高濃度煤粉輸送與燃燒系統(tǒng)以及在隧道窯上的應(yīng)用實(shí)踐

王 恒，馮俊小，李曉波

(1.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.啟東市冶金機(jī)械有限公司，江蘇 啟東 226200)

高濃度煤粉輸送與燃燒系統(tǒng)以及在隧道窯上的應(yīng)用實(shí)踐

王 恒1,2，馮俊小1,2，李曉波3

(1.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.啟東市冶金機(jī)械有限公司，江蘇 啟東 226200)

本文介紹了一套新開(kāi)發(fā)的隧道窯高濃度煤粉燃燒系統(tǒng)，包括煤粉的制備、儲(chǔ)存、高濃度輸送及燃燒技術(shù)。該技術(shù)適用于供熱點(diǎn)多，但每個(gè)供熱點(diǎn)容量小，要求溫度均勻、對(duì)積灰有一定寬容度且對(duì)煙氣有凈化設(shè)備的燃煤熱工設(shè)備。本文討論了在直接還原隧道窯上的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了改進(jìn)措施。

高濃度煤粉輸送；小型煤粉燃燒器；直接還原隧道窯

在我國(guó)化石能源中，煤炭無(wú)論從生產(chǎn)量和消費(fèi)量上都要占到三分之二以上，是我國(guó)的主要能源，并且在以后較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)也不會(huì)有很大的改變。煤的利用方式有多種多樣，可直接燃燒利用，也可轉(zhuǎn)化成煤氣再加以利用。從目前國(guó)內(nèi)常用的混合煤氣發(fā)生爐(無(wú)論是單段爐或是兩段爐)的運(yùn)行參數(shù)來(lái)看，其煤氣熱值大多低于5220 kJ/m3，燃料轉(zhuǎn)化率低于75%，并且單爐產(chǎn)氣量較低。因此，對(duì)于燃燒溫度要求較高，供熱量較大的熱工設(shè)備，煤氣化難以滿足。而煤粉的直接燃燒，燃料的轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%以上，且無(wú)容量的限制。由此可見(jiàn)，只要熱工設(shè)備的爐膛對(duì)積灰有一定的寬容度且爐尾有高效的除塵設(shè)備，無(wú)疑直接燃煤是最高效的能源利用方式。

煤粉燃燒是各種煤炭直接燃燒方法中最為普遍的燃燒方式，也是電站鍋爐的基本燃煤方式。除電站外，煤粉燃燒主要用于一些設(shè)置單燒嘴的工業(yè)爐窯，如各種回轉(zhuǎn)窯等。常規(guī)的煤粉燃燒系統(tǒng)有直吹式和中間儲(chǔ)倉(cāng)式兩類(lèi)。前者是煤經(jīng)磨煤機(jī)制粉后由氣流攜帶直接進(jìn)入煤粉燃燒器燃燒，后者則是先將煤經(jīng)磨粉機(jī)制粉，然后經(jīng)過(guò)收塵器儲(chǔ)存在儲(chǔ)倉(cāng)中，再由給粉器和風(fēng)粉混合器將煤粉攜帶至燃燒器燃燒。以上兩種煤粉燃燒系統(tǒng)，無(wú)論是應(yīng)用于電站鍋爐還是各種工業(yè)爐窯，其煤粉在攜帶氣流中的比例都是很低的。一般來(lái)說(shuō)，攜帶煤粉的空氣(也稱(chēng)一次風(fēng))占煤粉燃燒所需空氣量的20%～30%，大約每立方米空氣只能攜帶0.55～0.85kg煤粉，所需其余燃燒所需空氣由燃燒器的二次風(fēng)甚至三次風(fēng)來(lái)提供[1]。這種燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)是每套系統(tǒng)燃燒器的數(shù)量不能太多，一般是1～6臺(tái)燃燒器，否則無(wú)法保證均勻供粉。另外，為防止爆炸，不能對(duì)攜帶煤粉的空氣進(jìn)行預(yù)熱。另一種煤粉輸送及應(yīng)用技術(shù)是高爐煤粉噴吹。煤粉經(jīng)磨煤機(jī)制粉和收塵器收集后進(jìn)入煤粉儲(chǔ)罐，然后按操作周期將煤粉加入到帶有流化裝置的噴吹罐，噴吹罐加壓后進(jìn)入工作狀態(tài)，煤粉再經(jīng)混合器由高壓氣流攜帶經(jīng)輸粉總管到爐前分配器，然后再通過(guò)分出的數(shù)十個(gè)支管，煤粉被送到煤粉噴槍噴入高爐回旋區(qū)完成燃燒與氣化。這種噴燃系統(tǒng)的特點(diǎn)，一是煤粉氣流中煤粉的濃度很高，可達(dá)15～40 kg/m3，比一般煤粉燃燒系統(tǒng)的高出幾十倍，以避免較多冷空氣進(jìn)入回旋區(qū)而降低燃燒溫度；二是每個(gè)系統(tǒng)的噴管數(shù)量可以很多，并且經(jīng)分配器后各支管煤粉流量非常均勻[2]。

本文借鑒高爐噴吹系統(tǒng)的制粉及輸送技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種小型高濃度煤粉燃燒器，將這種高濃度煤粉氣流直接用于隧道窯。該技術(shù)適合于燃燒器數(shù)量多，供熱區(qū)域大，溫度要求均勻的隧道窯等燃煤熱工設(shè)備。

1 高濃度煤粉制備及輸送系統(tǒng)

本文開(kāi)發(fā)的高濃度煤粉輸送及燃燒系統(tǒng)應(yīng)用于一臺(tái)大型直接還原鐵隧道窯。熱工制度與常規(guī)的隧道窯一樣，屬于逆流操作的熱工設(shè)備，沿窯長(zhǎng)度方向分為預(yù)熱段、燒成段和冷卻段。制品與氣流以相反方向運(yùn)動(dòng)，在三段中依次完成產(chǎn)品的預(yù)熱、燒成、冷卻過(guò)程。該窯總長(zhǎng)度為132 m，其中預(yù)熱段45 m，加熱段45 m，冷卻段42 m，內(nèi)寬4 m。爐墻采用耐火磚、隔熱磚和紅磚砌筑，窯頂采用平頂，為整體澆注。加熱段爐溫設(shè)定為1150～1250℃，總供熱功率約為7MW。加熱段共安裝30臺(tái)燃燒器，每側(cè)15臺(tái)，采用高揮發(fā)分的神木煤為燃料。

煤粉制備、倉(cāng)儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)如圖1所示。煤經(jīng)過(guò)斗式提升機(jī)加入高位煤倉(cāng)，再經(jīng)過(guò)定量給料機(jī)加入到輥式中速磨中。輥式磨輥徑為1100 mm，兩棍為高耐磨合金棍套結(jié)構(gòu)。該輥式磨出力約為5 t/h，開(kāi)機(jī)5～6 h即可滿足一天的噴煤用量。干燥介質(zhì)為隧道窯煙氣，因?yàn)槊旱膿]發(fā)分很高，所以溫度控制為150～230℃范圍內(nèi)。調(diào)整干燥介質(zhì)的入口流量，煤粉粒度控制為80%<200網(wǎng)目(75μm)。合格的煤粉經(jīng)過(guò)布袋式收塵器收集，再經(jīng)噴射泵送到密閉料倉(cāng)。料倉(cāng)容積為60 m3，除裝有排氣用的除塵器和泄爆閥外，還裝有O2和CO檢測(cè)裝置，當(dāng)料倉(cāng)中O2或CO濃度超標(biāo)時(shí)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，打開(kāi)充氮閥，向料倉(cāng)充氮，以確保安全。此外，為使下料均勻順暢，料倉(cāng)下部裝有18臺(tái)流化器，流化氣體為氮?dú)狻?/p>

噴吹系統(tǒng)采用并列式，噴吹罐A和B并列布置。當(dāng)一個(gè)噴吹罐在進(jìn)行噴吹時(shí)，另一個(gè)噴吹罐進(jìn)行泄壓、裝粉、充壓。噴吹過(guò)程周而復(fù)始，按順序循環(huán)進(jìn)行。并列式工藝流程簡(jiǎn)單，可大大降低噴吹施工高度，工程投資省。另外，由于煤粉計(jì)量是按照安裝在料倉(cāng)和噴吹罐上的電子稱(chēng)稱(chēng)重隨時(shí)間的變化關(guān)系計(jì)算得到的，因此煤粉計(jì)量比較容易。

噴吹罐下部設(shè)有2次流化裝置，使得噴吹罐工作時(shí)下料均勻順暢。噴吹罐工作時(shí)，煤粉在壓力作用下，經(jīng)過(guò)下料閥、流量控制器進(jìn)入流化式混合器，在噴吹介質(zhì)壓縮空氣的帶動(dòng)下沿煤粉輸送總管到達(dá)爐頂。由于供熱范圍長(zhǎng)達(dá)45m，因此需要沿爐長(zhǎng)方向布置兩臺(tái)煤粉分配器，每臺(tái)分出15個(gè)支管，供15臺(tái)燃燒器用。煤粉輸送總管在爐頂按一定角度分為兩個(gè)支管分別對(duì)應(yīng)兩臺(tái)分配器。輸送煤粉的流量和煤粉輸送濃度可以通過(guò)調(diào)整煤粉流量控制器調(diào)頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴射介質(zhì)的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。本項(xiàng)目煤粉輸送總管管徑為50 mm，長(zhǎng)度約為100 m?？偣苎亻L(zhǎng)度方向設(shè)有數(shù)個(gè)與主管成一定角度的壓縮空氣噴射管，這是為在管道出現(xiàn)堵塞時(shí)處理方便而設(shè)置的。煤粉分配器帶有吹掃支管，即每根煤粉支管都有一個(gè)吹掃管，當(dāng)單個(gè)燃燒器出現(xiàn)堵塞時(shí)，進(jìn)行吹掃疏通，而不影響其他燃燒器的正常工作。煤粉噴吹系統(tǒng)操作參數(shù)列于表1。

表1 煤粉噴吹系統(tǒng)操作參數(shù)

2 隧道窯及煤粉燃燒系統(tǒng)

本文煤粉燃燒系統(tǒng)應(yīng)用的隧道窯在爐溫制度、爐壓制度上與一般隧道窯無(wú)異，但由于燃料為煤粉，而煤粉燃盡所需的空間較大，因此在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)隧道窯結(jié)構(gòu)有所不同。常規(guī)燃?xì)夂腿加偷乃淼栏G一般利用在兩個(gè)窯車(chē)之間空間作為燃燒空間，而煤粉的燃燒空間則設(shè)置在物料的上部，傳熱方式以輻射為主，因此，物料的碼放方式和尺寸會(huì)直接影響加熱能力。圖2為該隧道窯結(jié)構(gòu)形式及工作方式示意圖。

圖2 隧道窯結(jié)構(gòu)形式及工作方式示意圖

冷鼓風(fēng)機(jī)鼓入冷風(fēng)與物料進(jìn)行熱交換，物料被冷卻，空氣被加熱至約250℃。加熱后的空氣被熱助燃風(fēng)機(jī)抽取后鼓入助燃風(fēng)管，分配到兩側(cè)燃燒器。此外，由于內(nèi)配煤鐵礦石壓塊加熱到一定溫度后，煤中揮發(fā)分會(huì)釋出進(jìn)入煙氣中，造成能源浪費(fèi)，也給磨煤帶來(lái)安全隱患，因此，在預(yù)熱段后部也設(shè)置有空氣導(dǎo)入管。當(dāng)檢測(cè)出煙氣中有可燃物存在時(shí)，開(kāi)啟閥門(mén)噴入空氣使之燃盡。窯車(chē)下有平衡風(fēng)機(jī)，調(diào)整鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，維持窯車(chē)上下壓力一致，避免吸冷風(fēng)或向下竄火。另外平衡風(fēng)機(jī)對(duì)窯車(chē)也有一定的冷卻作用。

加熱段物料距窯頂為1.1 m，燃燒器裝在燃燒空間的中部，與對(duì)面燃燒器錯(cuò)開(kāi)1.16 m。物料經(jīng)過(guò)預(yù)熱段后表面溫度達(dá)到800℃左右，在加熱段達(dá)到設(shè)定的1150～1250℃，再經(jīng)過(guò)冷卻出窯溫度為200℃左右。物料在窯內(nèi)的停留時(shí)間視裝料多少而不同，約為48～64 h。

小流量高濃度煤粉燃燒器(圖3)的開(kāi)發(fā)是本文的關(guān)鍵技術(shù)之一。該燃燒器結(jié)構(gòu)合理，尺寸小巧，煤粉噴槍與配風(fēng)器可完全分離。噴頭采用耐磨耐熱材料制造，煤粉噴口直徑僅為9 mm，更換十分方便。配風(fēng)器采用可動(dòng)軸向扭曲葉片旋流器，調(diào)整旋流強(qiáng)度可改變煤粉火焰的長(zhǎng)度。該小型高濃度煤粉燃燒器于2012年申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利(實(shí)用新型專(zhuān)利已經(jīng)授權(quán)[3]),其主要技術(shù)參數(shù)列于表2。

圖3 小型高濃度煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)

煤粉噴吹系統(tǒng)和窯爐均采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作。

3 運(yùn)行實(shí)踐

隧道窯為新建窯，采用壓縮天然氣烘爐。烘爐結(jié)束后，爐溫約為750～800℃時(shí)，逐步更換煤粉燃燒器，啟動(dòng)噴粉系統(tǒng)，使煤粉燃燒器開(kāi)始工作。調(diào)整好配風(fēng)器，可見(jiàn)清晰的煤粉氣流噴入爐內(nèi)，由于所用煤粉揮發(fā)分較高，著火性能好，在距噴嘴出口幾厘米的地方就出現(xiàn)了明亮的火焰。煤粉氣流噴出速度約為15～25 m/s，火焰長(zhǎng)度約為1.5～2 m。所有噴嘴啟動(dòng)后，爐溫很快會(huì)升溫至規(guī)定的1180～1240℃。正常燃燒時(shí)，煙氣經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的預(yù)熱段和干燥窯，粉塵大部分已經(jīng)沉降，目測(cè)煙囪排放氣體呈淺白色，可以達(dá)到當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)。

由于隧道窯直接還原鐵壓塊工藝正在調(diào)試，隧道窯經(jīng)常要處于低負(fù)荷保溫狀態(tài)，這時(shí)所有燃燒器停止噴煤，約3 h后爐溫降至750～800℃時(shí)，開(kāi)啟噴粉系統(tǒng)，爐溫又會(huì)迅速回升。這也說(shuō)明了煤粉燃燒系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大，操作也很方便。

運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)一些問(wèn)題。主要有：(1)噴粉系統(tǒng)在開(kāi)始啟用的最初兩天，煤粉管道容易發(fā)生堵塞。堵塞物主要是管道內(nèi)銹塊、焊疤等。所以，噴粉前要進(jìn)行徹底的吹掃；(2)爐壓調(diào)整不當(dāng)。一般預(yù)熱段窯內(nèi)為負(fù)壓，加熱段為微負(fù)壓或微正壓，而冷卻段為正壓[4]。由于助燃空氣從冷卻段抽取，當(dāng)煤粉燃燒量增加，助燃空氣量也隨之調(diào)大，這時(shí)如果冷鼓風(fēng)機(jī)流量沒(méi)有增加或增加不多，就會(huì)造成煙氣倒流，助燃空氣中存在大量煙氣而造成燃燒中缺氧而冒煙。因此，操作時(shí)要注意這個(gè)問(wèn)題；(3)物料與窯壁上有結(jié)渣現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樯衲久夯胰埸c(diǎn)太低的緣故所致，可在煤中摻入部分高灰熔點(diǎn)煤就可得到很大程度的緩解。

4 結(jié)論

(1)本文首次將高爐噴吹煤粉工藝中的煤粉制備、儲(chǔ)存及輸送技術(shù)應(yīng)用到直接還原鐵隧道窯上，為供熱點(diǎn)多而單個(gè)供熱量小，且溫度要求均勻的設(shè)備燃煤提供了一種可行的技術(shù)措施；

(2)本文開(kāi)發(fā)的小型高濃度煤粉燃燒器設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；

(3)整個(gè)隧道窯煤粉燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作，調(diào)整和管理比較方便，正常的燃燒排放經(jīng)適當(dāng)處理后可以達(dá)到一般的環(huán)保要求。

[1] 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計(jì)算[M].3版.北京：科學(xué)出版社，2003.

[2] 湯清華，馬樹(shù)涵.高爐噴吹煤粉知識(shí)問(wèn)答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[3] 王 恒，馮俊小，滿 毅.高濃度煤粉燃燒器:中國(guó),CN202902273U[P].2013-04-24.

[4] 畢由增，王宏偉.實(shí)用磚瓦隧道焙燒窯燒成工藝技術(shù)[M].2版.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2012.

(本文文獻(xiàn)格式：王 恒，馮俊小，李曉波.高濃度煤粉輸送與燃燒系統(tǒng)以及在隧道窯上的應(yīng)用實(shí)踐[J].山東化工,2017,46(3):82-85.)

Highly Loaded Pulverized Coal Transportation and Combustion System and Its Application in a Tunnel Kiln

WangHeng1,2,FengJunxiao1,2,LiXiaobo3

(1. School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission Reduction for Metallurgical Industry, USTB, Beijing 100083, China;3. Qidong Metallurgical Machinery Co.,Ltd.,Qidong 226200,China)

In this paper,a newly developed highly loaded pulverized coal combustion system for tunnel kiln,including pulverized coal preparation,storage,transportation and combustion has been introduced. This technology is suitable for the coal-fired furnaces which are equipped with many small heat capacity burners，demand uniform furnace temperature,ash-tolerance and installed flue gas cleaning device. Its operation experience in a tunnel kiln for DRI has been discussed,and improvement measures have also been proposed.

highly loaded pulverized coal transportation; small capacity PC burner; tunnel kiln for DRI

2016-12-22

北京市教委共建科研基地建設(shè)項(xiàng)目—催化燃燒技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金

王 恒(1957—)，男，天津薊縣人，教授，主要從事燃燒理論與工業(yè)爐熱工技術(shù)的研究與教學(xué)工作。

TK16

A

1008-021X(2017)03-0082-04