煤粉細度對制粉系統干燥能力的影響分析

（浙江浙能技術研究院有限公司 浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，杭州 311121）

0 引言

近年來國內煤炭市場價格持續上漲、煤電機組發電量逐年下降，各大發電廠為了降低煤炭采購成本，越來越多以煙煤為設計煤種的電站鍋爐也開始摻燒價格相對較低的褐煤。

根據《電站磨煤機及制粉系統選型導則》推薦，以煙煤為設計煤種的大型燃煤鍋爐基本選用中速磨煤機，在其選型時并沒有充分考慮褐煤高水分的特點，因此大多存在干燥出力不足的問題。目前提升制粉系統干燥出力的工作主要集中在增加熱一次風量、增加熱一次風溫度、降低磨煤機出口溫度等方面，而煤粉含水率由于其取值的不確定性，導致其對制粉系統干燥能力的影響常常被忽視。

同時，褐煤在煙煤鍋爐摻燒時提升煤粉細度的措施，更多考慮的是對燃燒方面的作用，很少注意到增大煤粉細度對提升制粉系統干燥出力也有重要作用。因此，研究褐煤的煤粉細度與煤粉含水率的關系有重要意義。

1 研究方法

針對褐煤煤粉含水率的取值問題，國內外不同機構給出了不同的方法：我國制粉系統設計的推薦選取辦法可參考DL/T 5145—2012《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》[1]，其煤粉水分Mpc取（0.5～1.0）Mad或查相關曲線（圖1）；德國斯坦繆勒公司選取方法為Mpc≤Mad+4（Mar-Mad）/Mad，美國阿爾斯通公司取原煤水分一半，德國能源與工程技術公司提出根據對煤樣試磨提供煤粉水分數據[2]。俄羅斯根據理論分析和綜合工業試驗給出了風扇磨煤機磨制褐煤煤粉水分的計算方法[2]：（t2為磨煤機出口介質溫度），前蘇聯1958 年版標準算法[4]規定，褐煤的煤粉水分不應低于原煤空氣干燥基Mad，但亦不應超過Mad+8%。

圖1 磨制褐煤煤粉水分與原煤水分及磨煤機出口溫度關系

上述計算標準或者曲線給出了不同的煤粉水分取值范圍經驗值、但是針對我國常用的中速磨煤機，除德國能源與工程技術公司外均沒有考慮煤粉細度的影響關系，且該公司也沒有給出具體的計算公式或圖表。

有研究表明，磨煤機內原煤的干燥過程非常迅速，熱一次風在進入磨煤機噴嘴環出口上方10～20 cm 處即降低到磨煤機本體溫度，煤粉在磨煤機內完成換熱的時間極短，通過微觀方法難以預測煤粉含水率變化。同時，煤粉顆粒小、水汽吸附能力強，通過等速取樣方法提取煤粉樣進行水分分析存在誤差較大、實時性差的缺點。

因此，采取磨煤機整體熱平衡的方法計算煤粉含水率：HP 中速磨煤機研磨褐煤達到干燥出力上限時，穩定熱一次風量、熱一次風溫度和磨煤機出口溫度的條件下，通過降低動態分離器轉速增加的干燥原煤的能力，反推出煤粉含水率。

磨煤機整體熱平衡關系見圖2，輸入總熱量Qin（GJ·h-1）應當等于輸出和消耗熱Qout（GJ·h-1）。

圖2 磨煤機系統熱量及物料平衡關系

輸入總熱量Qin=Qag1+Qs+Qmac，其中Qag1（GJ·h-1）為一次風量帶入熱；Qs（GJ·h-1）為密封風帶入熱；Qmac（GJ·h-1）為磨煤機工作產生的機械熱，Qmac按照《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》計算，本文HP 磨煤機的機械熱轉化系數取0.6，單位磨煤電耗按實測值換算。密封風量以2%計入一次風量中，并將Qs計入Qag，不再額外計算。

輸出和消耗熱Qout=Qev+Qag2+Qf+Q5，其中：

（1）Qev（GJ·h-1）為原煤蒸發水分熱，為蒸發從煤中析出的水分以及加熱到磨煤機出口溫度的熱量，可表示為：

式中：ΔM 為燃煤蒸發水量；cH2O為水蒸氣平均定壓比熱容；t2為磨煤機出口溫度；trc為燃料初始溫度，本文取環境溫度；M 為給煤量。

（2）Qag2（GJ·h-1）為一次風本身帶走的熱量。

（3)Qf（GJ·h-1）為加熱燃料消耗的熱量，包括加熱煤粉及其殘余水分從燃料初始溫度到磨煤機出口溫度的熱量。

（4）Q5（GJ·h-1）為設備散熱損失，由于試驗選擇極易磨的印尼褐煤，石子煤排放量極少、且不同工況間無偏差，額外損失按輸入熱取1%的固定值。

2 研究對象

2.1 設備概況

某發電廠鍋爐型號為B&WB-3048/26.15-M，鍋爐設計煤種為煙混煤，校核煤種為晉北煙煤，制粉系統為中速磨煤機配冷一次風機正壓直吹式系統，采用6 臺HP1163/Dyn 型中速磨煤機，并采用動態分離器調節煤粉細度，設計參數如表1所示。

表1 HP1163 磨煤機主要設計參數

2.2 試驗煤種

該鍋爐設計煤種為煙煤，煤種特性如表2 所示。全水分為14%，低位熱值為22.5 MJ/kg；選擇高水分的印尼褐煤開展試驗，全水分39.4%、低位熱值15.25 MJ/kg。

表2 設計煤種及試驗煤種特性

3 試驗結果

研磨印尼煤時，考慮到煤粉管水汽結露引起的煤粉結塊，控制出口溫度不低于58 ℃；同時增加風煤比到2.8 左右，給煤量達到約51 t/h，此時冷風已關閉、磨煤機入口溫度達到300 ℃，達到干燥出力上限。通過冷、熱風門自動撤出，達到穩定一次風量和出口溫度的目的；手動控制給煤量，逐步降低動態分離器轉速，各工況穩定運行30 min 后取值，得到1 組工況數據見表3。

由圖3 可見，分離器電機轉速從800 r/min降低到500 r/min，煤量大約可增加2.8 t/h；同時，磨煤機電流相應減小1.9 A，等效降低磨煤機電耗約10%，與分離器轉速變低、磨煤機內煤粉存煤量減少相一致。

圖3 給煤量與分離器電機轉速關系

由于給煤量的控制不是隨干燥出力增加而自動增加的，因此當分離器轉速降低時，通過給煤量手動控制方式使得在部分階段出現給煤量的階躍，并給予系統足夠的平衡時間。通過磨煤機整體熱平衡分析法計算上述工況的各項輸入、輸出熱量的大小，如表4 和圖4 所示，首先可以明顯發現各工況下磨煤機中蒸發原煤水分消耗熱占比均在70%以上。

表3 不同試驗工況下的數據

表4 煤粉含水率測算結果

圖4 磨煤機系統出口輸出熱量攜帶比例

在工況1—10 的變化中，系統輸入、輸出熱量在45.8～47.1 GJ/h 變化，除個別工況外，大部分工況熱量波動幅度約2%；但是該系統的干燥能力給煤量從51 t/h 增加到54 t/h，增加比例約為6%，幅度遠大于輸入熱量的變化。進一步分析各項輸出熱量可以發現，在10 個工況中，占比70%以上的蒸發水分熱變化很小。從式（1）可見，當燃料溫度和磨煤機出口溫度保持不變時，由于原煤蒸發水分熱Qev變化很小，單位質量下的燃煤蒸發水量與給煤量成反比。

如圖5 所示，分離器轉速從43 r/min 降低到27 r/min 后，煤粉顆粒變大。通過熱平衡可以推算出煤粉含水率從19.97%增加到21.28%，這是導致干燥出力增加2.8 t/h 的內在因素。即煤粉顆粒變大導致煤粉含水率增加，相同輸入熱量下可以干燥更多的煤量。

圖5 煤粉含水率與分離器轉速關系

4 結論

（1）中速磨煤機研磨褐煤時，增加煤粉細度可增加煤粉含水率，減少水分從原煤中的析出量，從而增加干燥出力。現有的規范和方法中，煤粉含水率的取值均沒有考慮煤粉細度的影響。

（2）HP1163 中速磨煤機磨制褐煤，分離器轉速從43 r/min 降低至27 r/min 時，煤粉水分含水率增加1.3%，可增加干燥出力約5%～6%。

（3）中速磨煤機整體熱平衡法是分析煤粉水分切實可靠、有助于分析制粉系統干燥出力的有效方法。

（4）中速磨煤機研磨褐煤，蒸發水分消耗熱需要占比70%以上。