煙氣制粉技術探討

摘 ?要：文章根據高效煤粉鍋爐的MF3型燃燒器對煤粉的要求，選擇適合的煤種;根據煤種和煤粉特性、依據規程規范和實際調研，結合項目地理位置、場地條件、安全、經濟等多種因素，通過技術經濟比較，最終選出最適合的制粉方案—煙氣集中制粉。通過分析煙氣制粉的關鍵控制點采取有效措施，確保系統安全、環保、節能。經過近五年的運行驗證，實踐表明此煙氣制粉系統安全、節能、環保。

關鍵詞：高效煤粉鍋爐;煙氣制粉;超細煤粉;微煤霧化

中圖分類號：TP39 ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0165-05

Abstract： According to the requirements of MF3 burner of high efficiency pulverized coal boiler for pulverized coal， the paper selects the suitable coal; according to the characteristics of coal and pulverized coal， specifications and actual investigation， combined with the geographical location， site conditions， safety， economy and other factors of the project， and through technical and economic comparison， the paper finally selects the most suitable pulverizing scheme—flue gas centralized pulverizing. By analyzing the key control points of flue gas pulverization， effective measures are taken to ensure a safety， environmental protective and energy conservative system. After nearly five years of operation verification， the practice shows that the flue gas pulverizing system is safe， energy-saving and environment-friendly.

Keywords： high efficiency pulverized coal boiler; flue gas pulverization; superfine pulverized coal; micro coal atomization

0 ?引 ?言

目前，我國正在大力發展高效煤粉鍋爐、微煤霧化技術，來提高鍋爐熱效率、提高煤的潔凈燃燒和利用，以減少對環境的污染;為此需要對煤進行超細磨制備煤粉。高效煤粉鍋爐多建在生活區、工業園區，煤粉廠考慮安全、環保、來煤方便等因素多建在郊區。筆者正趕上這樣一個工程“續建新技術產業園區供熱工程天津華苑供熱所5×58 MW高效煤粉供熱鍋爐項目”，制粉廠由于多種原因沒能建到郊區，只能配套建在天津華苑供熱所（以下簡稱“華苑所”）;華苑所預留鍋爐房無位置建設爐前制粉，只能就近建設制粉車間;華苑所地處天津市新技術產業園區，制粉、送粉、儲粉必須確保安全、環保，探討由此開始。

1 ?常用的制粉方案

我國常見的煤粉鍋爐制粉系統有以下幾種：鋼球磨煤機貯倉式乏氣送粉制粉系統、鋼球磨煤機貯倉式熱風送粉制粉系統、鋼球磨煤機貯倉式開式制粉系統、雙進雙出鋼球磨煤機直吹式制粉系統、中速磨煤機正壓直吹式熱一次風機制粉系統、中速磨煤機正壓直吹式冷一次風機制粉系統、風扇磨煤機直吹式三介質干燥劑制粉系統、風扇磨煤機直吹式二介質干燥劑制粉系統、帶煤粉濃縮的直吹式制粉系統。

我國常見的鋼廠高爐制粉方案有以下幾種：煙氣直排式制粉系統、煙氣自循環式制粉系統。

2 ?磨煤機和制粉系統的選擇原則

磨煤機和制粉系統的選擇原則具體為：

（1）首先確認是為鍋爐制粉還是為高爐噴吹制粉，是爐前制粉還是集中制粉。

（2）其次根據煤的燃燒、磨損、爆炸特性、可磨性、磨煤機的制粉特性及煤粉細度的要求，結合鍋爐爐膛和燃燒器結構統一考慮，并考慮投資、檢修運行水平及設備的配套、備品備件供應以及煤的來源和煤中雜物情況諸因素，以達到磨煤機、制粉系統和燃燒裝置匹配合理，保證鍋爐的安全經濟運行。

（3）當煤干燥無灰基揮發分大于10%時，制粉系統設計應考慮防爆要求。

（4）煤的磨損性能可以用煤的磨損指數進行判斷或通過試磨確定。

（5）煤的燃燒性能一般可根據煤的揮發分來判斷，但劣質煙煤和貧煤的燃燒性能需進行燃料著火溫度的測定，甚至在試驗臺進行試燒后確定，以作為選擇制粉系統型式的依據。

（6）根據煤的燃料著火溫度選擇制粉系統類型的界限可按DL/T5145-2002《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》制定。

（7）根據煤的磨損指數選擇磨煤機的界限是依據磨煤機碾磨件的壽命近似劃分。中速磨煤機碾磨件的壽命應大于6 000 h，風扇磨煤機沖擊板壽命應大于1 000 h。

3 ?本項目燃煤特性和煤粉特性

本項目選用的是58 MW高效煤粉熱水鍋爐，其燃燒器單元主要設備為MF3型燃燒器，是一種區別于電站鍋爐燃燒器的新型無級配風逆噴式低氮旋流燃燒器，屬專利產品。經過近些年來的實踐，證明這種燃燒器是一種非常理想的寬調節比煤粉工業鍋爐燃燒裝置，MF3型燃燒器對煤粉的要求如表1所示。

依據燃燒器對煤粉的要求以及燃燒器的成熟案例，選擇燃料煤，燃料煤特性如表2所示。

通過以上數據可得高效煤粉鍋爐需要高揮發分的超細煤粉，華苑所的原煤為難磨、磨損性不強、V4級高揮發分、Q2級高發熱量、A1級低灰分、M3級中水分、S1級低硫、ST1級煤灰熔融性、屬于Ⅲ級易爆性煙煤，依據DL/T5145-2002《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》，最適宜的磨煤機為中速磨煤機，最適宜的制法方式為直吹式制粉。

4 ?制粉系統的選擇

本項目是為5臺新型高效煤粉鍋爐制粉，屬于鍋爐制粉。依據MF3系列煤粉燃燒器要求的成品煤粉和原煤特性，最適宜的磨煤機為中速磨煤機，最適宜的制法方式為直吹式制粉。

但是本項目預留鍋爐房無位置建設爐前制粉，華苑所總圖布置如圖1所示。

只能就近建設制粉車間，屬于集中制粉;即使是鍋爐房有位置建設爐前制粉，但新型高效煤粉鍋爐沒有空預器，不能提供制粉所需要的熱風，MF3系列煤粉燃燒器要求送粉壓力≥30 kPa，壓力很高，也不適用于直吹式制粉的壓力要求;至此除磨煤機選用中速磨煤機能確定外，制粉系統選擇進入困境。

經多方調研，新型高效煤粉鍋爐均采用集中制粉，制粉廠均遠離居民區，磨機均為中速磨，采用煙氣爐提供熱煙氣自循環制粉，只有一部分經煙囪排往大氣。而本項目地處天津市新技術產業園區，制粉、送粉、儲粉必須確保安全、環保，除5臺高效煤粉鍋爐合建一座煙囪外，不允許再建其他煙囪，制粉乏氣只能通過鍋爐煙囪外排。

環保要求制粉系統的乏氣必須治理達標后才能外排，分析制粉乏氣污染物組成，主要是煙塵，可由袋式收粉器處理達標。其他成份就與提供熱量的煙氣爐的燃料有關，若為清潔燃料天然氣，煙氣中幾乎沒有SO2等污染物;若燃燒煤粉，則需要脫除乏氣中所含的少量SO2等污染物。

經落實外部條件，項目所在地暫時不能提供清潔燃料天然氣，煙氣爐燃料近期只能選用煤粉，并進行了兩種燃料的成本比較：

（1）燃氣煙氣爐方案系統組成：

1臺燃氣煙氣爐、1套燃氣調壓快關控制組件、1臺鼓風機。

（2）煤粉煙氣爐方案系統組成：

1臺煤粉煙氣爐、1臺煤粉塔及送粉組件、1臺鼓風機。

（3）對比：兩方案的煙氣爐、鼓風機是一樣的，裝置差別在給料系統。燃氣煙氣爐方案因天然氣是清潔能源，不需要脫硫、脫硝系統就能滿足環保要求。煤粉煙氣爐方案烘干后的乏氣需要脫硫、脫硝，脫硫由爐后脫硫系統完成，脫硝方案一是煙氣爐上加SNCR，但沒有成熟案例，方案二是依靠鍋爐脫硝系統富余量來沖減。當采用5×58 MW煤粉鍋爐煙氣做干燥劑時，執行新環保標準需要2臺58 MW鍋爐采用SNCR+SCR（二層催化劑）聯合脫硝，這就增加了催化劑的消耗，約增加54萬元。煤粉煙氣爐的煤粉塔、供粉系統、廠房投資約增加450萬元;每個采暖季送粉供粉系統運行費用約58萬元;每個采暖季脫硫系統增加石灰石0.21 t/h×2 880 h=600 t，折合15萬元;每個采暖季脫硝系統增加約70萬元;每個采暖季煙氣爐用煤粉2.27 t/h×2 ?880 h ×850=555.7萬元;每個采暖季煙氣爐用天然氣1 470 m3/h×2 880 h×2.7=1 143萬元;天然氣比煤粉運行成本高1 143-58-555.7-70-15=374.3萬元/年。

煤粉煙氣爐比天然氣煙氣爐多投資450萬元，年運行費用少374.3萬元，天然氣煙氣爐運行費用高，但系統簡單，便于操作，隨著煤制氣蓬勃發展和國外天然氣的引入，天然氣價格將會更低。故煙氣爐采用天然氣、煤粉兩用燃燒器，先上煤粉煙氣爐，也盡可能安裝天然氣系統，實現兩用。為避開乏氣帶SO2等污染物，也考慮過用蒸汽換熱器提供熱源、5臺58 MW高效煤粉鍋爐內增加熱風管等方案。

下文對蒸汽煙氣加熱器不合理性進行分析：

采用蒸汽煙氣加熱器方案，用330 ℃、1.3 MPa的過熱蒸汽把進入磨煤機的煙氣加熱，根據煤粉要小于5%含水量，磨煤機出口溫度取85 ℃（煙氣露點溫度59 ℃+26 ℃），磨煤機進口溫度則需加熱到260 ℃;忽略煙氣加熱器中的阻力損失，蒸汽壓力不變，1.3 MPa飽和蒸汽對應的溫度為195 ℃。

對于換熱器，蒸汽放熱變為飽和水加熱煙氣的換熱過程屬于相變換熱，換熱過程需要分為無相變換熱和相變換熱兩段，過熱蒸汽變為飽和蒸汽的相變過程溫度不變，保持在195 ℃，考慮換熱器能進行換熱，需要有至少10 ℃溫差，因此，煙氣從185 ℃加熱到260 ℃只能用過熱蒸汽變為飽和蒸汽的放熱;只有煙氣從110℃加熱到185 ℃的過程可以用飽和蒸汽變為飽和水的汽化潛熱。330 ℃、1.3 MPa的過熱蒸汽焓值為3 107 kJ/kg，1.3 MPa的飽和蒸汽焓值為2 788 kJ/kg，兩者差值319 kJ/kg，由于過熱蒸汽變為飽和蒸汽的焓降很小，按10萬標立的煙氣計算，把煙氣從185 ℃加熱到260 ℃過程需要45 t/h的過熱蒸汽。1.3 MPa飽和蒸汽的汽化潛熱很大，為1 958 kJ/kg，煙氣由110 ℃加熱到185 ℃，需要5.5 t/h的汽化潛熱，另有39.5 t/h仍然為蒸汽，故換熱器出口側出來的介質為汽水混合物。

換熱器消耗蒸汽量很大，蒸汽利用不完全，不經濟。并且需要45 t/h過熱蒸汽占70 t/h過熱蒸汽的64%，使供熱所失去了外供蒸汽能力，此方案行不通。

改造新訂貨鍋爐因改造費用和工期要求等等因素綜合比較后也不可行;最好最經濟的熱源設備只有煤粉煙氣爐。

經過以上比較論證，制粉系統關鍵設備煤粉煙氣爐、中速磨煤機可以確定，下一步需要確定干燥、輸送煤粉的氣體——干燥劑。

干燥劑從經濟角度首選熱空氣、其次是再循環乏氣、煙氣、氮氣等惰性氣體。本項目原煤是V4級高揮發分、Ⅲ級易爆性煙煤，依據DL/T5145-2002《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》第9.5節制粉系統防爆的技術措施，第9.5.1條：5）由于惰性氣體和水蒸氣含量的增加而降低制粉系統介質的含氧量時，可減少爆炸的危險性。當氧的體積含量<12%（按濕干燥劑計算）時，爆炸的危險可排除。

本項目地處居民聚集區域，安全是第一位的，所以干燥劑必須為氧的體積含量<12%的惰性氣體。

經計算，選用煙氣爐加熱空氣配乏氣再循環，無論系統啟動多長時間，干燥劑中氧的體積比永遠大于12%，此方案排除。干燥劑只剩煙氣和氮氣兩種惰性氣體。氮氣與煙氣相比，氮氣需要購買或制備，熱源廠是不產氮氣的;熱源廠現有9臺供熱鍋爐，新建5臺高效煤粉鍋爐，煙氣是廢棄物，是不需要花錢制備的;綜合考慮選取新建鍋爐經布袋除塵器凈化處理后的煙氣，此煙氣含氧量約6%左右，煙塵含量小于10 mg/Nm3，是最理想的惰性氣體。鍋爐煙氣經煙氣爐加熱后送入磨機，考慮磨機密封風和制粉系統漏風進入熱煙氣內，磨機出口煙氣的含氧量約8%左右，遠小于<12%，爆炸的危險可排除。另外鍋爐排出煙氣溫度115 ℃，磨機乏氣溫度85 ℃，考慮熱量損失，采用此煙氣制粉，仍有20 ℃溫差可利用，起到變廢為寶、節能減排的目的。經計算一個采暖季，利用此煙氣制粉，可節省2 900噸成品煤粉，約節省200萬元。

綜合以上論證，本項目制粉系統需要采用潔凈熱煙氣為干燥劑，以煙氣爐為熱源，以中速磨煤機為碾磨設備，以袋式煤粉收集器為收粉設備的制粉系統。

經查找資料，煤粉制備標準、規程、規范除DL/T5145-2002《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》和GB50607-2010《高爐噴吹煤粉工程設計規范》外，再無其他;而本項目雖然屬于熱水鍋爐制粉，不屬于高爐噴吹制粉，但細細研究《高爐噴吹煤粉工程設計規范》，其指導思想、制粉方法與本項目設想的制粉比較接近，可以參考執行。

故本項目采用煙氣直排式制粉系統，為方便運行調節也設有煙氣自循環旁路，制粉乏氣送回爐后濕法脫硫與濕電進行凈化處理，經新建鍋爐煙囪達標排放，制粉系統不設煙囪，煙氣集中制粉系統組成，煙氣集中制粉系統圖如圖2所示。

5 ?制粉系統的安全環保措施

經過調查研究并進行技術分析，制粉系統采取如下安全與環保措施。

5.1 ?安全措施

本系統采取的安全措施具體有：

（1）采用含氧量不超過12%實則8%左右的惰性氣體熱煙氣制粉，是最根本的安全措施。

（2）熱煙氣管道、磨煤機、煤粉收集器、煙氣爐、煙氣爐煤粉倉均安裝有足夠數量的防爆門。

（3）磨煤機采用負壓制粉，并設有密封風，防止煤粉外泄。

（4）磨煤機進出口煙道、熱煙氣管道、制粉乏氣送回管道上均安裝有測氧儀和測溫計，適時監控各系統參數。

（5）磨煤機本體多處安裝有測溫計、并設有氮氣滅火系統。

（6）制粉系統設有消防水系統、火災報警系統、強通風系統、除靜電裝置等等。

（7）專門設有5座50立氮氣儲罐用于制粉系統的氮氣消防。

5.2 ?環保措施

環保措施主要有以下幾項：

（1）制粉系統采用負壓運行，防止粉塵外泄。

（2）制粉乏氣經過布袋收粉器凈化，煙塵濃度小于10 mg/Nm3。

（3）制粉乏氣送回爐后濕法脫硫與濕電進行凈化處理，經新建鍋爐煙囪達標排放，制粉系統不設煙囪，煙囪出口SO2濃度小于35 mg/Nm3，煙塵濃度小于5 mg/Nm3。

6 ?煙氣制粉系統實際運行情況

制粉系統經一個采暖季運行，實測熱煙氣含氧量6.2%，磨煤機進口煙氣含氧量7.7%，收粉器出口乏氣含氧量8.9%，整個制粉系統處于安全防爆的惰性氣體環境，實測運行數據，運行監控畫面如圖3所示，煙氣集中制粉建成照如圖4所示，圖中左側為煙氣集中制粉車間，右側為鍋爐房，中間部分為熱煙氣管道、回送乏氣管道。煙氣制粉平常出力40 t/h左右，煤粉品質和產量完全滿足5臺58 MW高效煤粉鍋爐需要;最大出力運行到62 t/h，達到設計出力60 t/h;最小出力15 t/h左右能穩定運行，達到設計要求。

7 ?結 ?論

通過以上理論設計、實際運行，說明華苑所采用煙氣制粉系統方案安全、可行、可靠。華苑所的投運為煙氣制粉開拓出新的方法，這對其他煤粉制備項目有一定的參考價值。

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作者簡介：李世嶺（1972—），男，漢族，河北永年人，選礦工程高級工程師，本科，主要研究方向：礦物加工、煙氣脫硫與脫硝、熱能動力研究與設計。