影響磨制褐煤風(fēng)扇磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)干燥出力的因素分析

王志麗

摘 要：我國褐煤資源豐富，但產(chǎn)地不同煤質(zhì)差別顯著。尤其寒冷地區(qū)褐煤原煤凍塊水分除不掉，流動性很差，影響制粉系統(tǒng)干燥出力不足。通過文章的分析指出：制粉系統(tǒng)的漏風(fēng)和散熱損失是影響磨煤機干燥出力下降的重要因素，對磨制水分小于40%的褐煤風(fēng)扇磨煤機干燥介質(zhì)，采用高溫爐煙和熱風(fēng)調(diào)節(jié)，取消低溫爐煙可節(jié)約投資。

關(guān)鍵詞：褐煤；直吹式制粉系統(tǒng)；風(fēng)扇磨煤機；干燥力

引言

褐煤是一種成分變化區(qū)間很大的燃料，產(chǎn)地不同煤質(zhì)差別顯著。但共同的特點是：水分灰分較大，發(fā)熱值較低，灰熔點低，揮發(fā)分高。我國褐煤資源頗為豐富，在寒冷地區(qū)燃用褐煤水分高達34%～40%左右，原煤凍塊水分除不掉，煤的流動性很差，影響制粉系統(tǒng)干燥出力。

1 風(fēng)扇磨煤機的工作特性

1.1 風(fēng)扇磨煤機的空氣動力特性

風(fēng)扇磨煤機同時完成煤的磨碎、干燥和輸送煤粉[1]。因其具有自行吸入干燥介質(zhì)的能力，所以也起到了風(fēng)機的作用，但它的運行工況又不同于風(fēng)機，因為它同時進行燃料干燥和磨碎，使磨內(nèi)的工作條件因下列因素發(fā)生大幅度的改變。即：（1）原煤在磨內(nèi)干燥時，使干燥劑溫度降低200～500℃，蒸發(fā)的水分大量析出。前一現(xiàn)象使工質(zhì)體積縮小，后者使其增大，而溫降的幅度和水分的蒸發(fā)量又決定于干燥劑的初溫，煤的初始水分、粒度以及煤粉的細度等因素。（2）煤的粒度比重在磨碎和干燥過程中不斷變化。（3）由于分離器和磨煤機組合成一整體，因此，回粉量的多少和分離器的調(diào)節(jié)擋板位置，對磨煤機內(nèi)部阻力影響很大。上述原因使風(fēng)扇磨的工作特性與其在冷態(tài)下用純空氣測定的通風(fēng)特性有顯著不同，整個制粉系統(tǒng)工作特性與管道的流通阻力有關(guān)。

1.2 風(fēng)扇磨煤機的運行性能

1.2.1 褐煤磨碎與干燥的關(guān)系

風(fēng)扇磨的運行性能主要表現(xiàn)在磨煤機出力、煤粉細度、煤粉水分和調(diào)節(jié)特性四個方面。磨煤機的出力又與干燥介質(zhì)是相輔相承的。煤粉細度隨通風(fēng)量增加而變粗，并導(dǎo)致煤粉水分增加。風(fēng)扇磨的調(diào)節(jié)性能是靠改變空氣量調(diào)節(jié)抽爐煙量，實現(xiàn)給煤量的調(diào)節(jié)，即磨煤機出力的調(diào)節(jié)和保持磨煤機出口溫度為規(guī)定值。

在風(fēng)扇磨中，煤的磨碎過程與干燥過程同時進行，相互制約。煤的磨碎是由于機械和熱力綜合作用所致，即機械作用，如轉(zhuǎn)輪撞擊煤粒、運行的煤粒撞擊蝸殼、煤粉與煤粒的撞擊等；熱力作用，如煤粒處于大量的有較高的相對速度的高溫干燥劑被干燥，使表面塑性體降低，易于破碎，干燥過程部分煤粒自行脆裂；隨著撞擊破碎和脆裂，煤粒的表面積相應(yīng)增加，使干燥作用進一步深化，從而利于磨碎，但這兩個過程隨著煤的種類、水分、灰分以及工作條件不同變化很大。實驗表明，其干燥劑煤粉濃度、溫度及細度的影響因素：（1）煤粉的水分和顆粒平均直徑的關(guān)系。當(dāng)給煤顆粒尺寸大于4mm時，對煤粉水分影響較小，濃度的影響隨著溫度增加而更加明顯。（2）干燥時，煤粒收縮，對煤粉細度的影響。褐煤是一種多毛細孔的膠體，除有大量的細毛細孔外，還有粗毛細孔，含有大量水分，當(dāng)對煤粒進行干燥時，煤粒表面的附著水分和毛細孔中的水分先后蒸發(fā)，隨著水分的減少，孔徑也相應(yīng)縮小，體積收縮，由于體積收縮而開裂破碎，這一因素不是由于破碎的作用，而是煤自身破碎。所以煤粒收縮時，對煤粉細度有影響。（3）磨碎過程的干燥速度影響。當(dāng)褐煤顆粒受到撞擊時，被高溫氣體包圍，在其強烈作用下，第一次撞擊后的煤粒得到迅速干燥。

1.2.2 煤的磨損性能

煤質(zhì)本身的特性決定了煤被磨碎的難易程度，由于各種煤的機械強度與干脆性的差異，磨碎性能是不同的。煤的磨損特性除常用的可磨度、含灰量、含硫量及灰分中的硅鋁比判斷外，還要分析煤種礦物成分的形貌/顆粒度和分布形式等[2]。對于磨損特性，也可采用磨損指數(shù)Ke來判斷；另一種判斷煤質(zhì)磨損特性方法，是通過實驗室在擬定的小型風(fēng)扇磨煤機上進行試磨，利用沖擊板的使用壽命長短來確定煤質(zhì)的磨損特性。

2 風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)干燥介質(zhì)選擇方案技術(shù)分析

2.1 干燥介質(zhì)選擇應(yīng)考慮的因素

2.1.1 干燥劑的初溫

由于褐煤水分大，需要較高的干燥劑初溫，同時要求干燥劑初溫具有一定的裕度，如果采用高溫爐煙作干燥劑，干燥劑初溫選擇就比較自由[3]，而且對制粉系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行有利。根據(jù)國外經(jīng)驗，對于水分超過40%的褐煤，抽高溫爐煙溫度取850～1150℃；對水分不超過30%的褐煤，取爐煙溫度一般為800～850℃。

2.1.2 制粉系統(tǒng)煤粉爆炸的問題

褐煤揮發(fā)分高，易于自燃，故對防爆問題應(yīng)予重視。制粉系統(tǒng)防爆措施主要有：（1）控制干燥劑的含氧量。采用熱風(fēng)干燥系統(tǒng)難以控制含氧量，而采用爐煙干燥系統(tǒng)含氧量易于控制。（2）限制干燥劑的終溫。國內(nèi)一般設(shè)計規(guī)定磨煤機出口風(fēng)粉混合溫度：用熱風(fēng)干燥為100℃，用爐煙和熱風(fēng)干燥為140℃；而德國180℃，最高達240℃。（3）制粉系統(tǒng)設(shè)計上要防止積粉、自燃及爐煙帶入火源等。應(yīng)根據(jù)褐煤水分確定有利的熱風(fēng)量。

2.1.3 控制爐內(nèi)結(jié)渣

采用爐煙干燥介質(zhì)，對排入爐內(nèi)一次風(fēng)中的惰性氣體成分（CO2、N2、H2O）增加，而O2含量減少，減慢了煤粉著火速度，使燃燒溫度降低，所以要求爐內(nèi)空氣動力場組織合理，要有效地控制爐內(nèi)結(jié)渣。

2.1.4 一次風(fēng)量協(xié)調(diào)問題

國內(nèi)實踐表明：當(dāng)褐煤水分大于30%時，一般采用爐煙+熱風(fēng)干燥，對于大容量鍋爐也可采用冷、熱爐煙+熱風(fēng)的混合干燥劑。在滿足磨煤機出力的前提下，干燥出力應(yīng)當(dāng)在設(shè)計上留有裕度，否則在水分偏高或冬季凍煤情況下，干燥劑的終溫將難以保持。

2.2 選擇干燥介質(zhì)的幾種方案技術(shù)比較

根據(jù)褐煤三高二低的特點，采用風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)的干燥介質(zhì)組成，國內(nèi)外經(jīng)驗，一般選擇有三種方案：

a.高溫爐煙；b.高溫爐煙+熱風(fēng)；c.高溫爐煙+熱風(fēng)+低溫爐煙

由于褐煤的煤質(zhì)不同，其干燥介質(zhì)的選用也不同。干燥劑如果選擇不適當(dāng)，將影響制粉系統(tǒng)的干燥出力、抽爐煙管道結(jié)焦、積灰以及爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，影響鍋爐出力等[4]，所以應(yīng)通過計算和經(jīng)濟比較確定。

2.2.1 單一介質(zhì)-抽取高溫爐煙配乏氣分離器干燥方式

對燃燒高水分褐煤（一般水分達60%）配置風(fēng)扇磨干燥方式采用高溫爐煙單一介質(zhì)，如抽高溫爐煙溫度為1000℃和高水分褐煤混合，使?fàn)t煙溫度由1000℃降到700℃～600℃，煤進入磨內(nèi)破碎，再干燥，經(jīng)乏氣分離器出口，氣粉混合物溫度為160℃～200℃，約88%～85%以上高濃度煤粉進入主燃燒器，而12%～15%的煤粉排入乏氣燃燒器，這種干燥方式可保持一次風(fēng)速在允許范圍內(nèi)，并能保證一、二次風(fēng)率比例。由于采用單一高溫?zé)煔庾鞲稍飫?，使系統(tǒng)含有大量惰性氣體，可防止制粉系統(tǒng)爆炸，可不必采取防爆措施。

2.2.2 雙介質(zhì)-高溫爐煙+熱風(fēng)的干燥方式

國內(nèi)的電站配風(fēng)扇磨煤機燃燒褐煤鍋爐，多采用這種干燥方式，其特點干燥能力較強，熱風(fēng)溫度穩(wěn)定。抽爐煙溫度800～900℃，熱風(fēng)溫度300～350℃，混合后平均溫度500～550℃，考慮到漏風(fēng)影響，溫度降低約100℃，則400～450℃和褐煤水分<40%的原煤混合，在保證熱風(fēng)、煙氣量份額合理，系統(tǒng)漏風(fēng)率小于25%以下條件時，采用此方案可以滿足干燥要求。

該系統(tǒng)是采用熱風(fēng)調(diào)節(jié)磨入口溫度，對煤質(zhì)變化，鍋爐低負荷運行，運行斷煤，啟停磨煤機，異常運行等情況，都可以調(diào)整熱風(fēng)門開度，保護磨煤機入口溫度為正常值。

由于一次風(fēng)中含有大量惰性氣體，防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣和NOX生成，對改變環(huán)境污染有利。

運行中如果爐內(nèi)空氣動力場組織不合理，此方式在抽爐煙口處易結(jié)渣，因爐內(nèi)溫度1200℃左右，碳粒處于熔化狀態(tài)，被吸入與300～400℃熱風(fēng)混合降溫，變成固態(tài)渣，堵塞抽煙口，限制抽煙量，降低干燥效果，當(dāng)調(diào)節(jié)熱風(fēng)量大時，影響爐內(nèi)燃燒，特別是送風(fēng)量不足時，更為敏感。另外，也不易控制系統(tǒng)O2和CO2的規(guī)定值（O2>16%，CO2<4%）。

2.2.3 三介質(zhì)-高溫爐煙+熱風(fēng)+低溫爐煙干燥方式

國內(nèi)外大型電站燃燒高水分褐煤鍋爐[5]，風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)一般都選擇三介質(zhì)干燥方式。這種干燥方式的特點是熱風(fēng)量相對固定。由于高溫爐煙干燥能力強，低溫爐煙系統(tǒng)含氧量可控制在允許范圍內(nèi)，磨煤機出口溫度可提高到250～280℃，且當(dāng)改變工況啟停磨煤機、斷煤等，均不會發(fā)生煤粉爆炸。

由于系統(tǒng)中惰性氣體含量高，對防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣更有利，利于實現(xiàn)低溫燃燒技術(shù)，還可以降低SO2和NOX的生成量，對減輕NOX污染有利。由于熱風(fēng)量約占干燥劑量的1/3，也可有效地控制一次風(fēng)率，加大二次風(fēng)量，利于合理組織爐內(nèi)燃燒。并且對煤質(zhì)變化和低負荷運行適應(yīng)能力強。

但其存在缺點：（1）特殊考慮空氣預(yù)熱器設(shè)計，既考慮燃燒方面熱風(fēng)溫度，又要考慮到供磨煤機干燥所需熱風(fēng)溫度。（2）系統(tǒng)復(fù)雜，占地空間大，低溫爐煙管道長，金屬耗量大；因增加低溫風(fēng)機，還需加設(shè)一套除塵設(shè)備，增大了費用和維護工作量，使經(jīng)濟性下降。

所以，對燃用我國原煤水分小于40%的褐煤鍋爐，選擇風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)干燥介質(zhì)，推薦采用具有干燥能力強，利于防止爆炸和爐內(nèi)結(jié)焦，且對鍋爐負荷及煤質(zhì)變化適用性好，調(diào)節(jié)方便，系統(tǒng)簡單，投資少，運行費用及維護費用低的高溫爐煙+熱風(fēng)（或冷風(fēng)）組成的二介質(zhì)干燥方案較為合適。

3 影響制粉系統(tǒng)干燥出力不足的因素

3.1 抽爐煙口的位置、溫度

爐煙的抽取點和溫度選取，應(yīng)根據(jù)灰的軟化溫度及磨煤機材料允許溫度確定，抽取的煙氣溫度一般低于灰的軟化溫度，一般至少50℃；抽煙口的位置選擇原則是：（1）該處的煙溫必須低于灰的軟化溫度；（2）該處為燃盡區(qū)，也就是沒有碳粒進入抽煙口內(nèi)再燃燒，抽煙口煙氣流速一般不高于15～20m/s為宜。

干燥劑的初溫選取可視褐煤水分差異而定。對于水分大于50%的褐煤，抽高溫爐煙的煙氣溫度為1000℃左右，抽煙口的位置可取自屏過中部；當(dāng)褐煤水分小于50%以下時，抽高溫爐煙的煙氣溫度為800～900℃左右，抽煙口的位置可取自鍋爐上方屏過中部。

3.2 抽高溫爐煙口與爐本體，高溫爐煙管道與風(fēng)扇磨煤機的連接方式

防止膨脹不統(tǒng)一造成泄漏，抽爐煙豎井管采用滑動法蘭與鍋爐連接，它通過彈簧將抽爐煙管的連接法蘭壓在鍋爐上，這樣鍋爐與抽爐煙豎井可以無阻礙地膨脹。

3.3 落煤管的布置方式

為使煤在進口處均勻分布到落煤管中，可采用兩種方式引入，即：（1）原煤從豎井中間加入，即抽爐煙豎井管道呈S型，原煤通過落煤管，從中間進入豎井，氣流經(jīng)過豎井彎管內(nèi)擾動，使煙氣與煤產(chǎn)生混合作用。（2）原煤從豎井側(cè)面加入，煤沿斜面滑入豎井，用擺動活柵控制，同時煤塊在整個豎井寬度上散開，使降落過程的煤能夠很好地預(yù)先干燥。

3.4 落煤管距風(fēng)扇磨入口高度

根據(jù)計算磨出口溫度為120℃時，磨入口溫度在500～600℃，所以，要求必須有足夠的干燥段，干燥劑與煤有充分的預(yù)熱時間[6-8]。

3.5 抽爐煙管道的散熱損失

風(fēng)扇磨煤機入口的抽爐煙管道的保溫材料和結(jié)構(gòu)，對管道散熱損失的大小密切相關(guān)，國內(nèi)燒褐煤電廠，風(fēng)扇磨入口抽爐煙管運行均不理想。為了減少抽爐煙管道的散熱損失，根據(jù)國外經(jīng)驗，應(yīng)在高溫爐煙管道內(nèi)襯材料和保溫方式上引以借鑒。

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)國內(nèi)褐煤特性，對磨制水分小于40%的褐煤風(fēng)扇磨煤機干燥介質(zhì)，采用高溫爐煙（1000℃）+熱風(fēng)（250℃～350℃）調(diào)節(jié)為宜。取消低溫爐煙可節(jié)約大量投資。

（2）干燥和磨碎是相互制約的。根據(jù)國內(nèi)外試驗表明：磨煤機入口干燥劑溫度如低于200℃，干燥效果明顯下降，反之，又影響磨煤機破碎能力降低。

（3）制粉系統(tǒng)的漏風(fēng)和散熱損失（抽爐煙管結(jié)構(gòu)和保溫方式不當(dāng)）是影響磨煤機干燥出力下降的重要因素，應(yīng)當(dāng)重視。

參考文獻

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