高水分褐煤的磨型選擇適應(yīng)性分析

趙鵬 寇震

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 湖北武漢 430071）

0 引言

世界上褐煤儲(chǔ)量約有4 萬(wàn)億t，占到煤炭總儲(chǔ)量的40%，其中俄羅斯和東歐地區(qū)的褐煤儲(chǔ)量又占到了世界總儲(chǔ)量的一半。隨著“一帶一路”的推進(jìn)，越來(lái)越多的東歐電站項(xiàng)目被開(kāi)發(fā)，褐煤電廠發(fā)展前景廣闊。

褐煤，又名柴煤，是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤，是一種介于泥炭與瀝青煤之間的棕黑色、無(wú)光澤的低等級(jí)煤，具有高水分（收到基全水分Mar30%～60%）、高揮發(fā)分（干燥無(wú)灰基揮發(fā)分Vdaf＞37%）、易燃、低熱值（低位發(fā)熱量4 186 kJ/kg～16 744 kJ/kg）、不易儲(chǔ)存和遠(yuǎn)運(yùn)等特點(diǎn)。正因?yàn)楹置河羞@些特點(diǎn)，制粉系統(tǒng)的選擇上不同于其他煤種。

1 褐煤制粉系統(tǒng)選擇分析

1.1 原煤水分對(duì)制粉系統(tǒng)擬定的影響

選用煤粉鍋爐時(shí)，首先要擬定制粉系統(tǒng)。由于褐煤具有高揮發(fā)分的特點(diǎn)，通常會(huì)采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)或風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)。由于風(fēng)扇磨的后期維護(hù)成本高，在煤種適宜時(shí)，一般會(huì)優(yōu)先選擇中速磨直吹式制粉系統(tǒng)。

《火力發(fā)電廠褐煤制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)選型導(dǎo)則》（Q/DG 1-J025-2014）［1］對(duì)選擇褐煤制粉系統(tǒng)有以下推薦意見(jiàn)：

原煤全水分在30%以下時(shí)，宜選用中速磨煤機(jī)；

原煤全水分介于30%～35%之間，應(yīng)通過(guò)制粉系統(tǒng)平衡試算，條件適宜時(shí)宜選用風(fēng)扇磨煤機(jī)。

原煤全水分高于35%時(shí)，宜選用風(fēng)扇磨煤機(jī)。

另從磨煤機(jī)廠反饋的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，對(duì)于中速磨，煤種的揮發(fā)分不能太高，建議不超過(guò)45%，否則可能引起煤粉自燃等安全事故。

即將發(fā)布的新版《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》也有類(lèi)似要求。

由此可見(jiàn)，原煤水分對(duì)中速磨制粉系統(tǒng)有一定的限制性，中速磨制粉系統(tǒng)并不能適應(yīng)水分過(guò)高的褐煤。

1.2 原煤水分限制中速磨制粉系統(tǒng)的原因分析

煤在鍋爐里燃燒時(shí)，所需的空氣由一次風(fēng)（一次風(fēng)機(jī)）和二次風(fēng)（送風(fēng)機(jī)）提供。一次風(fēng)的主要作用是為磨煤機(jī)提供磨制合格煤粉所需的熱量，并將制成的合格煤粉通過(guò)送粉管道送入爐膛。二次風(fēng)的主要作用是為煤粉在爐膛內(nèi)燃燒提供所需的空氣。在煤質(zhì)和耗煤量不變的條件下，一次風(fēng)和二次風(fēng)的總量是確定的。

冷一次風(fēng)和冷二次風(fēng)在空預(yù)器里被煙氣加熱后成為熱一次風(fēng)和熱二次風(fēng)。熱一次風(fēng)和未經(jīng)加熱的冷一次風(fēng)（壓力冷風(fēng)）混合到制粉所需的合適風(fēng)溫進(jìn)入磨煤機(jī)，用于煤粉制備。在磨煤機(jī)里，煤不僅要被碾磨，還要被干燥。如果沒(méi)被充分干燥（去除外在水分），煤粉會(huì)板結(jié)成塊，堵塞分離器，無(wú)法通過(guò)送粉管道進(jìn)入爐膛。

原煤水分越高，磨煤機(jī)所需的干燥出力就越強(qiáng)。要提高干燥出力，只有兩個(gè)途徑：①提高進(jìn)入磨煤機(jī)的一次風(fēng)溫；②提高進(jìn)入磨煤機(jī)的一次風(fēng)量。但是這兩個(gè)途徑同時(shí)受到制粉系統(tǒng)防爆和鍋爐穩(wěn)定燃燒一次風(fēng)率的制約。

熱一次風(fēng)是由冷風(fēng)在空預(yù)器里被煙氣加熱獲得。為保證位于省煤器和空預(yù)器之間的SCR 脫硝裝置能正常運(yùn)行，省煤器出口的煙氣溫度需控制在320 ℃～400 ℃，這樣在空預(yù)器中被煙氣加熱后的熱一次風(fēng)溫一般也不超過(guò)350 ℃。即使采取增大空預(yù)器尺寸，提高入口煙溫等措施，或在熱一次風(fēng)道上設(shè)置蒸汽或煙氣加熱器進(jìn)一步提高熱一次風(fēng)溫度，熱一次風(fēng)溫也難以超過(guò)400 ℃～420 ℃，所以進(jìn)入磨煤機(jī)的熱風(fēng)溫度不能進(jìn)一步提高。在風(fēng)溫受限之后，只剩下加大一次風(fēng)量來(lái)提高磨煤機(jī)干燥出力的辦法了。在很多項(xiàng)目上，特別是國(guó)外項(xiàng)目中，不少業(yè)主認(rèn)為加大磨煤機(jī)型號(hào)，或者增加磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)就可以增大磨煤機(jī)的通風(fēng)量，進(jìn)而提高磨煤機(jī)的干燥出力。例如在印尼某350 MW 項(xiàng)目中，原煤全水分最高達(dá)到42%，總包商就一度認(rèn)為如果采用600 MW 等級(jí)的磨煤機(jī)就可以滿足干燥出力的要求，經(jīng)過(guò)與鍋爐廠、磨煤機(jī)廠反復(fù)匹配，最終證明這種想法是實(shí)現(xiàn)不了的。

從磨煤機(jī)出來(lái)被送往爐膛的煤粉是風(fēng)粉混合物。受設(shè)備耐溫和防爆要求的限制，磨煤機(jī)出口溫度需滿足《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5145-2012）［2］的要求，對(duì)于揮發(fā)分大于40%的褐煤，中速磨煤機(jī)出口的溫度應(yīng)限制在70℃以?xún)?nèi)。這樣進(jìn)入鍋爐參與燃燒的空氣主要是兩種溫度，一次風(fēng)（＜70 ℃）和二次風(fēng)（＜350 ℃）。假定通過(guò)加大磨煤機(jī)的型號(hào)或增加臺(tái)數(shù)以滿足干燥出力，其實(shí)就是增加了總的一次風(fēng)量。而因?yàn)殄仩t每小時(shí)燃煤所需的空氣總量是一定的，如果提高一次風(fēng)量，就需要減少二次風(fēng)量。

由于一次風(fēng)溫較低，如果進(jìn)入爐膛的一次風(fēng)比例過(guò)高，就意味著大量的冷空氣進(jìn)入爐膛，鍋爐將無(wú)法穩(wěn)定燃燒，所以一次風(fēng)所占的比例（一次風(fēng)率）需要控制在合理范圍。對(duì)于普通煙煤而言，一次風(fēng)率一般在20%左右。對(duì)于高水分褐煤而言，一次風(fēng)率也不宜超過(guò)35%?？梢?jiàn)，為提高中速磨的干燥出力，一次風(fēng)量并不能無(wú)限制加大，所以靠加大磨煤機(jī)型號(hào)及增加臺(tái)數(shù)的辦法并不能解決干燥出力問(wèn)題。

所以，由于一次風(fēng)溫和風(fēng)量受限，導(dǎo)致中速磨制粉系統(tǒng)的干燥出力受限。當(dāng)原煤全水分超過(guò)30%時(shí)，需要進(jìn)行鍋爐和磨煤機(jī)的匹配試算來(lái)判斷是否可以采用中速磨制粉系統(tǒng)。

表1 是某350 MW 機(jī)組燃用的煤質(zhì)，設(shè)計(jì)煤和校核煤的全水分分別為35.2%和40.8%，計(jì)算得到設(shè)計(jì)煤和校核煤的外水分分別為20%和23.6%。經(jīng)過(guò)鍋爐廠和磨煤機(jī)廠的匹配計(jì)算，如按中速磨制粉系統(tǒng)選型，設(shè)計(jì)煤的一次風(fēng)率約為38%，校核煤的一次風(fēng)率超過(guò)了40%，鍋爐不能穩(wěn)定燃燒，只能按照風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

表1 某350 MW 機(jī)組煤質(zhì)成分表

結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目的比選分析，褐煤制粉系統(tǒng)選型建議如下：

（1）當(dāng)原煤收到基全水分低于30%時(shí)，通常可選用中速磨制粉系統(tǒng)。

（2）當(dāng)原煤收到基全水分介于30%和35%之間時(shí)，需要進(jìn)行制粉系統(tǒng)匹配試算和外水分Mf比較分析。煤的全水分包括內(nèi)水分和外水分，內(nèi)水分是吸附在物料內(nèi)部毛細(xì)孔中的水分，外水分是指附著在煤顆粒表面的水分。在一定條件下，煤樣與周?chē)諝鉂穸冗_(dá)到平衡時(shí)，所失去的水分就是外水分。煤的外水分直接受所處外界條件的影響，與煤本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)，而內(nèi)水分由于毛細(xì)孔吸附力的作用，是較難蒸發(fā)的。所以，外水分對(duì)制粉系統(tǒng)干燥出力的影響更大。

結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目的選型經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)原煤收到基全水分介于30%和35%之間且外水分小于或等于19%時(shí)，可初步先選擇中速磨制粉系統(tǒng)，并核算磨煤機(jī)干燥出力，以實(shí)際核算結(jié)果為準(zhǔn)；當(dāng)外水分大于19%時(shí)，經(jīng)過(guò)干燥出力核算，如果中速磨制粉系統(tǒng)不能滿足要求，則需要選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

（3）當(dāng)原煤收到基全水分大于35%時(shí)，通常需選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

1.3 典型褐煤電廠制粉系統(tǒng)選擇

表2 為典型褐煤電廠原煤水分和制粉系統(tǒng)的選擇情況，可以看出，元寶山3 號(hào)爐和上都1～4 號(hào)爐原煤水分均低于30%，選擇了中速磨制粉系統(tǒng)；伊敏3、4 號(hào)爐原煤水分超過(guò)了35%，選擇了風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)；通遼5 號(hào)爐和九臺(tái)1、2 號(hào)爐的原煤水分介于30%和35%之間。經(jīng)過(guò)比較外水分，通遼5 號(hào)爐可以選用中速磨制粉系統(tǒng)，九臺(tái)1、2 號(hào)爐外水分超過(guò)了19%，只能選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

表2 典型褐煤電廠制粉系統(tǒng)選擇

2 中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)比較

當(dāng)原煤水分在一定范圍內(nèi)，既可以選用中速磨又可以選擇風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)時(shí)，通常優(yōu)先選擇中速磨制粉系統(tǒng)。這是因?yàn)轱L(fēng)扇磨的打擊板壽命較短，運(yùn)行2 000 h 后就需要補(bǔ)焊維護(hù)，而每次維護(hù)打擊板都需要拆卸打擊輪，維護(hù)工作量較大。打擊板也只能補(bǔ)焊3～4 次，所以打擊輪每2 年就需要更換，導(dǎo)致維護(hù)成本較高。

表3 600 MW 機(jī)組中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

以1 臺(tái)600 MW 超臨界褐煤機(jī)組（全水分約31%，通過(guò)試算可選擇中速磨制粉系統(tǒng)或風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)）為例，如選用中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)，初投資和年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析見(jiàn)表3。

從表3 能看出，中速磨制粉系統(tǒng)在初投資和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用上均優(yōu)于風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)，在條件適宜的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用中速磨制粉系統(tǒng)。

3 結(jié)論和建議

由于受到一次風(fēng)溫和一次風(fēng)率的限制，中速磨制粉系統(tǒng)不能燃用水分過(guò)高的褐煤。加大磨煤機(jī)型號(hào)或增加磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)會(huì)提高一次風(fēng)率，過(guò)高的一次風(fēng)率將造成爐膛燃燒不穩(wěn)定，并不能解決根本問(wèn)題。

當(dāng)原煤收到基全水分小于30%時(shí)，通?？蛇x用中速磨制粉系統(tǒng)；當(dāng)原煤收到基全水分處于30%和35%之間且外水分小于19%時(shí)，可初步先選擇中速磨制粉系統(tǒng)，并核算磨煤機(jī)干燥出力，以實(shí)際核算結(jié)果為準(zhǔn)；當(dāng)原煤收到基全水分位于30%和35%之間且外水分大于19%時(shí)，經(jīng)過(guò)干燥出力核算，如果中速磨制粉系統(tǒng)不能滿足要求，則需要選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)；當(dāng)原煤收到基全水分大于35%時(shí)，通常需選用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)。

當(dāng)中速磨和風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)都能適用時(shí)，由于中速磨制粉系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用均優(yōu)于風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先采用中速磨制粉系統(tǒng)。