煤粉細(xì)度對制粉系統(tǒng)干燥能力的影響分析

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司 浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121）

0 引言

近年來國內(nèi)煤炭市場價(jià)格持續(xù)上漲、煤電機(jī)組發(fā)電量逐年下降，各大發(fā)電廠為了降低煤炭采購成本，越來越多以煙煤為設(shè)計(jì)煤種的電站鍋爐也開始摻燒價(jià)格相對較低的褐煤。

根據(jù)《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》推薦，以煙煤為設(shè)計(jì)煤種的大型燃煤鍋爐基本選用中速磨煤機(jī)，在其選型時(shí)并沒有充分考慮褐煤高水分的特點(diǎn)，因此大多存在干燥出力不足的問題。目前提升制粉系統(tǒng)干燥出力的工作主要集中在增加熱一次風(fēng)量、增加熱一次風(fēng)溫度、降低磨煤機(jī)出口溫度等方面，而煤粉含水率由于其取值的不確定性，導(dǎo)致其對制粉系統(tǒng)干燥能力的影響常常被忽視。

同時(shí)，褐煤在煙煤鍋爐摻燒時(shí)提升煤粉細(xì)度的措施，更多考慮的是對燃燒方面的作用，很少注意到增大煤粉細(xì)度對提升制粉系統(tǒng)干燥出力也有重要作用。因此，研究褐煤的煤粉細(xì)度與煤粉含水率的關(guān)系有重要意義。

1 研究方法

針對褐煤煤粉含水率的取值問題，國內(nèi)外不同機(jī)構(gòu)給出了不同的方法：我國制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的推薦選取辦法可參考DL/T 5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》[1]，其煤粉水分Mpc?。?.5～1.0）Mad或查相關(guān)曲線（圖1）；德國斯坦繆勒公司選取方法為Mpc≤Mad+4（Mar-Mad）/Mad，美國阿爾斯通公司取原煤水分一半，德國能源與工程技術(shù)公司提出根據(jù)對煤樣試磨提供煤粉水分?jǐn)?shù)據(jù)[2]。俄羅斯根據(jù)理論分析和綜合工業(yè)試驗(yàn)給出了風(fēng)扇磨煤機(jī)磨制褐煤煤粉水分的計(jì)算方法[2]：（t2為磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度），前蘇聯(lián)1958 年版標(biāo)準(zhǔn)算法[4]規(guī)定，褐煤的煤粉水分不應(yīng)低于原煤空氣干燥基Mad，但亦不應(yīng)超過Mad+8%。

圖1 磨制褐煤煤粉水分與原煤水分及磨煤機(jī)出口溫度關(guān)系

上述計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)或者曲線給出了不同的煤粉水分取值范圍經(jīng)驗(yàn)值、但是針對我國常用的中速磨煤機(jī)，除德國能源與工程技術(shù)公司外均沒有考慮煤粉細(xì)度的影響關(guān)系，且該公司也沒有給出具體的計(jì)算公式或圖表。

有研究表明，磨煤機(jī)內(nèi)原煤的干燥過程非常迅速，熱一次風(fēng)在進(jìn)入磨煤機(jī)噴嘴環(huán)出口上方10～20 cm 處即降低到磨煤機(jī)本體溫度，煤粉在磨煤機(jī)內(nèi)完成換熱的時(shí)間極短，通過微觀方法難以預(yù)測煤粉含水率變化。同時(shí)，煤粉顆粒小、水汽吸附能力強(qiáng)，通過等速取樣方法提取煤粉樣進(jìn)行水分分析存在誤差較大、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。

因此，采取磨煤機(jī)整體熱平衡的方法計(jì)算煤粉含水率：HP 中速磨煤機(jī)研磨褐煤達(dá)到干燥出力上限時(shí)，穩(wěn)定熱一次風(fēng)量、熱一次風(fēng)溫度和磨煤機(jī)出口溫度的條件下，通過降低動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速增加的干燥原煤的能力，反推出煤粉含水率。

磨煤機(jī)整體熱平衡關(guān)系見圖2，輸入總熱量Qin（GJ·h-1）應(yīng)當(dāng)?shù)扔谳敵龊拖臒酫out（GJ·h-1）。

圖2 磨煤機(jī)系統(tǒng)熱量及物料平衡關(guān)系

輸入總熱量Qin=Qag1+Qs+Qmac，其中Qag1（GJ·h-1）為一次風(fēng)量帶入熱；Qs（GJ·h-1）為密封風(fēng)帶入熱；Qmac（GJ·h-1）為磨煤機(jī)工作產(chǎn)生的機(jī)械熱，Qmac按照《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》計(jì)算，本文HP 磨煤機(jī)的機(jī)械熱轉(zhuǎn)化系數(shù)取0.6，單位磨煤電耗按實(shí)測值換算。密封風(fēng)量以2%計(jì)入一次風(fēng)量中，并將Qs計(jì)入Qag，不再額外計(jì)算。

輸出和消耗熱Qout=Qev+Qag2+Qf+Q5，其中：

（1）Qev（GJ·h-1）為原煤蒸發(fā)水分熱，為蒸發(fā)從煤中析出的水分以及加熱到磨煤機(jī)出口溫度的熱量，可表示為：

式中：ΔM 為燃煤蒸發(fā)水量；cH2O為水蒸氣平均定壓比熱容；t2為磨煤機(jī)出口溫度；trc為燃料初始溫度，本文取環(huán)境溫度；M 為給煤量。

（2）Qag2（GJ·h-1）為一次風(fēng)本身帶走的熱量。

（3)Qf（GJ·h-1）為加熱燃料消耗的熱量，包括加熱煤粉及其殘余水分從燃料初始溫度到磨煤機(jī)出口溫度的熱量。

（4）Q5（GJ·h-1）為設(shè)備散熱損失，由于試驗(yàn)選擇極易磨的印尼褐煤，石子煤排放量極少、且不同工況間無偏差，額外損失按輸入熱取1%的固定值。

2 研究對象

2.1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠鍋爐型號為B&WB-3048/26.15-M，鍋爐設(shè)計(jì)煤種為煙混煤，校核煤種為晉北煙煤，制粉系統(tǒng)為中速磨煤機(jī)配冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式系統(tǒng)，采用6 臺(tái)HP1163/Dyn 型中速磨煤機(jī)，并采用動(dòng)態(tài)分離器調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 HP1163 磨煤機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)煤種

該鍋爐設(shè)計(jì)煤種為煙煤，煤種特性如表2 所示。全水分為14%，低位熱值為22.5 MJ/kg；選擇高水分的印尼褐煤開展試驗(yàn)，全水分39.4%、低位熱值15.25 MJ/kg。

表2 設(shè)計(jì)煤種及試驗(yàn)煤種特性

3 試驗(yàn)結(jié)果

研磨印尼煤時(shí)，考慮到煤粉管水汽結(jié)露引起的煤粉結(jié)塊，控制出口溫度不低于58 ℃；同時(shí)增加風(fēng)煤比到2.8 左右，給煤量達(dá)到約51 t/h，此時(shí)冷風(fēng)已關(guān)閉、磨煤機(jī)入口溫度達(dá)到300 ℃，達(dá)到干燥出力上限。通過冷、熱風(fēng)門自動(dòng)撤出，達(dá)到穩(wěn)定一次風(fēng)量和出口溫度的目的；手動(dòng)控制給煤量，逐步降低動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速，各工況穩(wěn)定運(yùn)行30 min 后取值，得到1 組工況數(shù)據(jù)見表3。

由圖3 可見，分離器電機(jī)轉(zhuǎn)速從800 r/min降低到500 r/min，煤量大約可增加2.8 t/h；同時(shí)，磨煤機(jī)電流相應(yīng)減小1.9 A，等效降低磨煤機(jī)電耗約10%，與分離器轉(zhuǎn)速變低、磨煤機(jī)內(nèi)煤粉存煤量減少相一致。

圖3 給煤量與分離器電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

由于給煤量的控制不是隨干燥出力增加而自動(dòng)增加的，因此當(dāng)分離器轉(zhuǎn)速降低時(shí)，通過給煤量手動(dòng)控制方式使得在部分階段出現(xiàn)給煤量的階躍，并給予系統(tǒng)足夠的平衡時(shí)間。通過磨煤機(jī)整體熱平衡分析法計(jì)算上述工況的各項(xiàng)輸入、輸出熱量的大小，如表4 和圖4 所示，首先可以明顯發(fā)現(xiàn)各工況下磨煤機(jī)中蒸發(fā)原煤水分消耗熱占比均在70%以上。

表3 不同試驗(yàn)工況下的數(shù)據(jù)

表4 煤粉含水率測算結(jié)果

圖4 磨煤機(jī)系統(tǒng)出口輸出熱量攜帶比例

在工況1—10 的變化中，系統(tǒng)輸入、輸出熱量在45.8～47.1 GJ/h 變化，除個(gè)別工況外，大部分工況熱量波動(dòng)幅度約2%；但是該系統(tǒng)的干燥能力給煤量從51 t/h 增加到54 t/h，增加比例約為6%，幅度遠(yuǎn)大于輸入熱量的變化。進(jìn)一步分析各項(xiàng)輸出熱量可以發(fā)現(xiàn)，在10 個(gè)工況中，占比70%以上的蒸發(fā)水分熱變化很小。從式（1）可見，當(dāng)燃料溫度和磨煤機(jī)出口溫度保持不變時(shí)，由于原煤蒸發(fā)水分熱Qev變化很小，單位質(zhì)量下的燃煤蒸發(fā)水量與給煤量成反比。

如圖5 所示，分離器轉(zhuǎn)速從43 r/min 降低到27 r/min 后，煤粉顆粒變大。通過熱平衡可以推算出煤粉含水率從19.97%增加到21.28%，這是導(dǎo)致干燥出力增加2.8 t/h 的內(nèi)在因素。即煤粉顆粒變大導(dǎo)致煤粉含水率增加，相同輸入熱量下可以干燥更多的煤量。

圖5 煤粉含水率與分離器轉(zhuǎn)速關(guān)系

4 結(jié)論

（1）中速磨煤機(jī)研磨褐煤時(shí)，增加煤粉細(xì)度可增加煤粉含水率，減少水分從原煤中的析出量，從而增加干燥出力?，F(xiàn)有的規(guī)范和方法中，煤粉含水率的取值均沒有考慮煤粉細(xì)度的影響。

（2）HP1163 中速磨煤機(jī)磨制褐煤，分離器轉(zhuǎn)速從43 r/min 降低至27 r/min 時(shí)，煤粉水分含水率增加1.3%，可增加干燥出力約5%～6%。

（3）中速磨煤機(jī)整體熱平衡法是分析煤粉水分切實(shí)可靠、有助于分析制粉系統(tǒng)干燥出力的有效方法。

（4）中速磨煤機(jī)研磨褐煤，蒸發(fā)水分消耗熱需要占比70%以上。