魏翠萍，王艷民，唐文權(quán)

(1.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)高爐年噴煤總量約在1億t左右。高爐噴煤制粉用的磨機(jī)型式和規(guī)格與國(guó)內(nèi)的火力發(fā)電廠相同。早期磨機(jī)采用臥式圓筒鋼球磨。七十年代末，上海重型機(jī)械廠引進(jìn)美國(guó)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(shè)備總廠和沈陽重型機(jī)械廠一起引進(jìn)德國(guó)技術(shù)生產(chǎn)輪式中速磨。北京電力設(shè)備總廠生產(chǎn)ZGM系列中速輥式磨，沈陽重型機(jī)械廠生產(chǎn)MPS系列中速磨，由于兩家同時(shí)一起引進(jìn)，兩種系列磨機(jī)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(shè)備公司引進(jìn)德國(guó)CP公司技術(shù)并合作制造生產(chǎn)EM系列大球磨。目前，國(guó)內(nèi)高爐噴煤制粉使用的磨機(jī)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(jī)工況主要區(qū)別見下表。

序號(hào) 項(xiàng)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(fù)壓收粉式 正壓直吹式2 磨機(jī)內(nèi)壓力 負(fù)壓 正壓3 干燥輸送介質(zhì) 惰性熱煙氣 熱空氣4 磨煤機(jī)出口溫度tmax＜90～100℃ 煙煤:70～90℃±5℃［1］褐煤:60～65℃+5℃［1］5 磨煤機(jī)進(jìn)口溫度 ≤350℃ ≤350℃6 系統(tǒng)含氧量 ≤12% －

綜上所述兩個(gè)系統(tǒng)工況區(qū)別，相同型號(hào)磨煤機(jī)，在高爐噴煤制粉系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，有四個(gè)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(jī)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(shè)計(jì)，提高磨煤機(jī)使用的性價(jià)比。磨煤機(jī)的四個(gè)基本技術(shù)參數(shù)是:基本一次風(fēng)量，通風(fēng)阻力，電動(dòng)機(jī)功率，煤粉細(xì)度。

1 磨煤機(jī)的最高出力和實(shí)際出力

磨煤機(jī)制造廠在設(shè)備選型手冊(cè)上對(duì)各種規(guī)格的磨煤機(jī)都提供一個(gè)磨煤機(jī)最高出力的參數(shù)，ZGM系列稱之為基點(diǎn)出力。磨煤機(jī)的實(shí)際出力是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的原煤可磨性系數(shù)、煤粉細(xì)度和原煤水分以及其他因素對(duì)所選磨機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)出力按公式1進(jìn)行修正以后的產(chǎn)量。磨煤機(jī)實(shí)際出力的修正系數(shù)項(xiàng)目和數(shù)值可以參照磨煤機(jī)制造廠的選型手冊(cè)確定。

式中:Q－磨煤機(jī)的實(shí)際出力;

Qa－磨煤機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)出力;

f1…fi－哈氏可磨度、煤粉細(xì)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(xì)度達(dá)到R90≤16%。我國(guó)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(dá)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(xì)度與火力發(fā)電廠相同時(shí)，磨煤機(jī)產(chǎn)量也不可能達(dá)到磨煤機(jī)設(shè)備選型手冊(cè)上的最高出力。

2 基點(diǎn)一次風(fēng)量和實(shí)際干燥煙氣量

高爐噴煤煤粉制備系統(tǒng)磨煤機(jī)干燥煙氣量不宜按磨煤機(jī)選型手冊(cè)提供的基點(diǎn)一次風(fēng)量配置系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)按磨煤機(jī)實(shí)際出力，通過熱平衡和氣體平衡原理計(jì)算干燥煙氣量，高爐噴煤制粉用磨機(jī)的入口煙氣量應(yīng)該可以減少。

2.1 分析磨煤機(jī)一次風(fēng)量在系統(tǒng)中作用

在ZGM系列產(chǎn)品基本數(shù)據(jù)中，當(dāng)磨機(jī)規(guī)格選定以后，無論磨機(jī)實(shí)際出力多少，只有一個(gè)“基點(diǎn)一次風(fēng)量”(即:磨機(jī)最高出力時(shí)的磨機(jī)入口風(fēng)量)可供采用。磨煤機(jī)一次風(fēng)量參數(shù)顯然是針對(duì)火力發(fā)電廠磨煤機(jī)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(jī)制粉系統(tǒng)的工藝流程不同，操作工況不同，選用磨煤機(jī)的技術(shù)參數(shù)也應(yīng)該有所不同。

火力發(fā)電廠用磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)絕大多數(shù)采用正壓直吹工藝，經(jīng)過預(yù)熱后的空氣用作一次風(fēng)(即:磨煤機(jī)入口的一次風(fēng)量)，當(dāng)磨煤機(jī)一次風(fēng)排出磨機(jī)時(shí)帶著煤粉直接吹入鍋爐爐膛進(jìn)行燃燒。磨煤機(jī)一次風(fēng)同時(shí)用作助燃空氣的小部分，鍋爐用的大部分助燃風(fēng)(即:二次風(fēng)量)不通過磨煤機(jī)同一次風(fēng)同時(shí)吹入鍋爐爐膛。煤粉燃燒的助燃空氣需要量是相對(duì)定值，經(jīng)過磨煤機(jī)的一次風(fēng)量減少了，直接吹入鍋爐的二次風(fēng)要增加，對(duì)節(jié)省制粉系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用沒有什么影響。因此，火力發(fā)電廠磨煤機(jī)對(duì)一次風(fēng)只有個(gè)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(dāng)磨制褐煤時(shí)，為了確保系統(tǒng)安全生產(chǎn)，磨煤機(jī)出口溫度限制在65～70℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高磨煤機(jī)出口溫度不能超過75℃。限制了磨機(jī)出口溫度等于限制了磨機(jī)入口溫度，當(dāng)磨機(jī)達(dá)到最高出力及其相應(yīng)條件時(shí)，按基點(diǎn)一次風(fēng)量配置干燥煙氣，通過熱平衡計(jì)算，磨煤機(jī)入口溫度在170～180℃，磨機(jī)進(jìn)出口溫差110℃，顯然，磨煤機(jī)入口一次風(fēng)溫度與設(shè)備允許能力有近220℃差距。高爐噴煤磨煤機(jī)實(shí)際出力低于磨機(jī)最高出力，顯然，綜合提高一次風(fēng)溫和降低磨煤機(jī)產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)因素，制粉系統(tǒng)的一次風(fēng)量可大大降低。

高爐噴煤制粉用磨機(jī)的入口煙氣由高爐熱風(fēng)爐廢煙氣(溫度130～150℃)和煙氣升溫爐燃燒煤氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔?溫度≥900℃)混合而成，或者由磨煤機(jī)自循環(huán)煙氣(溫度90～100℃)加上升溫爐高溫?zé)煔饨M成。因?yàn)檫M(jìn)入磨煤機(jī)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(jī)出口溫度允許達(dá)到90～100℃，布袋收粉器入口允許溫度為120℃。磨機(jī)一次風(fēng)入口溫度采用300℃，磨機(jī)入口煙氣量可以比基點(diǎn)風(fēng)量減少。

2.2 降低一次風(fēng)量意義

高爐噴煤制粉系統(tǒng)采用負(fù)壓貯倉式工藝，磨煤機(jī)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(shè)有主排風(fēng)機(jī)，抽取布袋收粉器中分離出的煙氣，通過主排風(fēng)機(jī)全部或部分排入大氣。減少磨煤機(jī)一次風(fēng)入口煙氣量可以減少布袋收粉器過濾面積，同時(shí)也降低主排風(fēng)機(jī)入口煙氣量和系統(tǒng)阻力損失，進(jìn)而節(jié)省主排風(fēng)機(jī)的投資和能耗。減少磨煤機(jī)一次風(fēng)入口煙氣量還可以減少排放煙氣總量及PM10對(duì)大氣的環(huán)境污染。

由于磨煤機(jī)實(shí)際出力的減少，磨煤機(jī)的裝機(jī)容量應(yīng)該相應(yīng)減少。

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

3 高爐噴煤磨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一次風(fēng)量與負(fù)荷關(guān)系

高爐噴煤制粉車間磨煤機(jī)選型確定后，需要根據(jù)煤種重新校核磨煤機(jī)實(shí)際最大出力，設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際最大出力確定一次風(fēng)量。圖1為磨煤機(jī)制造廠提供火力發(fā)電廠磨機(jī)負(fù)荷率與一次風(fēng)關(guān)系曲線。高爐噴煤磨煤機(jī)設(shè)計(jì)可以借鑒圖1曲線［1］，確定高爐噴煤磨煤機(jī)系統(tǒng)一次風(fēng)流量。

圖1

磨機(jī)負(fù)荷率%=設(shè)計(jì)磨機(jī)最大出力/磨機(jī)基點(diǎn)出力%

4 高爐噴煤磨機(jī)系統(tǒng)磨機(jī)阻損與負(fù)荷關(guān)系

高爐噴煤磨機(jī)實(shí)際最大出力確定后，由于一次風(fēng)量修正，磨機(jī)系統(tǒng)阻損需要相應(yīng)修改。圖2為磨煤機(jī)制造廠提供火力發(fā)電廠磨機(jī)負(fù)荷與磨機(jī)阻損曲線［1］。高爐噴煤磨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以借鑒圖2曲線，確定磨機(jī)阻損。

圖2

磨機(jī)靜壓降%=設(shè)計(jì)磨機(jī)阻損/磨機(jī)基點(diǎn)壓降%

5 高爐噴煤磨機(jī)系統(tǒng)磨機(jī)驅(qū)動(dòng)功率與負(fù)荷關(guān)系

高爐噴煤磨機(jī)實(shí)際最大出力確定后，磨機(jī)本體驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需要調(diào)整。圖3為磨煤機(jī)制造廠提供火力發(fā)電廠磨機(jī)負(fù)荷率與驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率曲線。高爐噴煤磨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以借鑒圖3曲線［1］，確定磨機(jī)電機(jī)功率。

圖3

磨機(jī)功率%=設(shè)計(jì)最大出力應(yīng)配電機(jī)/磨機(jī)基點(diǎn)出力電機(jī)功率%

6 降低磨煤細(xì)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(xì)度有兩種標(biāo)準(zhǔn)，英制標(biāo)準(zhǔn):小于200目(＜0.074mm)的煤粉要求大于80%，公制標(biāo)準(zhǔn):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(biāo)準(zhǔn)。

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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，高爐噴煤細(xì)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(fēng)口前回旋區(qū)內(nèi)燃燒的時(shí)間不足0.05s，不可能達(dá)到完全燃燒，既使噴吹高揮發(fā)性煙煤，并且達(dá)到發(fā)電廠要求的煤粉細(xì)度，燃燒率最多也只能達(dá)到75%左右，噴吹混合煤時(shí)燃燒率更低。

(2)高爐噴吹煤粉也不要求達(dá)到完全燃燒，從高爐風(fēng)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(yīng)。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(guó)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(jī)出力與煤粉粒度關(guān)系

煤粉磨制細(xì)度是關(guān)系到磨機(jī)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(jī)出力可以提高31%。

煤粉粒度加粗后磨煤機(jī)實(shí)際出力提高了，新設(shè)計(jì)磨機(jī)系統(tǒng)時(shí)可能降低一級(jí)磨機(jī)的規(guī)格，節(jié)約了投資。對(duì)已經(jīng)在生產(chǎn)的磨機(jī)來說，加粗煤粉粒度，可以降低磨機(jī)電耗，節(jié)約能源。

7 結(jié)語

由于火力發(fā)電廠磨機(jī)工況與高爐噴煤磨機(jī)工況不同，既使選擇相同型號(hào)磨煤機(jī)，磨煤機(jī)系統(tǒng)配置也是有所不同的。高爐噴煤磨煤機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)按磨煤機(jī)實(shí)際出力修正磨煤機(jī)一次風(fēng)量，以此為基礎(chǔ)噴吹磨煤機(jī)系統(tǒng)配套主排煙風(fēng)機(jī)、布袋收粉器、管道系統(tǒng)等。通過上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，可達(dá)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(jī)械廠，MPS、MP輥盤式磨煤機(jī)選型設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.

［2］國(guó)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(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定［M］.中國(guó)電力出版社，2002.

［3］中國(guó)冶金建設(shè)協(xié)會(huì)編，GB50607－2010高爐噴吹煤粉工程設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.