝置，有良好的硫化質量和燃燒工藝，減少邊壁效應帶來的布風不均勻的影響；采用大過量空氣系數，加強爐內空氣攪動，強化燃燒，使煤在爐內燃燒充分，溫度均勻，控制方便；采用合理的懸浮段結構，煙氣流速較低，細灰帶走量小，供熱煙氣最高溫度可達1 050℃，煤粒燃燼95%以上。

圖3　高溫沸騰爐

2.3　兩級除塵系統

煤泥烘干機烘干煤泥后產生的粉塵較大，含塵濃度高、水分大、易結露、而且廢氣污染范圍廣，所以在選擇除塵設備時需進行環保層面考量，某廠利用兩級除塵系統進行除塵。

GXC型高效旋風除塵器是除塵系統的一級除塵設備，其結構如下頁圖4，用在煤泥干燥系統中分離煤粉，凈化干燥廢氣的一種新型高效旋風除塵裝置，主要針對煤炭干燥脫水，凈化煙氣，回收煤粉，保護環境而設計的，它具有除塵效率高，阻力低，性能穩定，無傳動部件，使用方便，占地面積小等特點。

JQM系列氣箱脈沖袋式除塵器是整個除塵系統的二級除塵設備，其結構如圖5，該設備整合了分室反吹和噴吹脈沖袋式除塵器的特點，克服了分室反吹的清灰動能不足，噴吹脈沖的清灰與過濾同時進行的缺陷，收塵效率可達99.9%以上，凈化后氣體的含塵質量濃度小于50 mg/m3，擴大了袋式除塵設備的應用范圍，能夠適應高濃度除塵，采用離線清灰技術進行分室反吹脈沖清灰，既避免了在線式清灰產生的粉塵二次飛揚再吸附現象，又不影響設備運行工況的正常連續運行，提高了清灰效果，延長了濾袋使用壽命；設備采用氣箱式結構，降低了設備的局部阻損；采用雙膜片結構電磁脈沖閥，具有控制靈敏，效率高，壽命長等特點。

圖4　GXC型高效旋風除塵器

圖5　JQM系列氣箱脈沖袋式除塵器

經過煤泥烘干系統處理的煤泥大大減少了鍋爐及上煤系統斷煤及堵煤現象，可以安全無隱患地運用于火力發電廠，確保了機組安全運行。

3　煤泥烘干系統的控制系統

煤泥干燥系統主要有低壓配電裝置、PLC控制裝置和儀表裝置三部分組成一個完整控制體系。

3.1　低壓配電裝置

包括低壓柜、PLC柜、變頻器柜、啟動柜，集成煤泥干燥系統內所有電機的主回路和二次控制回路。操作臺裝有工控機及UPS電源，便于操作，可以實現遠程、就地進行切換的功能。

3.2　PLC控制裝置

PLC控制部分主要由PLC控制模塊和工控機組成，實現所有設備集中聯鎖啟/停控制，實現設備的就地和遠方手動操作功能，并具有溫度聯鎖自動啟動功能。工控機的動態面板顯示烘干系統設備生產線各部件的運行情況，同時可以監視各變頻器輸出頻率及沸騰爐和烘干機的出口溫度。

1）在集中聯鎖狀態下，操作界面如圖6，進入工控機動態操作面板，先設定引風機的風門開度為0，然后依次點擊系統集中、設備連鎖、溫度連鎖按鈕，最后點擊系統開車按鈕，則所有設備（即進料皮帶、除塵攪龍、引風機、出料皮帶、回轉滾筒、打散喂料機、上料皮帶）就會按照程序順序啟動。

圖6　集中聯鎖狀態操作界面圖

2）在溫度聯鎖狀態下，如下頁圖7，可以設定出料口的上限溫度、下限溫度，滾筒的高頻率、正常頻率、低頻率，打散喂料機的高頻率、正常頻率、低頻率，引風機風門的高開度、正常開度、低開度，摻風閥的開關臨界溫度以及打散運行時間和停止時間。通過溫度和頻率的設定，來控制煤泥烘干系統的出口溫度、出料質量和產量。當滾筒出口采集到的實際溫度大于摻風閥的開關臨界溫度，則打開摻風閥，使滾筒出口溫度降低，以免燒壞袋式除塵器的布袋；當出口采集到的實際溫度小于摻風閥的開關臨界溫度，則關閉摻風閥。當滾筒出口采集到的實際溫度小于出料口設定的下限溫度，為保證出料質量，滾筒執行低頻率，喂料機執行下限頻率，引風機風門執行低開度值，此時產量逐步降低；滾筒出口采集到的實際溫度大于出料口下限溫度并且小于出料口上限溫度，則滾筒執行正常頻率，打散喂料機執行正常頻率，引風機風門執行正常開度，此時產量正常。當滾筒出口采集到的實際溫度小于出料口上限溫度，則滾筒執行高頻率，打散喂料機執行上限頻率，此時產量逐步升高。打散喂料機的運行條件可根據實際需要來設定其運行時間和停止時間[4]。

3.3　儀表裝置

主滾筒的出口和入口都裝有溫度測量儀，溫度通過儀表裝置在就地顯示，并通過串口傳輸到工控機上顯示。鼓風機和引風機的風門由電磁閥門控制，風門的開度可以在就地儀表裝置查看和控制，可以在工控機上進行調節。

4　引進煤泥烘干系統對電廠經濟效益的影響分析

4.1　摻燒煤泥前各項參數對比

某電廠進行摻燒煤泥試驗，摻燒比例7%，試驗在鍋爐負荷為：300 MW、270 MW、240 MW、200 MW條件下進行。分別記錄入爐煤量、廠用電率、主蒸汽流量、過熱器減溫水流量、主蒸汽和再熱蒸汽溫度、金屬壁溫、爐膛負壓等；進行飛灰、灰渣取樣，測試空氣預熱器前后煙溫、氧量，計算得到鍋爐熱效率。在試驗過程中，在給煤機處進行入爐原煤取樣。在磨煤機出口進行煤粉等速取樣，并進行煤粉細度與均勻性參數測試。

圖7　溫度聯鎖狀態詳細參數

綜合各負荷工況下，按摻燒比例為7%煤泥試驗結果及鍋爐效率反平衡計算結果可知，如表1和表2所示，摻燒煤泥后，飛灰含碳量、排煙溫度、固體不完全燃燒熱損失、散熱損失、灰渣物理熱損失等不同幅度升高，鍋爐熱效率是降低的，發電煤耗有所增加，在3～8 g/kWh范圍內波動。

表1　機組負荷不同摻燒煤泥前對應的鍋爐熱效率測試結果

4.2　產量及成本概況

1）產量：一套整機容量在300 kW、生產能力為40 t/h的煤泥烘干系統，每天24 h不間斷運行，按每月實際運行天數25天計算，則月烘干煤泥24 000 t。

2）熱源成本：根據實際數據表明，煤泥烘干系統每小時所消耗的原煤為0.8 t，每月消耗原煤480 t，按照市場電煤價格530元/t計算，則每月熱源成本為25.44萬元。

3）用電成本：根據實際測算，煤泥烘干系統每月耗電量為7萬度，按照工業電價0.57元計算，則每月用電成本為3.99萬元。

表2　機組負荷不同摻燒煤泥對應的鍋爐熱效率和煤耗增量

4）其他成本費用（包括人工費、維護費、運費）約每噸16元。

則單位烘干成本為（254 400+39 900）÷24 000+16=28.26 元 /t。

4.3　經濟分析

根據調查目前山西陽泉地區燃煤電廠燃煤市場行情，發熱量在5 100 kcal/kg、全水10%的電煤價格大約為530元/t；發熱量在4 000 kcal/kg、全水25%的煤泥價格大約為380元/t。

根據實際運行情況，烘干后的煤泥水分約15%，熱值約4 700 kcal。按水分丟失計算，除去烘干10%的水分后，煤泥的價格為380/0.9=422.2。

按熱值差計算，煤泥與電煤的差價為（530÷5100）×（5 100-4 700）=41.5元。

按照燃煤電廠摻燒煤泥7%左右的實際情況，加權平均后會提高供電煤耗約5 g/kWh，折合為煤價升高約20元/t。

由此可見，烘干后的煤泥與電煤的差價為：530-422.2-28.26-41.5-20=18.04 元 /t。

以月烘干煤泥24 000 t計算，月節約成本43.3萬元，年節約成本519.6萬元左右。

燃煤電廠可根據自身機組規模和生產需要，引進符合本企業生產狀況的煤泥烘干系統，將烘干后的煤泥按照一定的比例進行摻燒，不僅解決了燃煤電廠購買電煤難的問題，而且每年為企業增加的利潤也是很可觀的，尤其對于處在虧損狀態的燃煤電廠，是扭虧為盈的重要途徑之一。

5　結語

分析表明，燃煤電廠引進煤泥烘干系統摻燒煤泥，不僅可以解決煤泥存放造成的各種環境問題，產生生態效益，而且可降低企業生產成本，產生可觀的經濟效益，有效改善火力發電企業的生產效益和運營狀況，從而為全社會生產、生活用電提供有力保障。因此，在我國建立資源節約型、環境友好型、循環經濟社會的大背景下，燃煤電廠引進煤泥烘干系統摻燒煤泥具有很大的現實意義。

[1]王明權.煤泥烘干機的設計與應用[J].山西建材，2000（4）：22-24.

[2]郭斌.煤泥專用烘干機的相應技術[J].中國建材，2010（8）：1-2.

[3]華新，左玉輝.中國電力行業可持續發展研究[J].環境科學與管理，2007（8）：165-168.

[4]伍靈玲.電力行業循環經濟的發展探討[J].現代經濟信息，2009（4）：118.