煙氣制粉技術(shù)探討

摘 ?要：文章根據(jù)高效煤粉鍋爐的MF3型燃燒器對煤粉的要求，選擇適合的煤種;根據(jù)煤種和煤粉特性、依據(jù)規(guī)程規(guī)范和實(shí)際調(diào)研，結(jié)合項(xiàng)目地理位置、場地條件、安全、經(jīng)濟(jì)等多種因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選出最適合的制粉方案—煙氣集中制粉。通過分析煙氣制粉的關(guān)鍵控制點(diǎn)采取有效措施，確保系統(tǒng)安全、環(huán)保、節(jié)能。經(jīng)過近五年的運(yùn)行驗(yàn)證，實(shí)踐表明此煙氣制粉系統(tǒng)安全、節(jié)能、環(huán)保。

關(guān)鍵詞：高效煤粉鍋爐;煙氣制粉;超細(xì)煤粉;微煤霧化

中圖分類號：TP39 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0165-05

Abstract： According to the requirements of MF3 burner of high efficiency pulverized coal boiler for pulverized coal， the paper selects the suitable coal; according to the characteristics of coal and pulverized coal， specifications and actual investigation， combined with the geographical location， site conditions， safety， economy and other factors of the project， and through technical and economic comparison， the paper finally selects the most suitable pulverizing scheme—flue gas centralized pulverizing. By analyzing the key control points of flue gas pulverization， effective measures are taken to ensure a safety， environmental protective and energy conservative system. After nearly five years of operation verification， the practice shows that the flue gas pulverizing system is safe， energy-saving and environment-friendly.

Keywords： high efficiency pulverized coal boiler; flue gas pulverization; superfine pulverized coal; micro coal atomization

0 ?引 ?言

目前，我國正在大力發(fā)展高效煤粉鍋爐、微煤霧化技術(shù)，來提高鍋爐熱效率、提高煤的潔凈燃燒和利用，以減少對環(huán)境的污染;為此需要對煤進(jìn)行超細(xì)磨制備煤粉。高效煤粉鍋爐多建在生活區(qū)、工業(yè)園區(qū)，煤粉廠考慮安全、環(huán)保、來煤方便等因素多建在郊區(qū)。筆者正趕上這樣一個工程“續(xù)建新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)供熱工程天津華苑供熱所5×58 MW高效煤粉供熱鍋爐項(xiàng)目”，制粉廠由于多種原因沒能建到郊區(qū)，只能配套建在天津華苑供熱所（以下簡稱“華苑所”）;華苑所預(yù)留鍋爐房無位置建設(shè)爐前制粉，只能就近建設(shè)制粉車間;華苑所地處天津市新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，制粉、送粉、儲粉必須確保安全、環(huán)保，探討由此開始。

1 ?常用的制粉方案

我國常見的煤粉鍋爐制粉系統(tǒng)有以下幾種：鋼球磨煤機(jī)貯倉式乏氣送粉制粉系統(tǒng)、鋼球磨煤機(jī)貯倉式熱風(fēng)送粉制粉系統(tǒng)、鋼球磨煤機(jī)貯倉式開式制粉系統(tǒng)、雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)、中速磨煤機(jī)正壓直吹式熱一次風(fēng)機(jī)制粉系統(tǒng)、中速磨煤機(jī)正壓直吹式冷一次風(fēng)機(jī)制粉系統(tǒng)、風(fēng)扇磨煤機(jī)直吹式三介質(zhì)干燥劑制粉系統(tǒng)、風(fēng)扇磨煤機(jī)直吹式二介質(zhì)干燥劑制粉系統(tǒng)、帶煤粉濃縮的直吹式制粉系統(tǒng)。

我國常見的鋼廠高爐制粉方案有以下幾種：煙氣直排式制粉系統(tǒng)、煙氣自循環(huán)式制粉系統(tǒng)。

2 ?磨煤機(jī)和制粉系統(tǒng)的選擇原則

磨煤機(jī)和制粉系統(tǒng)的選擇原則具體為：

（1）首先確認(rèn)是為鍋爐制粉還是為高爐噴吹制粉，是爐前制粉還是集中制粉。

（2）其次根據(jù)煤的燃燒、磨損、爆炸特性、可磨性、磨煤機(jī)的制粉特性及煤粉細(xì)度的要求，結(jié)合鍋爐爐膛和燃燒器結(jié)構(gòu)統(tǒng)一考慮，并考慮投資、檢修運(yùn)行水平及設(shè)備的配套、備品備件供應(yīng)以及煤的來源和煤中雜物情況諸因素，以達(dá)到磨煤機(jī)、制粉系統(tǒng)和燃燒裝置匹配合理，保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（3）當(dāng)煤干燥無灰基揮發(fā)分大于10%時，制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防爆要求。

（4）煤的磨損性能可以用煤的磨損指數(shù)進(jìn)行判斷或通過試磨確定。

（5）煤的燃燒性能一般可根據(jù)煤的揮發(fā)分來判斷，但劣質(zhì)煙煤和貧煤的燃燒性能需進(jìn)行燃料著火溫度的測定，甚至在試驗(yàn)臺進(jìn)行試燒后確定，以作為選擇制粉系統(tǒng)型式的依據(jù)。

（6）根據(jù)煤的燃料著火溫度選擇制粉系統(tǒng)類型的界限可按DL/T5145-2002《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》制定。

（7）根據(jù)煤的磨損指數(shù)選擇磨煤機(jī)的界限是依據(jù)磨煤機(jī)碾磨件的壽命近似劃分。中速磨煤機(jī)碾磨件的壽命應(yīng)大于6 000 h，風(fēng)扇磨煤機(jī)沖擊板壽命應(yīng)大于1 000 h。

3 ?本項(xiàng)目燃煤特性和煤粉特性

本項(xiàng)目選用的是58 MW高效煤粉熱水鍋爐，其燃燒器單元主要設(shè)備為MF3型燃燒器，是一種區(qū)別于電站鍋爐燃燒器的新型無級配風(fēng)逆噴式低氮旋流燃燒器，屬專利產(chǎn)品。經(jīng)過近些年來的實(shí)踐，證明這種燃燒器是一種非常理想的寬調(diào)節(jié)比煤粉工業(yè)鍋爐燃燒裝置，MF3型燃燒器對煤粉的要求如表1所示。

依據(jù)燃燒器對煤粉的要求以及燃燒器的成熟案例，選擇燃料煤，燃料煤特性如表2所示。

通過以上數(shù)據(jù)可得高效煤粉鍋爐需要高揮發(fā)分的超細(xì)煤粉，華苑所的原煤為難磨、磨損性不強(qiáng)、V4級高揮發(fā)分、Q2級高發(fā)熱量、A1級低灰分、M3級中水分、S1級低硫、ST1級煤灰熔融性、屬于Ⅲ級易爆性煙煤，依據(jù)DL/T5145-2002《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》，最適宜的磨煤機(jī)為中速磨煤機(jī)，最適宜的制法方式為直吹式制粉。

4 ?制粉系統(tǒng)的選擇

本項(xiàng)目是為5臺新型高效煤粉鍋爐制粉，屬于鍋爐制粉。依據(jù)MF3系列煤粉燃燒器要求的成品煤粉和原煤特性，最適宜的磨煤機(jī)為中速磨煤機(jī)，最適宜的制法方式為直吹式制粉。

但是本項(xiàng)目預(yù)留鍋爐房無位置建設(shè)爐前制粉，華苑所總圖布置如圖1所示。

只能就近建設(shè)制粉車間，屬于集中制粉;即使是鍋爐房有位置建設(shè)爐前制粉，但新型高效煤粉鍋爐沒有空預(yù)器，不能提供制粉所需要的熱風(fēng)，MF3系列煤粉燃燒器要求送粉壓力≥30 kPa，壓力很高，也不適用于直吹式制粉的壓力要求;至此除磨煤機(jī)選用中速磨煤機(jī)能確定外，制粉系統(tǒng)選擇進(jìn)入困境。

經(jīng)多方調(diào)研，新型高效煤粉鍋爐均采用集中制粉，制粉廠均遠(yuǎn)離居民區(qū)，磨機(jī)均為中速磨，采用煙氣爐提供熱煙氣自循環(huán)制粉，只有一部分經(jīng)煙囪排往大氣。而本項(xiàng)目地處天津市新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，制粉、送粉、儲粉必須確保安全、環(huán)保，除5臺高效煤粉鍋爐合建一座煙囪外，不允許再建其他煙囪，制粉乏氣只能通過鍋爐煙囪外排。

環(huán)保要求制粉系統(tǒng)的乏氣必須治理達(dá)標(biāo)后才能外排，分析制粉乏氣污染物組成，主要是煙塵，可由袋式收粉器處理達(dá)標(biāo)。其他成份就與提供熱量的煙氣爐的燃料有關(guān)，若為清潔燃料天然氣，煙氣中幾乎沒有SO2等污染物;若燃燒煤粉，則需要脫除乏氣中所含的少量SO2等污染物。

經(jīng)落實(shí)外部條件，項(xiàng)目所在地暫時不能提供清潔燃料天然氣，煙氣爐燃料近期只能選用煤粉，并進(jìn)行了兩種燃料的成本比較：

（1）燃?xì)鉄煔鉅t方案系統(tǒng)組成：

1臺燃?xì)鉄煔鉅t、1套燃?xì)庹{(diào)壓快關(guān)控制組件、1臺鼓風(fēng)機(jī)。

（2）煤粉煙氣爐方案系統(tǒng)組成：

1臺煤粉煙氣爐、1臺煤粉塔及送粉組件、1臺鼓風(fēng)機(jī)。

（3）對比：兩方案的煙氣爐、鼓風(fēng)機(jī)是一樣的，裝置差別在給料系統(tǒng)。燃?xì)鉄煔鉅t方案因天然氣是清潔能源，不需要脫硫、脫硝系統(tǒng)就能滿足環(huán)保要求。煤粉煙氣爐方案烘干后的乏氣需要脫硫、脫硝，脫硫由爐后脫硫系統(tǒng)完成，脫硝方案一是煙氣爐上加SNCR，但沒有成熟案例，方案二是依靠鍋爐脫硝系統(tǒng)富余量來沖減。當(dāng)采用5×58 MW煤粉鍋爐煙氣做干燥劑時，執(zhí)行新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)需要2臺58 MW鍋爐采用SNCR+SCR（二層催化劑）聯(lián)合脫硝，這就增加了催化劑的消耗，約增加54萬元。煤粉煙氣爐的煤粉塔、供粉系統(tǒng)、廠房投資約增加450萬元;每個采暖季送粉供粉系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用約58萬元;每個采暖季脫硫系統(tǒng)增加石灰石0.21 t/h×2 880 h=600 t，折合15萬元;每個采暖季脫硝系統(tǒng)增加約70萬元;每個采暖季煙氣爐用煤粉2.27 t/h×2 ?880 h ×850=555.7萬元;每個采暖季煙氣爐用天然氣1 470 m3/h×2 880 h×2.7=1 143萬元;天然氣比煤粉運(yùn)行成本高1 143-58-555.7-70-15=374.3萬元/年。

煤粉煙氣爐比天然氣煙氣爐多投資450萬元，年運(yùn)行費(fèi)用少374.3萬元，天然氣煙氣爐運(yùn)行費(fèi)用高，但系統(tǒng)簡單，便于操作，隨著煤制氣蓬勃發(fā)展和國外天然氣的引入，天然氣價格將會更低。故煙氣爐采用天然氣、煤粉兩用燃燒器，先上煤粉煙氣爐，也盡可能安裝天然氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩用。為避開乏氣帶SO2等污染物，也考慮過用蒸汽換熱器提供熱源、5臺58 MW高效煤粉鍋爐內(nèi)增加熱風(fēng)管等方案。

下文對蒸汽煙氣加熱器不合理性進(jìn)行分析：

采用蒸汽煙氣加熱器方案，用330 ℃、1.3 MPa的過熱蒸汽把進(jìn)入磨煤機(jī)的煙氣加熱，根據(jù)煤粉要小于5%含水量，磨煤機(jī)出口溫度取85 ℃（煙氣露點(diǎn)溫度59 ℃+26 ℃），磨煤機(jī)進(jìn)口溫度則需加熱到260 ℃;忽略煙氣加熱器中的阻力損失，蒸汽壓力不變，1.3 MPa飽和蒸汽對應(yīng)的溫度為195 ℃。

對于換熱器，蒸汽放熱變?yōu)轱柡退訜釤煔獾膿Q熱過程屬于相變換熱，換熱過程需要分為無相變換熱和相變換熱兩段，過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝南嘧冞^程溫度不變，保持在195 ℃，考慮換熱器能進(jìn)行換熱，需要有至少10 ℃溫差，因此，煙氣從185 ℃加熱到260 ℃只能用過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝姆艧?只有煙氣從110℃加熱到185 ℃的過程可以用飽和蒸汽變?yōu)轱柡退钠瘽摕帷?30 ℃、1.3 MPa的過熱蒸汽焓值為3 107 kJ/kg，1.3 MPa的飽和蒸汽焓值為2 788 kJ/kg，兩者差值319 kJ/kg，由于過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝撵式岛苄。?0萬標(biāo)立的煙氣計(jì)算，把煙氣從185 ℃加熱到260 ℃過程需要45 t/h的過熱蒸汽。1.3 MPa飽和蒸汽的汽化潛熱很大，為1 958 kJ/kg，煙氣由110 ℃加熱到185 ℃，需要5.5 t/h的汽化潛熱，另有39.5 t/h仍然為蒸汽，故換熱器出口側(cè)出來的介質(zhì)為汽水混合物。

換熱器消耗蒸汽量很大，蒸汽利用不完全，不經(jīng)濟(jì)。并且需要45 t/h過熱蒸汽占70 t/h過熱蒸汽的64%，使供熱所失去了外供蒸汽能力，此方案行不通。

改造新訂貨鍋爐因改造費(fèi)用和工期要求等等因素綜合比較后也不可行;最好最經(jīng)濟(jì)的熱源設(shè)備只有煤粉煙氣爐。

經(jīng)過以上比較論證，制粉系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備煤粉煙氣爐、中速磨煤機(jī)可以確定，下一步需要確定干燥、輸送煤粉的氣體——干燥劑。

干燥劑從經(jīng)濟(jì)角度首選熱空氣、其次是再循環(huán)乏氣、煙氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w。本項(xiàng)目原煤是V4級高揮發(fā)分、Ⅲ級易爆性煙煤，依據(jù)DL/T5145-2002《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》第9.5節(jié)制粉系統(tǒng)防爆的技術(shù)措施，第9.5.1條：5）由于惰性氣體和水蒸氣含量的增加而降低制粉系統(tǒng)介質(zhì)的含氧量時，可減少爆炸的危險性。當(dāng)氧的體積含量<12%（按濕干燥劑計(jì)算）時，爆炸的危險可排除。

本項(xiàng)目地處居民聚集區(qū)域，安全是第一位的，所以干燥劑必須為氧的體積含量<12%的惰性氣體。

經(jīng)計(jì)算，選用煙氣爐加熱空氣配乏氣再循環(huán)，無論系統(tǒng)啟動多長時間，干燥劑中氧的體積比永遠(yuǎn)大于12%，此方案排除。干燥劑只剩煙氣和氮?dú)鈨煞N惰性氣體。氮?dú)馀c煙氣相比，氮?dú)庑枰徺I或制備，熱源廠是不產(chǎn)氮?dú)獾?熱源廠現(xiàn)有9臺供熱鍋爐，新建5臺高效煤粉鍋爐，煙氣是廢棄物，是不需要花錢制備的;綜合考慮選取新建鍋爐經(jīng)布袋除塵器凈化處理后的煙氣，此煙氣含氧量約6%左右，煙塵含量小于10 mg/Nm3，是最理想的惰性氣體。鍋爐煙氣經(jīng)煙氣爐加熱后送入磨機(jī)，考慮磨機(jī)密封風(fēng)和制粉系統(tǒng)漏風(fēng)進(jìn)入熱煙氣內(nèi)，磨機(jī)出口煙氣的含氧量約8%左右，遠(yuǎn)小于<12%，爆炸的危險可排除。另外鍋爐排出煙氣溫度115 ℃，磨機(jī)乏氣溫度85 ℃，考慮熱量損失，采用此煙氣制粉，仍有20 ℃溫差可利用，起到變廢為寶、節(jié)能減排的目的。經(jīng)計(jì)算一個采暖季，利用此煙氣制粉，可節(jié)省2 900噸成品煤粉，約節(jié)省200萬元。

綜合以上論證，本項(xiàng)目制粉系統(tǒng)需要采用潔凈熱煙氣為干燥劑，以煙氣爐為熱源，以中速磨煤機(jī)為碾磨設(shè)備，以袋式煤粉收集器為收粉設(shè)備的制粉系統(tǒng)。

經(jīng)查找資料，煤粉制備標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范除DL/T5145-2002《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》和GB50607-2010《高爐噴吹煤粉工程設(shè)計(jì)規(guī)范》外，再無其他;而本項(xiàng)目雖然屬于熱水鍋爐制粉，不屬于高爐噴吹制粉，但細(xì)細(xì)研究《高爐噴吹煤粉工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，其指導(dǎo)思想、制粉方法與本項(xiàng)目設(shè)想的制粉比較接近，可以參考執(zhí)行。

故本項(xiàng)目采用煙氣直排式制粉系統(tǒng)，為方便運(yùn)行調(diào)節(jié)也設(shè)有煙氣自循環(huán)旁路，制粉乏氣送回爐后濕法脫硫與濕電進(jìn)行凈化處理，經(jīng)新建鍋爐煙囪達(dá)標(biāo)排放，制粉系統(tǒng)不設(shè)煙囪，煙氣集中制粉系統(tǒng)組成，煙氣集中制粉系統(tǒng)圖如圖2所示。

5 ?制粉系統(tǒng)的安全環(huán)保措施

經(jīng)過調(diào)查研究并進(jìn)行技術(shù)分析，制粉系統(tǒng)采取如下安全與環(huán)保措施。

5.1 ?安全措施

本系統(tǒng)采取的安全措施具體有：

（1）采用含氧量不超過12%實(shí)則8%左右的惰性氣體熱煙氣制粉，是最根本的安全措施。

（2）熱煙氣管道、磨煤機(jī)、煤粉收集器、煙氣爐、煙氣爐煤粉倉均安裝有足夠數(shù)量的防爆門。

（3）磨煤機(jī)采用負(fù)壓制粉，并設(shè)有密封風(fēng)，防止煤粉外泄。

（4）磨煤機(jī)進(jìn)出口煙道、熱煙氣管道、制粉乏氣送回管道上均安裝有測氧儀和測溫計(jì)，適時監(jiān)控各系統(tǒng)參數(shù)。

（5）磨煤機(jī)本體多處安裝有測溫計(jì)、并設(shè)有氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)。

（6）制粉系統(tǒng)設(shè)有消防水系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)、除靜電裝置等等。

（7）專門設(shè)有5座50立氮?dú)鈨抻糜谥品巯到y(tǒng)的氮?dú)庀馈?/p>

5.2 ?環(huán)保措施

環(huán)保措施主要有以下幾項(xiàng)：

（1）制粉系統(tǒng)采用負(fù)壓運(yùn)行，防止粉塵外泄。

（2）制粉乏氣經(jīng)過布袋收粉器凈化，煙塵濃度小于10 mg/Nm3。

（3）制粉乏氣送回爐后濕法脫硫與濕電進(jìn)行凈化處理，經(jīng)新建鍋爐煙囪達(dá)標(biāo)排放，制粉系統(tǒng)不設(shè)煙囪，煙囪出口SO2濃度小于35 mg/Nm3，煙塵濃度小于5 mg/Nm3。

6 ?煙氣制粉系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況

制粉系統(tǒng)經(jīng)一個采暖季運(yùn)行，實(shí)測熱煙氣含氧量6.2%，磨煤機(jī)進(jìn)口煙氣含氧量7.7%，收粉器出口乏氣含氧量8.9%，整個制粉系統(tǒng)處于安全防爆的惰性氣體環(huán)境，實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行監(jiān)控畫面如圖3所示，煙氣集中制粉建成照如圖4所示，圖中左側(cè)為煙氣集中制粉車間，右側(cè)為鍋爐房，中間部分為熱煙氣管道、回送乏氣管道。煙氣制粉平常出力40 t/h左右，煤粉品質(zhì)和產(chǎn)量完全滿足5臺58 MW高效煤粉鍋爐需要;最大出力運(yùn)行到62 t/h，達(dá)到設(shè)計(jì)出力60 t/h;最小出力15 t/h左右能穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7 ?結(jié) ?論

通過以上理論設(shè)計(jì)、實(shí)際運(yùn)行，說明華苑所采用煙氣制粉系統(tǒng)方案安全、可行、可靠。華苑所的投運(yùn)為煙氣制粉開拓出新的方法，這對其他煤粉制備項(xiàng)目有一定的參考價值。

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作者簡介：李世嶺（1972—），男，漢族，河北永年人，選礦工程高級工程師，本科，主要研究方向：礦物加工、煙氣脫硫與脫硝、熱能動力研究與設(shè)計(jì)。