大屯熱電廠原料煤摻配工程方案設想

顧 建 軍

(中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300120)

0 引 言

隨著新能源、儲能技術的發(fā)展及分布式清潔能源布局的擴大，將進一步壓縮煤電增長空間，未來新能源等還將逐步替代部分煤電，因而煤炭綠色開采、加工、供給及清潔高效綜合利用才是煤炭產業(yè)發(fā)展的出路[1]。選煤過程產生大量矸石、洗中煤、煤泥等低熱值煤，而發(fā)電為利用低熱值煤的最佳方式，即為促進煤炭生產與利用方式變革的重要途徑之一[2]。循環(huán)流化床燃燒具備燃料適用范圍廣、低成本干法燃燒中脫硫及排放低氮氧化物等優(yōu)點，其為大規(guī)模清潔利用此類燃料的最佳選擇[3]。

大屯礦區(qū)是中國中煤能源集團公司所屬的重點礦區(qū)之一，也是以資源型經濟為主的礦區(qū)；對其資源進行綜合利用是實現大屯礦區(qū)和諧發(fā)展的根本出路，也是走新型工業(yè)化道路的必然選擇[4]。鑒于大屯發(fā)電廠現有機組設備陳舊、熱電比低和經濟性差，按照國家發(fā)改委、能源辦《關于加快關停小火電機組的若干意見》的要求，同時考慮滿足區(qū)域熱負荷要求及企業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展需要，上海能源公司規(guī)劃建設大屯熱電廠，涵括2×350 MW超臨界、抽凝式、供熱機組及相關輔助設施。

大屯熱電廠地處江蘇省徐州市沛縣境內，廠址東隔徐沛河，地處沛縣縣城區(qū)的北部、大屯鎮(zhèn)的南面，距離縣城中心及大屯鎮(zhèn)的距離均約4 km。大屯熱電廠2臺機組分別于2019年1月、5月通過168 h滿負荷試運行。2號機組于2019年2月被國家發(fā)改委和能源局以發(fā)改能源[2019]265號文確定為煤電應急調峰儲備電源機組。目前，大屯熱電廠2臺機組已投入商業(yè)運營。

大屯熱電廠目前的燃煤供應存在以下問題:未完全消化公司煤炭加工副產品；工貿公司配煤中心采用露天晾曬煤泥、工程機械配煤，存在環(huán)保風險；燃煤往返工貿公司配煤中心存在二次運輸，占用鐵路運力，增加運輸成本；外購鄰近礦區(qū)成品煤，燃料成本將進一步增高。因此，從當前生產和今后長期運營考慮，大屯熱電廠急需建設與生產能力配套的、高效環(huán)保且安全可靠的原料煤摻配工程。

1 燃料及運輸

1.1 煤 源

大屯熱電廠所需燃料絕大部分為上海能源公司選煤中心、煤礦生產的低熱值煤炭，不足部分從外部購入。上海能源公司擁有姚橋礦、孔莊礦、徐莊礦和龍東礦4對礦井，原煤年生產總能力9.38 Mt；公司選煤中心擁有姚橋選煤廠、孔莊選煤廠和大屯選煤廠3座選煤廠，選煤廠年洗選總能力8.20 Mt，大屯選煤廠入選姚橋礦和徐莊礦的原煤，姚橋、孔莊選煤廠分別入選姚橋礦、孔莊礦的原煤。大屯熱電廠原料煤供應品種的數質量統計見表1。

1.2 煤 質

大屯熱電廠設計和校核煤種年需煤量分別為2.73 Mt和2.30 Mt。設計煤種為煤矸石、洗混煤和煤泥的混煤，按設計煤種混煤比24∶52∶24計算，年需煤矸石、洗混煤和煤泥分別為0.656 Mt、1.421Mt和0.656 Mt。校核煤種為洗混煤、煤泥和混煤的混煤，按校核煤種混煤比35∶15∶50計算，年需洗選混煤0.816 0 Mt、煤泥0.345 0 Mt、混煤1.139 0 Mt。其2×350 MW機組的煤質資料見表2。

1.3 機組耗煤量

大屯熱電廠2×350 MW機組的耗煤量見表3。

1.4 燃料運輸

工程燃煤采用上海能源公司自營鐵路運輸。大屯熱電廠東北側設有鐵路專用線，專用線由徐沛鐵路沛屯站接軌。運煤列車在原料煤供煤點裝車經礦區(qū)鐵路、徐沛鐵路、熱電廠鐵路專用線到廠。項目外來煤全部采用鐵路運輸，既有鐵路卸車場設置了2套折返式單車翻車機卸車系統，目前已全部建成并處于試運營階段，能夠滿足除煤泥外的煤炭卸車任務。煤泥也采用鐵路運輸方式，需對大屯熱電廠卸車場進行適當改造，新建煤泥卸車線，滿足煤泥鐵路車輛卸車要求。

表1 大屯熱電廠原料煤供應品種的數質量
Table 1 The quantity and quality of raw coal supply varieties list of Datun cogeneration power plant

序號名稱數量γ/%每小時入選原煤量/(t·h-1)日入選原煤量/(t·d-1)年入選原煤量/(Mt·a-1)質量全水(Mt)/%發(fā)熱量(Qnet,ar)/(MJ·kg-1)1大屯洗混煤15.1458.041 160.700.348 29.0313.262姚橋洗混煤12.2947.11942.200.282 79.4213.973孔莊洗混煤8.0530.86617.230.185 27.4714.06小計35.48136.012 720.130.816 08.8213.694大屯煤泥6.1623.61472.200.141 722.309.735姚橋煤泥4.1315.82316.310.094 922.508.596孔莊煤泥4.7218.07361.490.108 424.0011.60小計15.0057.501 150.000.345 022.9010.017龍東混煤34.55132.422 648.480.794 56.4020.918外購混煤14.9757.401 148.050.344 46.4020.91小計49.52189.833 796.531.139 06.4020.91合計100.00383.337 666.672.300 010.1316.71

表2 大屯熱電廠2×350 MW機組的煤質資料
Table 2 Coal quality characteristics list of 2×350 MW electric generator in Datun cogeneration power plant

煤種工業(yè)分析/%MtMadAdVdafQnet,ar/(MJ·kg-1)元素分析/%CdHdOdNdSt,d煤灰熔融性溫度/℃DTSTFT校核煤種7.951.9538.5341.8117.0044.243.079.260.651.181 3181 3611 480設計煤種8.02.1244.2243.3614.0638.082.597.770.670.691 4001 4501 480

表3 大屯熱電廠機組耗煤量
Table 3 Unit coal comsumption of Datun cogeneration power plant

項目1×350 MW小時耗煤量/(t·h-1)日耗煤量/(t·d-1)年耗煤量/(Mt·a-1)2×350 MW小時耗煤量/(t·h-1)日耗煤量/(t·d-1)年耗煤量/(Mt·a-1)耗煤量設計煤種227.634 552.601.366455.269 105.202.73校核煤種191.673 833.331.150383.337 666.672.30

2 現有輸煤系統介紹

現有輸煤系統包括卸煤系統、儲煤系統和篩碎系統3個部分。火車來煤由布置在廠區(qū)東北側鐵路專用線上的火車由翻車機房卸載后，通過帶式輸送機向東南方向運輸，經T1轉運站轉載后向西南運至T2轉運站，再經轉載后進入2座φ70 m圓形料場儲存，每座煤場內設置1臺頂堆側取堆取料機，每座煤場容量為35 000 t，總容量為70 000 t。圓形料場內的煤炭由帶式輸送機運輸，依次經T2轉運站、粗碎機室、細碎機室，經粗碎、細碎處理后的(10～0)mm燃煤運至爐前煤倉間。在煤倉間上設置2路帶式輸送機，采用犁式卸料器卸料。卸煤系統帶式輸送機參數為:B=1 400 mm，Q=1 500 t/h，一路運行則另一路備用。

3 工程方案設想

3.1 廠區(qū)總平面布置

擬在大屯熱電廠附近的徐沛運河以東、T1轉運站以南、徐沛鐵路以西、蕭何路以北的場地建設原料煤摻配煤工程，煤泥儲煤場位于廠區(qū)東北部，T12轉運站、變電所、干燥車間位于西中部，T11轉運站位于東中部，T13轉運站和雨水收集池位于西南部，原料煤倉位于東南部。在原料煤倉和干燥車間南側均預留有場地，可根據生產需要進行擴建。

3.2 工藝選擇

3.2.1煤泥的摻燒方式

目前，國內煤泥摻燒發(fā)電利用方式主要包括濕煤泥采用柱塞泵直接泵入鍋爐進行燃燒和煤泥干燥后進行燃燒該2種摻燒方式[5，6]。大屯熱電廠的鍋爐爐型為循環(huán)流化床鍋爐，煤泥摻燒比例約15%，以上2種利用方式均可選用。煤泥高壓泵送系統通過高壓泵和管道將煤泥直接輸送至鍋爐內燃燒，避免了對環(huán)境的二次污染，且該系統具有包括煤泥成漿、貯存、攪和、輸送、給料、清洗等管道輸送所需的全部功能。但此方式需對鍋爐進行改造，施工周期較長，工藝相對復雜，建設投資相對較高。煤泥采用柱塞泵直接泵入鍋爐進行燃燒方式理論上煤泥輸送距離可達到1 km。通過調研，目前國內煤泥泵送距離最長約600 m，柱塞泵出口壓力10 MPa左右，實際輸送能力達不到1 km。工程預計煤泥管道長度約1 km，因此，煤泥采用柱塞泵直接泵入鍋爐進行燃燒方式不滿足使用要求。

大屯熱電廠原料煤包括3座選煤廠的煤泥和洗混煤，煤泥水分在22.3%～24.0%，洗混煤水分在7.83%～9.88%，洗混煤可與煤泥一起干燥、再與混煤進行摻配后摻燒。因此，推薦采用煤泥干燥后進行燃燒的摻燒方式。

3.2.2煤泥摻燒對循環(huán)流化床鍋爐的影響

由相關研究表明，循環(huán)流化床鍋爐進行煤泥摻燒時鍋爐爐膛整體床溫下降，排煙溫度升高，風機電耗增大，底渣含碳量減少而飛灰含碳量增加，鍋爐污染物達標排放，易于控制[7-10]。煤泥摻燒對鍋爐安全、穩(wěn)定、環(huán)保、經濟運行方面影響較小，能保證循環(huán)流化床鍋爐可靠運行。

3.2.3煤的干燥方法

國內煤泥干燥設備種類較多，包括旋翼干燥、滾筒干燥、真空射流干燥、電力低溫干燥等[11，12]。陽煤二礦和新景礦采用旋翼式干燥機進行煤泥干燥[13，14]，王家?guī)X煤礦電廠洗中煤干燥項目和東灘煤礦煤泥干燥項目均采用低溫蒸汽滾筒式干燥機[15，16]，安太堡露天礦、丁集煤礦、朔中選煤廠均采用高溫煙氣滾筒式干燥機對煤泥進行提制[17-19]，新元選煤廠煤泥干燥項目采用真空射流干燥技術[20]。煤泥干燥工藝需首先落實熱源問題，最佳的熱源為電廠余熱、蒸汽和瓦斯，天然氣和電力也可作為干燥熱源。工程熱源采用蒸汽和天然氣，在技術上均屬可行。天然氣可由市政管道接入，其供應、售價易受市場、季節(jié)、政策等因素影響，存在價格波動大、供應不及時的風險。蒸汽可由大屯熱電廠自給，具有供應可靠、參數穩(wěn)定、價格受控等特點，因此推薦熱源采用蒸汽。

考慮到旋翼式干燥機設備體積小、處理能力大、干燥效率高、操作維修方便、投資較低、運營成本較低，而滾筒式干燥機體積大、投資較高、維修較復雜、運營成本高，此次推薦煤的干燥采用旋翼式干燥機為核心設備的熱能脫水工藝。

3.2.4工藝流程

濕煤泥在干燥機底部2個相向旋轉的旋翼作用下，濕煤泥被拋擲在干燥腔內，高溫熱風在引風機的負壓作用下沿水平方向呈波式紊流，物料在氣流和重力的作用下在干燥腔內進行往復式螺旋運動，彌散的物料與熱風充分接觸換熱。在拋擲過程中破解了濕煤泥的黏度和加熱后產生的固聚性從而使?jié)衩耗嘣诟稍餀C腔內充分彌散。同時，在干燥機的尾端嵌入了氣流干燥工藝，以強化濕煤泥與熱風的換熱效果，使尾氣余熱得以進一步利用。物料在氣流作用下被強制帶出干燥機腔后，在離心式收料器的作用下實現氣固分離。

大屯熱電廠輸煤系統和原料煤摻配系統聯合的生產系統流程如圖1所示。

3.3 主設備主要技術條件

型號:WJG-15000旋翼式干燥系統；臺數:2套；入料粒度:(10～0)mm；干燥入料綜合水分約17%，干燥出料綜合水分約11%，其中煤泥占干燥機入料比例不大于30%；干燥機入口熱風溫度約150 ℃；濕物料溫度80 ℃～90 ℃，出料溫度≤50 ℃；熱源供應要求:飽和蒸汽溫度≥300 ℃，壓力≥0.9 MPa，供應量≥30 t/h；熱源消耗:約17.5 t/h；干燥系統綜合換熱效率≥85%；單臺處理能力(煤泥占干燥機入料比例≤30%):6 t/h(蒸發(fā)水)；尾氣煙塵排放濃度限值20 mg/m3。

3.4工藝布置

翻車機房的混煤可直接經T1、T2轉運站至圓形料場B儲存，而洗混煤經過T1轉運站進入總容量6 000 t的原料煤倉(2×φ15 m)，煤泥經過鐵路運至煤泥儲煤場(容量3 500 t)。原料煤倉內的洗混煤經T13轉運站由帶式輸送機運至干燥車間，煤泥經帶式輸送機轉載至干燥車間。烘干煤由帶式輸送機運至T1轉運站，可直接與翻車機房的混煤直接摻配為成品煤，而后轉運至T2轉運站且進入圓形料場A儲存，也可轉至原料煤倉儲存。原料煤倉內的烘干煤經T11、T12和T2轉運站并與圓形料場B內的混煤在T2轉運站摻配煤后，由帶式輸送機運至篩碎系統。

圖1 大屯熱電廠的生產系統流程Fig.1 Production system flowsheet of Datun cogeneration power plant

在翻車機房至T1轉運站帶式輸送機棧橋的西側建設煤泥儲煤場，新建煤泥貨運鐵路站線位于煤泥儲煤場內的西側，火車運輸的煤泥卸載至煤泥儲煤場。煤泥儲煤場內設3個區(qū)域，按進場先后時間分別儲存煤泥。煤泥儲煤場增加更多的自然采光措施以提高儲煤場的溫度、進一步降低煤泥的水分。煤泥儲煤場南側設有汽車進出的通道，后期煤泥也可臨時汽車運輸進場。

洗混煤進入洗混煤轉載刮板輸送機，可以給入分級篩(DFRS1416脫粉篩的分級粒度10 mm)，也可直接旁路去烘干煤轉載帶式輸送機。進入分級篩的洗混煤，可全部旁路進入干燥機配料刮板進行干燥，也可進行分級，(10～0)mm洗混煤與煤泥混合干燥，(50～10)mm洗混煤進入到烘干煤轉載帶式輸送機。干燥車間內布置有2臺干燥機(WJG-15000旋翼式干燥機)，對煤泥、洗混煤混合物進行干燥。煤泥、洗混煤混合物由配倉刮板輸送機配料，給到干燥機入料倉，由入料倉下的給料機給入干燥機進行烘干，干燥后的物料經過烘干煤收集帶式輸送機轉運至烘干煤轉載帶式輸送機。

原料煤摻配工程具有以下的工藝靈活性:煤泥、洗混煤建議混合干燥，也可單獨干燥；洗混煤可以10 mm分級后進行干燥，也可根據生產需要采取全部干燥或全部旁路不干燥；烘干煤可返回至原料煤倉儲存，也可直接輸至圓形料場存儲或直接進入篩碎系統；當翻車機來煤符合大屯熱電廠的用煤要求時，可直接經T1、T2轉運站至圓形料場A儲存。

3.5 經濟效益預測

上海能源公司所屬選煤廠的煤泥售價約135元/t，干燥車間加工費(含熱源消耗、電耗、折舊等)約23元/t，相同發(fā)熱量的鄰近礦區(qū)的洗混煤售價約325元/t，鐵路運費約108元/t。按照年消耗煤泥0.345 0 Mt計算，摻燒煤泥每年可節(jié)約原料煤費用約9 487.5萬元。

4 結 語

CFB循環(huán)流化床鍋爐摻燒煤泥是煤炭資源節(jié)約和綜合利用的必然方向。大屯熱電廠循環(huán)流化床鍋爐的原料煤由上海能源公司所屬煤礦和選煤廠供應，不足部分從鄰近礦區(qū)外購。洗混煤、煤泥均由上海能源公司自營鐵路運輸。大屯熱電廠原料煤摻配工程擬選用煤泥干燥后進行摻燒的方式，即煤泥和洗混煤采用蒸汽熱源的旋翼式強制流態(tài)化干燥，干燥后與混煤進行配煤，接入大屯熱電廠現有篩碎系統。

大屯熱電廠原料煤摻配工程的建設基于“五型”新大屯的發(fā)展愿景和目標，是上海能源公司轉型發(fā)展期重點建設項目，充分體現電力整合帶來的新效應。大屯熱電廠原料煤摻配工程的建設有利于提高上海能源公司煤炭資源的利用效率，可減輕礦區(qū)生態(tài)環(huán)境污染，提升燃煤供應的可靠性，降低燃料成本，充分利用大屯熱電廠現有設施以提高大屯熱電廠的經濟效益。