高爐噴煤磨機系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設計

魏翠萍，王艷民，唐文權(quán)

(1.中鋼集團工程設計研究院有限公司，北京100080;2.中冶京誠工程技術(shù)有限公司)

我國高爐從六十年代開始噴吹煤粉，至今已有50多年的歷史。2013年全國高爐年噴煤總量約在1億t左右。高爐噴煤制粉用的磨機型式和規(guī)格與國內(nèi)的火力發(fā)電廠相同。早期磨機采用臥式圓筒鋼球磨。七十年代末，上海重型機械廠引進美國技術(shù)生產(chǎn)HP系列碗式中速磨。八十年代中期，北京電力設備總廠和沈陽重型機械廠一起引進德國技術(shù)生產(chǎn)輪式中速磨。北京電力設備總廠生產(chǎn)ZGM系列中速輥式磨，沈陽重型機械廠生產(chǎn)MPS系列中速磨，由于兩家同時一起引進，兩種系列磨機的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)基本相同。九十年代末，南京冶金設備公司引進德國CP公司技術(shù)并合作制造生產(chǎn)EM系列大球磨。目前，國內(nèi)高爐噴煤制粉使用的磨機大部分為上述四種結(jié)構(gòu)形式。

高爐噴煤和火力發(fā)電的制粉系統(tǒng)的磨煤機工況主要區(qū)別見下表。

序號 項目 高爐噴煤制粉系統(tǒng) 火力發(fā)電制粉系統(tǒng)(直吹式)1系統(tǒng)流程 負壓收粉式 正壓直吹式2 磨機內(nèi)壓力 負壓 正壓3 干燥輸送介質(zhì) 惰性熱煙氣 熱空氣4 磨煤機出口溫度tmax＜90～100℃ 煙煤:70～90℃±5℃［1］褐煤:60～65℃+5℃［1］5 磨煤機進口溫度 ≤350℃ ≤350℃6 系統(tǒng)含氧量 ≤12% －

綜上所述兩個系統(tǒng)工況區(qū)別，相同型號磨煤機，在高爐噴煤制粉系統(tǒng)計算時，有四個基本技術(shù)數(shù)據(jù)需要修正，不宜直接使用火力發(fā)電廠同規(guī)格磨煤機采用的技術(shù)數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化高爐噴煤制粉系統(tǒng)設計，提高磨煤機使用的性價比。磨煤機的四個基本技術(shù)參數(shù)是:基本一次風量，通風阻力，電動機功率，煤粉細度。

1 磨煤機的最高出力和實際出力

磨煤機制造廠在設備選型手冊上對各種規(guī)格的磨煤機都提供一個磨煤機最高出力的參數(shù)，ZGM系列稱之為基點出力。磨煤機的實際出力是根據(jù)實際生產(chǎn)的原煤可磨性系數(shù)、煤粉細度和原煤水分以及其他因素對所選磨機的標準出力按公式1進行修正以后的產(chǎn)量。磨煤機實際出力的修正系數(shù)項目和數(shù)值可以參照磨煤機制造廠的選型手冊確定。

式中:Q－磨煤機的實際出力;

Qa－磨煤機的標準出力;

f1…fi－哈氏可磨度、煤粉細度、原煤水分、后期出力以及其他因素的修正系數(shù)。

火力發(fā)電廠為了滿足煤粉在鍋爐內(nèi)完全燃燒，要求煤粉細度達到R90≤16%。我國高爐噴吹煤種大部分為煙煤和無煙煤組成的混合煤，混合煤的可磨性指數(shù)不可能達到HGI=80%。由于高爐噴吹煤要求灰分低，大部分為噴吹洗精煤，水分不可能低至4%，一般洗精煤水分10%～12%。高爐噴煤在上述條件下，既使高爐噴煤要求煤粉細度與火力發(fā)電廠相同時，磨煤機產(chǎn)量也不可能達到磨煤機設備選型手冊上的最高出力。

2 基點一次風量和實際干燥煙氣量

高爐噴煤煤粉制備系統(tǒng)磨煤機干燥煙氣量不宜按磨煤機選型手冊提供的基點一次風量配置系統(tǒng)設備，應按磨煤機實際出力，通過熱平衡和氣體平衡原理計算干燥煙氣量，高爐噴煤制粉用磨機的入口煙氣量應該可以減少。

2.1 分析磨煤機一次風量在系統(tǒng)中作用

在ZGM系列產(chǎn)品基本數(shù)據(jù)中，當磨機規(guī)格選定以后，無論磨機實際出力多少，只有一個“基點一次風量”(即:磨機最高出力時的磨機入口風量)可供采用。磨煤機一次風量參數(shù)顯然是針對火力發(fā)電廠磨煤機制粉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。高爐噴煤制粉系統(tǒng)和火力發(fā)電廠磨煤機制粉系統(tǒng)的工藝流程不同，操作工況不同，選用磨煤機的技術(shù)參數(shù)也應該有所不同。

火力發(fā)電廠用磨煤機制粉系統(tǒng)絕大多數(shù)采用正壓直吹工藝，經(jīng)過預熱后的空氣用作一次風(即:磨煤機入口的一次風量)，當磨煤機一次風排出磨機時帶著煤粉直接吹入鍋爐爐膛進行燃燒。磨煤機一次風同時用作助燃空氣的小部分，鍋爐用的大部分助燃風(即:二次風量)不通過磨煤機同一次風同時吹入鍋爐爐膛。煤粉燃燒的助燃空氣需要量是相對定值，經(jīng)過磨煤機的一次風量減少了，直接吹入鍋爐的二次風要增加，對節(jié)省制粉系統(tǒng)投資和運行費用沒有什么影響。因此，火力發(fā)電廠磨煤機對一次風只有個最大值的限制。

中速磨用于電廠不能限制其所用原煤的品種，當磨制褐煤時，為了確保系統(tǒng)安全生產(chǎn)，磨煤機出口溫度限制在65～70℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)設計最高磨煤機出口溫度不能超過75℃。限制了磨機出口溫度等于限制了磨機入口溫度，當磨機達到最高出力及其相應條件時，按基點一次風量配置干燥煙氣，通過熱平衡計算，磨煤機入口溫度在170～180℃，磨機進出口溫差110℃，顯然，磨煤機入口一次風溫度與設備允許能力有近220℃差距。高爐噴煤磨煤機實際出力低于磨機最高出力，顯然，綜合提高一次風溫和降低磨煤機產(chǎn)量兩個因素，制粉系統(tǒng)的一次風量可大大降低。

高爐噴煤制粉用磨機的入口煙氣由高爐熱風爐廢煙氣(溫度130～150℃)和煙氣升溫爐燃燒煤氣產(chǎn)生的高溫煙氣(溫度≥900℃)混合而成，或者由磨煤機自循環(huán)煙氣(溫度90～100℃)加上升溫爐高溫煙氣組成。因為進入磨煤機的干燥煙氣是惰性煙氣，系統(tǒng)煙氣含氧率低于安全規(guī)程規(guī)定的系統(tǒng)含氧率控制在12%以下要求，該系統(tǒng)磨制高揮發(fā)份煙煤，磨機出口溫度允許達到90～100℃，布袋收粉器入口允許溫度為120℃。磨機一次風入口溫度采用300℃，磨機入口煙氣量可以比基點風量減少。

2.2 降低一次風量意義

高爐噴煤制粉系統(tǒng)采用負壓貯倉式工藝，磨煤機出口煙氣中所帶的煤粉經(jīng)布袋收粉器收集后落入煤粉倉。布袋收粉器后面設有主排風機，抽取布袋收粉器中分離出的煙氣，通過主排風機全部或部分排入大氣。減少磨煤機一次風入口煙氣量可以減少布袋收粉器過濾面積，同時也降低主排風機入口煙氣量和系統(tǒng)阻力損失，進而節(jié)省主排風機的投資和能耗。減少磨煤機一次風入口煙氣量還可以減少排放煙氣總量及PM10對大氣的環(huán)境污染。

由于磨煤機實際出力的減少，磨煤機的裝機容量應該相應減少。

由于磨煤機一次風入口煙氣量的減少，磨煤機和粗粉分離器的阻損也隨之減少，系統(tǒng)主排風機的全壓、流量和功率可以減少。

3 高爐噴煤磨機系統(tǒng)設計一次風量與負荷關(guān)系

高爐噴煤制粉車間磨煤機選型確定后，需要根據(jù)煤種重新校核磨煤機實際最大出力，設計根據(jù)實際最大出力確定一次風量。圖1為磨煤機制造廠提供火力發(fā)電廠磨機負荷率與一次風關(guān)系曲線。高爐噴煤磨煤機設計可以借鑒圖1曲線［1］，確定高爐噴煤磨煤機系統(tǒng)一次風流量。

圖1

磨機負荷率%=設計磨機最大出力/磨機基點出力%

4 高爐噴煤磨機系統(tǒng)磨機阻損與負荷關(guān)系

高爐噴煤磨機實際最大出力確定后，由于一次風量修正，磨機系統(tǒng)阻損需要相應修改。圖2為磨煤機制造廠提供火力發(fā)電廠磨機負荷與磨機阻損曲線［1］。高爐噴煤磨機系統(tǒng)設計可以借鑒圖2曲線，確定磨機阻損。

圖2

磨機靜壓降%=設計磨機阻損/磨機基點壓降%

5 高爐噴煤磨機系統(tǒng)磨機驅(qū)動功率與負荷關(guān)系

高爐噴煤磨機實際最大出力確定后，磨機本體驅(qū)動電機功率需要調(diào)整。圖3為磨煤機制造廠提供火力發(fā)電廠磨機負荷率與驅(qū)動電機功率曲線。高爐噴煤磨機系統(tǒng)設計可以借鑒圖3曲線［1］，確定磨機電機功率。

圖3

磨機功率%=設計最大出力應配電機/磨機基點出力電機功率%

6 降低磨煤細度要求

為了保證火力發(fā)電鍋爐內(nèi)煤粉的完全燃燒，發(fā)電廠要求煤粉的細度有兩種標準，英制標準:小于200目(＜0.074mm)的煤粉要求大于80%，公制標準:R90=16%(≥0.09mm的煤粉要求＜16%)。在高爐噴煤初期，高爐噴煤煤粉粒度采用與發(fā)電廠相同標準。

6.1 高爐噴吹煤粉粒度選擇

隨著高爐噴煤操作條件提高，根據(jù)實踐經(jīng)驗，高爐噴煤細度已經(jīng)逐步加粗粒度?？梢约哟置悍哿６仍?

(1)由于煤粉噴入高爐風口前回旋區(qū)內(nèi)燃燒的時間不足0.05s，不可能達到完全燃燒，既使噴吹高揮發(fā)性煙煤，并且達到發(fā)電廠要求的煤粉細度，燃燒率最多也只能達到75%左右，噴吹混合煤時燃燒率更低。

(2)高爐噴吹煤粉也不要求達到完全燃燒，從高爐風口回旋區(qū)出去的未燃煤粉還可以和焦粒一樣參加還原反應。鑒別煤粉在高爐內(nèi)利用率的高低不是看回旋區(qū)的燃燒率，而是看高爐煤氣爐塵吹出量中碳的增量有多少。

通過國外高爐粒煤噴吹可以說明煤粉粒度不是提高煤粉利用率的決定因素。

6.2 磨煤機出力與煤粉粒度關(guān)系

煤粉磨制細度是關(guān)系到磨機出力的關(guān)鍵參數(shù)，粒度從R90=16%(≥0.09mm的煤粉要求＜16%)加粗到了R90=40%，磨機出力可以提高31%。

煤粉粒度加粗后磨煤機實際出力提高了，新設計磨機系統(tǒng)時可能降低一級磨機的規(guī)格，節(jié)約了投資。對已經(jīng)在生產(chǎn)的磨機來說，加粗煤粉粒度，可以降低磨機電耗，節(jié)約能源。

7 結(jié)語

由于火力發(fā)電廠磨機工況與高爐噴煤磨機工況不同，既使選擇相同型號磨煤機，磨煤機系統(tǒng)配置也是有所不同的。高爐噴煤磨煤機系統(tǒng)設計按磨煤機實際出力修正磨煤機一次風量，以此為基礎噴吹磨煤機系統(tǒng)配套主排煙風機、布袋收粉器、管道系統(tǒng)等。通過上述優(yōu)化設計，可達到節(jié)省投資、降低生產(chǎn)能耗、節(jié)約成本目的。

［1］沈陽重型機械廠，MPS、MP輥盤式磨煤機選型設計與計算［M］.

［2］國家電力公司熱工研究院，DL/T5145－2002火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設計計算技術(shù)規(guī)定［M］.中國電力出版社，2002.

［3］中國冶金建設協(xié)會編，GB50607－2010高爐噴吹煤粉工程設計規(guī)范［M］.北京:中國計劃出版社，2011.