高水分褐煤的磨型選擇適應性分析

趙鵬 寇震

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司 湖北武漢 430071）

0 引言

世界上褐煤儲量約有4 萬億t，占到煤炭總儲量的40%，其中俄羅斯和東歐地區的褐煤儲量又占到了世界總儲量的一半。隨著“一帶一路”的推進，越來越多的東歐電站項目被開發，褐煤電廠發展前景廣闊。

褐煤，又名柴煤，是煤化程度最低的礦產煤，是一種介于泥炭與瀝青煤之間的棕黑色、無光澤的低等級煤，具有高水分（收到基全水分Mar30%～60%）、高揮發分（干燥無灰基揮發分Vdaf＞37%）、易燃、低熱值（低位發熱量4 186 kJ/kg～16 744 kJ/kg）、不易儲存和遠運等特點。正因為褐煤有這些特點，制粉系統的選擇上不同于其他煤種。

1 褐煤制粉系統選擇分析

1.1 原煤水分對制粉系統擬定的影響

選用煤粉鍋爐時，首先要擬定制粉系統。由于褐煤具有高揮發分的特點，通常會采用中速磨直吹式制粉系統或風扇磨直吹式制粉系統。由于風扇磨的后期維護成本高，在煤種適宜時，一般會優先選擇中速磨直吹式制粉系統。

《火力發電廠褐煤制粉系統磨煤機選型導則》（Q/DG 1-J025-2014）［1］對選擇褐煤制粉系統有以下推薦意見：

原煤全水分在30%以下時，宜選用中速磨煤機；

原煤全水分介于30%～35%之間，應通過制粉系統平衡試算，條件適宜時宜選用風扇磨煤機。

原煤全水分高于35%時，宜選用風扇磨煤機。

另從磨煤機廠反饋的經驗來看，對于中速磨，煤種的揮發分不能太高，建議不超過45%，否則可能引起煤粉自燃等安全事故。

即將發布的新版《火力發電廠制粉系統設計技術規程》也有類似要求。

由此可見，原煤水分對中速磨制粉系統有一定的限制性，中速磨制粉系統并不能適應水分過高的褐煤。

1.2 原煤水分限制中速磨制粉系統的原因分析

煤在鍋爐里燃燒時，所需的空氣由一次風（一次風機）和二次風（送風機）提供。一次風的主要作用是為磨煤機提供磨制合格煤粉所需的熱量，并將制成的合格煤粉通過送粉管道送入爐膛。二次風的主要作用是為煤粉在爐膛內燃燒提供所需的空氣。在煤質和耗煤量不變的條件下，一次風和二次風的總量是確定的。

冷一次風和冷二次風在空預器里被煙氣加熱后成為熱一次風和熱二次風。熱一次風和未經加熱的冷一次風（壓力冷風）混合到制粉所需的合適風溫進入磨煤機，用于煤粉制備。在磨煤機里，煤不僅要被碾磨，還要被干燥。如果沒被充分干燥（去除外在水分），煤粉會板結成塊，堵塞分離器，無法通過送粉管道進入爐膛。

原煤水分越高，磨煤機所需的干燥出力就越強。要提高干燥出力，只有兩個途徑：①提高進入磨煤機的一次風溫；②提高進入磨煤機的一次風量。但是這兩個途徑同時受到制粉系統防爆和鍋爐穩定燃燒一次風率的制約。

熱一次風是由冷風在空預器里被煙氣加熱獲得。為保證位于省煤器和空預器之間的SCR 脫硝裝置能正常運行，省煤器出口的煙氣溫度需控制在320 ℃～400 ℃，這樣在空預器中被煙氣加熱后的熱一次風溫一般也不超過350 ℃。即使采取增大空預器尺寸，提高入口煙溫等措施，或在熱一次風道上設置蒸汽或煙氣加熱器進一步提高熱一次風溫度，熱一次風溫也難以超過400 ℃～420 ℃，所以進入磨煤機的熱風溫度不能進一步提高。在風溫受限之后，只剩下加大一次風量來提高磨煤機干燥出力的辦法了。在很多項目上，特別是國外項目中，不少業主認為加大磨煤機型號，或者增加磨煤機臺數就可以增大磨煤機的通風量，進而提高磨煤機的干燥出力。例如在印尼某350 MW 項目中，原煤全水分最高達到42%，總包商就一度認為如果采用600 MW 等級的磨煤機就可以滿足干燥出力的要求，經過與鍋爐廠、磨煤機廠反復匹配，最終證明這種想法是實現不了的。

從磨煤機出來被送往爐膛的煤粉是風粉混合物。受設備耐溫和防爆要求的限制，磨煤機出口溫度需滿足《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》（DL/T 5145-2012）［2］的要求，對于揮發分大于40%的褐煤，中速磨煤機出口的溫度應限制在70℃以內。這樣進入鍋爐參與燃燒的空氣主要是兩種溫度，一次風（＜70 ℃）和二次風（＜350 ℃）。假定通過加大磨煤機的型號或增加臺數以滿足干燥出力，其實就是增加了總的一次風量。而因為鍋爐每小時燃煤所需的空氣總量是一定的，如果提高一次風量，就需要減少二次風量。

由于一次風溫較低，如果進入爐膛的一次風比例過高，就意味著大量的冷空氣進入爐膛，鍋爐將無法穩定燃燒，所以一次風所占的比例（一次風率）需要控制在合理范圍。對于普通煙煤而言，一次風率一般在20%左右。對于高水分褐煤而言，一次風率也不宜超過35%。可見，為提高中速磨的干燥出力，一次風量并不能無限制加大，所以靠加大磨煤機型號及增加臺數的辦法并不能解決干燥出力問題。

所以，由于一次風溫和風量受限，導致中速磨制粉系統的干燥出力受限。當原煤全水分超過30%時，需要進行鍋爐和磨煤機的匹配試算來判斷是否可以采用中速磨制粉系統。

表1 是某350 MW 機組燃用的煤質，設計煤和校核煤的全水分分別為35.2%和40.8%，計算得到設計煤和校核煤的外水分分別為20%和23.6%。經過鍋爐廠和磨煤機廠的匹配計算，如按中速磨制粉系統選型，設計煤的一次風率約為38%，校核煤的一次風率超過了40%，鍋爐不能穩定燃燒，只能按照風扇磨制粉系統設計。

表1 某350 MW 機組煤質成分表

結合多個項目的比選分析，褐煤制粉系統選型建議如下：

（1）當原煤收到基全水分低于30%時，通常可選用中速磨制粉系統。

（2）當原煤收到基全水分介于30%和35%之間時，需要進行制粉系統匹配試算和外水分Mf比較分析。煤的全水分包括內水分和外水分，內水分是吸附在物料內部毛細孔中的水分，外水分是指附著在煤顆粒表面的水分。在一定條件下，煤樣與周圍空氣濕度達到平衡時，所失去的水分就是外水分。煤的外水分直接受所處外界條件的影響，與煤本身的性質無關，而內水分由于毛細孔吸附力的作用，是較難蒸發的。所以，外水分對制粉系統干燥出力的影響更大。

結合多個項目的選型經驗，當原煤收到基全水分介于30%和35%之間且外水分小于或等于19%時，可初步先選擇中速磨制粉系統，并核算磨煤機干燥出力，以實際核算結果為準；當外水分大于19%時，經過干燥出力核算，如果中速磨制粉系統不能滿足要求，則需要選用風扇磨制粉系統。

（3）當原煤收到基全水分大于35%時，通常需選用風扇磨制粉系統。

1.3 典型褐煤電廠制粉系統選擇

表2 為典型褐煤電廠原煤水分和制粉系統的選擇情況，可以看出，元寶山3 號爐和上都1～4 號爐原煤水分均低于30%，選擇了中速磨制粉系統；伊敏3、4 號爐原煤水分超過了35%，選擇了風扇磨制粉系統；通遼5 號爐和九臺1、2 號爐的原煤水分介于30%和35%之間。經過比較外水分，通遼5 號爐可以選用中速磨制粉系統，九臺1、2 號爐外水分超過了19%，只能選用風扇磨制粉系統。

表2 典型褐煤電廠制粉系統選擇

2 中速磨和風扇磨制粉系統經濟比較

當原煤水分在一定范圍內，既可以選用中速磨又可以選擇風扇磨制粉系統時，通常優先選擇中速磨制粉系統。這是因為風扇磨的打擊板壽命較短，運行2 000 h 后就需要補焊維護，而每次維護打擊板都需要拆卸打擊輪，維護工作量較大。打擊板也只能補焊3～4 次，所以打擊輪每2 年就需要更換，導致維護成本較高。

表3 600 MW 機組中速磨和風扇磨制粉系統經濟性比較

以1 臺600 MW 超臨界褐煤機組（全水分約31%，通過試算可選擇中速磨制粉系統或風扇磨制粉系統）為例，如選用中速磨和風扇磨制粉系統，初投資和年運行費用對比分析見表3。

從表3 能看出，中速磨制粉系統在初投資和年運行維護費用上均優于風扇磨制粉系統，在條件適宜的情況下，應優先選用中速磨制粉系統。

3 結論和建議

由于受到一次風溫和一次風率的限制，中速磨制粉系統不能燃用水分過高的褐煤。加大磨煤機型號或增加磨煤機臺數會提高一次風率，過高的一次風率將造成爐膛燃燒不穩定，并不能解決根本問題。

當原煤收到基全水分小于30%時，通常可選用中速磨制粉系統；當原煤收到基全水分處于30%和35%之間且外水分小于19%時，可初步先選擇中速磨制粉系統，并核算磨煤機干燥出力，以實際核算結果為準；當原煤收到基全水分位于30%和35%之間且外水分大于19%時，經過干燥出力核算，如果中速磨制粉系統不能滿足要求，則需要選用風扇磨制粉系統；當原煤收到基全水分大于35%時，通常需選用風扇磨制粉系統。

當中速磨和風扇磨制粉系統都能適用時，由于中速磨制粉系統的初投資和運行維護費用均優于風扇磨制粉系統，應優先采用中速磨制粉系統。