賈明生，侯冬盡

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

開式煤粉制備系統(tǒng)工藝優(yōu)化及分析

賈明生，侯冬盡

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

為達(dá)到開式煤粉制備系統(tǒng)清潔、安全和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的目的，對傳統(tǒng)的二步法開式煤粉制備系統(tǒng)工藝進(jìn)行優(yōu)化，撤除原先制粉工藝中的集粉器，平衡風(fēng)管直接架設(shè)到布袋除塵器的進(jìn)口管道上；針對優(yōu)化后制粉工藝，通過工藝計(jì)算，探討烘干機(jī)進(jìn)出口溫度、漏風(fēng)率、平衡風(fēng)風(fēng)量、原煤水分烘干率對系統(tǒng)含氧量、煙氣濕度、引風(fēng)機(jī)負(fù)載以及熱風(fēng)爐燃料能耗的影響規(guī)律；依據(jù)計(jì)算分析的結(jié)果提出制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性的措施。

煤粉制備；烘干；安全性；工藝優(yōu)化

目前電站鍋爐所采用的煤粉制備工藝研究比較完善，已經(jīng)形成了中儲式和直吹式兩種工藝。對煤粉工業(yè)鍋爐而言，早在20世紀(jì)90年代，以德國、法國為代表的發(fā)達(dá)國家己經(jīng)發(fā)展出較為成熟的中小型煤粉制備工藝［1］，國內(nèi)由于燃煤粉工業(yè)鍋爐起步較晚，與其相配套的煤粉制備工藝的研究還很少。煤炭科學(xué)研究總院依托于自有專利技術(shù)［2］“一種開式煤粉制備工藝”建成的幾處制粉廠，隨著應(yīng)用的增多，暴露出了許多問題，此種工藝己經(jīng)很難適應(yīng)今后的發(fā)展。為達(dá)到開式煤粉制備系統(tǒng)清潔、安全和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的目的，本研究以區(qū)域化制粉站為研究對象，對傳統(tǒng)的二步法開式煤粉制備系統(tǒng)工藝進(jìn)行優(yōu)化和分析。

1　開式煤粉制備系統(tǒng)工藝優(yōu)化

1.1傳統(tǒng)開式煤粉制備系統(tǒng)

開式煤粉制備工藝通常有一步法及二步法。一步法制粉工藝的干燥和磨制工序合二為一，熱風(fēng)直接進(jìn)磨煤機(jī)。適合大規(guī)模制粉，其流程短、設(shè)備少、比投資小，安全保障措施要求高；二步法制粉工藝的干燥和磨制工序分離。適合中小規(guī)模制粉，安全保障措施相對簡單，但流程稍長、設(shè)備多、比投資稍大。圖1為傳統(tǒng)的二步法開式煤粉制備系統(tǒng)工藝流程圖，其中烘干設(shè)備選取熱效率高的三筒烘干機(jī)，磨機(jī)選取MTW130型梯形磨粉機(jī)。原煤經(jīng)煤斗、皮帶輸送機(jī)送至進(jìn)煤斗進(jìn)入三筒烘干機(jī)，原煤在烘干設(shè)備中被熱風(fēng)爐提供的高溫?zé)煔夂娓?，煙氣干燥原煤之后進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行收塵后經(jīng)引風(fēng)機(jī)和煙囪排向大氣。烘干后的原煤經(jīng)提升設(shè)備進(jìn)入磨煤機(jī)，原煤在磨粉機(jī)內(nèi)進(jìn)行研磨，成品的煤粉在集粉器中收集，磨煤機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、集粉器形成一個閉路循環(huán)。為了維持磨煤工序處于“全負(fù)壓”狀態(tài)，需要在鼓風(fēng)機(jī)出口架設(shè)平衡風(fēng)管至集粉器，平衡風(fēng)管中所放出的風(fēng)粉混合物經(jīng)布袋式集粉器收塵之后排向大氣。布袋除塵器、旋風(fēng)分離器和集粉器中的成品煤粉經(jīng)輸粉裝置送至成品煤粉倉。

實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)此種制粉工藝存在如下問題：

圖1　傳統(tǒng)的開式煤粉制備系統(tǒng)工藝流程Fig.1　Flow diagram of traditional open-type pulverized coal preparation system

1）布袋除塵器收集的是烘干機(jī)出口煙氣攜帶的煤粉，其粒度細(xì)、水分含量極低。煤粉越細(xì)，含水率越低，煤粉自燃、爆炸的可能性就越大［3］。

2）為維持制粉系統(tǒng)“全負(fù)壓”運(yùn)行而設(shè)置的布袋式集粉器，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，占地面積較大，而且氣體排放的高度有限，制粉車間周圍的空氣環(huán)境受到影響。

3）由于沒有配備自動清灰裝置，布袋式集粉器收集的煤粉需人工振打下來，工作量非常大；同時，隨著布袋式集粉器的長時間運(yùn)行，其阻力增加，若處理不及時會造成平衡風(fēng)管的風(fēng)不能順利排出，導(dǎo)致系統(tǒng)漏風(fēng)處的正壓，煤粉逃逸到系統(tǒng)之外會污染環(huán)境。

4）平衡風(fēng)管的風(fēng)量無法調(diào)節(jié)，無法根據(jù)實(shí)際需要的系統(tǒng)負(fù)壓來調(diào)節(jié)這一參數(shù)。

圖2　優(yōu)化后開式煤粉制備系統(tǒng)工藝流程Fig.2　Flow diagram of optimized open-type pulverized coal preparation system

1.2開式煤粉制備系統(tǒng)優(yōu)化措施

圖2所示，針對上述制粉工藝在工程實(shí)踐中遇到的實(shí)際問題，對系統(tǒng)工藝進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化。其核心思想是撤除原先制粉工藝中的集粉器，平衡風(fēng)管直接架設(shè)到布袋除塵器的進(jìn)口管道上，并在平衡風(fēng)管上安裝風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。正常狀態(tài)下，因平衡風(fēng)管放風(fēng)量約為2 000m3/h，烘干機(jī)出口煙氣量不超過10 000m3/h，系統(tǒng)中布袋除塵器選用的型號為 MC96-II，最大處理風(fēng)量為17 280m3/h，因此布袋除塵器完全有余力承受額外的平衡風(fēng)。工程實(shí)踐應(yīng)用表明，與原系統(tǒng)比較，優(yōu)化后的制粉工藝具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：1）取消原有的集粉器及附屬的輸粉設(shè)備；2）平衡風(fēng)管的風(fēng)粉混合物進(jìn)入布袋除塵器收塵之后經(jīng)引風(fēng)機(jī)和煙囪排向大氣；3）布袋除塵器收集的是中和來自原煤烘干工序和磨制工序這兩部分煤粉顆粒的含水率，很大程度上降低了傳統(tǒng)煤粉制備系統(tǒng)中布袋除塵器內(nèi)因烘干裝置的煤粉顆粒的顆粒度過細(xì)、煤粉過于干燥，從而易引起自燃或爆炸的問題；4）在平衡風(fēng)管上加裝調(diào)風(fēng)閥，可根據(jù)需要的系統(tǒng)負(fù)壓來調(diào)節(jié)平衡風(fēng)量的大小。不僅工作量和工作環(huán)境有了明顯的改善，系統(tǒng)復(fù)雜程度降低，而且制粉更安全。

2　工藝計(jì)算

針對優(yōu)化后開式煤粉制備系統(tǒng)工藝建立計(jì)算模型，計(jì)算的核心是確定熱風(fēng)爐烘干噸煤的能耗 B、排煙處煙氣含氧量、排煙處煙氣相對濕度以及引風(fēng)機(jī)的負(fù)載等參數(shù)。熱風(fēng)爐烘干噸煤的能耗與引風(fēng)機(jī)的負(fù)載關(guān)系著系統(tǒng)的能耗水平；氧含量增大煤粉發(fā)生自燃的可能性就越大，若出現(xiàn)煙氣中水分析出甚至?xí)?dǎo)致布袋除塵器糊袋、管道堵塞；氧含量和相對濕度的最大值出現(xiàn)在排煙處，因此排煙處煙氣含氧量與排煙處煙氣相對濕度關(guān)系著系統(tǒng)的安全性。計(jì)算過程中，熱風(fēng)爐燃料煤特性如表1所示，若已知煤粉產(chǎn)量G、烘干機(jī)進(jìn)口溫度T1、烘干機(jī)進(jìn)口溫度T2、原煤烘干水率、初始原煤溫度、烘干原煤溫度、磨煤機(jī)循環(huán)風(fēng)溫度和排煙溫度等參數(shù)，就可以進(jìn)行工藝計(jì)算。

表1　熱風(fēng)爐燃料特性Table 1　Fuel characteristics of hot-blast stove

2.1烘干過程熱平衡的計(jì)算［4-5］

烘干噸煤熱風(fēng)爐需要的原煤量、烘干機(jī)出口煙氣的質(zhì)量計(jì)算。如圖3所示，烘干機(jī)烘干過程進(jìn)入系統(tǒng)和帶出系統(tǒng)的熱能是守恒的。收入項(xiàng)有：熱風(fēng)爐煙氣提供的熱量QT1和漏風(fēng)帶入的物理熱QT0

，支出項(xiàng)：水蒸氣帶走的熱量Qsq、原煤帶走的熱量Qym、烘干機(jī)散熱Qhs和煙氣帶走的熱量Qys。熱平衡計(jì)算式如式（1）所示。

由式（1）得

式中 B、Hlf、Hyj分別為烘干噸煤熱風(fēng)爐需要的原煤量、烘干系統(tǒng)漏風(fēng)空氣焓、烘干機(jī)進(jìn)口煙氣焓。分別計(jì)算出上式各項(xiàng)，即可得到烘干噸煤熱風(fēng)爐需要的原煤量。

圖3　烘干系統(tǒng)熱量收支平衡Fig.3　The heat balance diagram of the drying system

2.2煙氣參數(shù)、排放處的煙氣量、相對濕度的計(jì)算

系統(tǒng)的風(fēng)量平衡圖如圖4所示。熱風(fēng)爐煙氣進(jìn)入烘干系統(tǒng)之后，原煤受熱有水蒸汽析出，外部空氣經(jīng)漏風(fēng)處進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，與烘干機(jī)出口煙氣一同進(jìn)入布袋除塵器，平衡風(fēng)經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)出口處架設(shè)的平衡風(fēng)管也進(jìn)入布袋除塵器，潔凈煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)引出從煙囪排向大氣［6］。

圖4　磨煤系統(tǒng)風(fēng)平衡Fig.4　Wind balance diagram of coal mill system

2.2.1排煙處煙氣參數(shù)的確定

1）烘干機(jī)進(jìn)口煙氣參數(shù)。根據(jù)烘干機(jī)進(jìn)口煙氣焓Hyj與熱風(fēng)爐提供的熱量Qyj守恒，即：

其中

由式（3）計(jì)算得α1之后，即可推算出烘干機(jī)進(jìn)口煙氣參數(shù)。

2）烘干機(jī)出口煙氣參數(shù)。漏風(fēng)率是指漏入的空氣質(zhì)量與進(jìn)入該系統(tǒng)進(jìn)口煙氣質(zhì)量之比率，烘干系統(tǒng)漏風(fēng)率ε由式（6）確定。

式中α2、V0、ρ0、Aar分別為烘干機(jī)出口煙氣過量空氣系數(shù)、理論空氣量、空氣密度和燃煤灰分。

由計(jì)算設(shè)定的漏風(fēng)率即可得出α2，進(jìn)而計(jì)算出烘干系統(tǒng)的漏風(fēng)量。根據(jù)烘干機(jī)進(jìn)口的煙氣量和煙氣參數(shù)、原煤中水分蒸發(fā)量、漏風(fēng)量即可確定烘干系統(tǒng)出口煙氣參數(shù)。

3）排煙處煙氣參數(shù)。烘干機(jī)出口煙氣與平衡風(fēng)混合后經(jīng)布袋除塵器除塵后排向大氣，根據(jù)給定的平衡風(fēng)量、烘干機(jī)出口的煙氣量和煙氣參數(shù)即可確定排煙處煙氣參數(shù)。

2.2.2排煙處的煙氣量排煙處的煙氣量Mz由烘干機(jī)進(jìn)口煙氣量Mhc、烘干系統(tǒng)漏風(fēng)量Mhl、原煤中水分蒸發(fā)的水蒸汽量 Mms以及平衡風(fēng)量 Mp4部分組成，即：

2.2.3煙氣相對濕度的確定首先根據(jù)煙氣參數(shù)計(jì)算出實(shí)際的煙氣絕對含濕量，再根據(jù)煙氣參數(shù)計(jì)算出排煙溫度作為水露點(diǎn)溫度飽和狀態(tài)下的煙氣絕對含濕量，兩者的比值就是煙氣的相對濕度［7］。

式中ds、ρs、ρg、p、pH2O、t1d分別為煙氣絕對含濕量、水蒸氣標(biāo)準(zhǔn)密度、干煙氣標(biāo)準(zhǔn)密度、氣體絕對壓強(qiáng)、煙氣中水蒸氣分壓和煙氣水漏點(diǎn)溫度。

由式（8）算出實(shí)際的煙氣絕對含濕量，再根據(jù)式（9）計(jì)算出排煙溫度作為水露點(diǎn)溫度飽和狀態(tài)下的煙氣絕對含濕量，兩者的比值即煙氣的相對濕度。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

烘干機(jī)進(jìn)口溫度T1、漏風(fēng)率、原煤烘干水率、烘干機(jī)出口溫度T2和平衡風(fēng)風(fēng)量為分別作為自變量，具體計(jì)算條件見表2，計(jì)算結(jié)果匯總表見表3。

表2　熱風(fēng)爐燃料特性Table 2　Fuel characteristics of hot-blast stove

表3　熱風(fēng)爐燃料特性Table 3　Fuel characteristics of hot-blast stove

3.1烘干機(jī)進(jìn)口溫度對工藝的影響

隨著烘干機(jī)進(jìn)口溫度由450℃降低至300℃，熱風(fēng)爐的原煤能耗由16.13 kg/t上升到19.44 kg/t；排煙處煙氣氧量由 17.22%上升至 18.12%；排煙處的排煙量由6.89 t/h上升至10.35 t/h；排煙處煙氣相對濕度由 32.63%下降至 19.34%。所以烘干機(jī)進(jìn)口溫度降低會導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加、煙氣相對濕度下降和煙氣含氧量升高。造成上述變化的原因是：烘干機(jī)進(jìn)口煙氣溫度低，熱風(fēng)爐需要混入的冷空氣就會增加，系統(tǒng)氧量偏高，總煙氣量增幅較大，相當(dāng)于煙氣中水蒸氣被稀釋，排煙熱損失上升。

3.2漏風(fēng)率對工藝的影響

隨著漏風(fēng)率由20%上升至50%，熱風(fēng)爐的原煤能耗由16.58 kg/t上升到18.18 kg/t；排煙處煙氣氧量由17.40%上升至17.87%；排煙處的排煙量由7.41 t/h上升至8.83 t/h；排煙處煙氣相對濕度由29.73%下降至22.41%。因此高的漏風(fēng)率會引起系統(tǒng)能耗增加、煙氣相對濕度下降和煙氣含氧量升高。造成上述變化的原因?yàn)椋郝╋L(fēng)率較高，漏人系統(tǒng)的冷空氣就會增加，系統(tǒng)氧量偏高，總煙氣量增幅較大，相當(dāng)于煙氣中水蒸氣被稀釋，排煙熱損失上升。烘干機(jī)密封結(jié)構(gòu)采取魚鱗片式的結(jié)構(gòu)可以使漏風(fēng)率由改造前的90%左右降低至25%左右，魚鱗片式的結(jié)構(gòu)能起到很好的密封效果［8］。

3.3原煤烘干水率對工藝的影響

隨著原煤烘干水率由4%提高至10%，熱風(fēng)爐的原煤能耗由12.39 kg/t上升到25.71 kg/t；排煙處煙氣氧量由17.94%下降至 16.94%；排煙處的排煙量由6.28 t/h上升至10.34 t/h；排煙處煙氣相對濕度由 25.76%上升至30.52%。所以較高的原煤烘干水率會造成：系統(tǒng)能耗增加、煙氣相對濕度上升和煙氣含氧量下降。原因是：原煤烘干水率的提高，則需要更多的熱量進(jìn)行烘干，煙氣量增加，煙氣中水蒸汽含量上升意味煙氣中其他成分下降。

3.4烘干機(jī)出口溫度對工藝的影響

隨著烘干機(jī)出口溫度由65℃提高至80℃，熱風(fēng)爐的原煤能耗由15.63 kg/t上升到17.43 kg/t；排煙處煙氣氧量基本維持在17.48%左右；排煙處的排煙量由7.3 t/h上升至7.8 t/h；排煙處煙氣相對濕度由52.43%下降至20.51%。所以較高的烘干機(jī)出口溫度會引起系統(tǒng)能耗增加、煙氣相對濕度下降、煙氣含氧量基本不變。造成上述變化的原因?yàn)椋汉娓蓹C(jī)出口溫度較高，則排煙熱損失上升，煙氣量增加，對應(yīng)排煙溫度下飽和狀態(tài)的絕對含濕量上升意味著煙氣相對濕度的下降。

3.5平衡風(fēng)風(fēng)量對工藝的影響

隨著平衡風(fēng)風(fēng)量由1 000 Nm3/h上升至4 000 Nm3/h，熱風(fēng)爐的原煤能耗都是16.83 kg/t；排煙處煙氣氧量由16.84%上升至 18.31%；排煙處的排煙量由6.34 t/h上升至10.22 t/h；排煙處煙氣相對濕度由 28.37%下降至26.55%。因此，較高的平衡風(fēng)風(fēng)量會造成煙氣相對濕度下降、煙氣含氧量上升和引風(fēng)機(jī)負(fù)載增加。分析其原因，烘干過程是獨(dú)立的，平衡風(fēng)只對磨煤和烘干下游的工藝有影響，較高的平衡風(fēng)風(fēng)量意味著磨煤系統(tǒng)漏入冷空氣量增加，系統(tǒng)氧量偏高，總煙氣量增幅較大，平衡風(fēng)吸收煤粉的熱量，排煙溫度下降不多，相對濕度下降不明顯。

4　提高制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和安全性措施

從工藝計(jì)算和分析結(jié)果可以看出，合理選取制粉工藝參數(shù)可以降低系統(tǒng)能耗和提高制粉的安全性。工藝參數(shù)選取原則如下：

1）保證系統(tǒng)漏風(fēng)處的負(fù)壓固然重要，但是并非負(fù)壓越大越好，負(fù)壓越大意味著漏風(fēng)量越大。因此

選擇合適的系統(tǒng)負(fù)壓非常重要；如圖1所示，通過調(diào)節(jié)平衡風(fēng)管調(diào)節(jié)閥的開度控制平衡管風(fēng)量的大小，同時選擇合適的引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)漏風(fēng)處為微負(fù)壓即可，沒必要追求過高的系統(tǒng)負(fù)壓。

2）根據(jù)烘干原煤的性質(zhì)，在保證安全的前提下，盡量選擇較高的烘干機(jī)進(jìn)口溫度。由于烘干機(jī)進(jìn)口溫度不宜過高，否則容易發(fā)生局部部位的自燃現(xiàn)象，此種工藝一般控制在450℃以下比較適宜。

3）在烘干機(jī)選型的時候，選取密封效果好的烘干機(jī)，盡量降低烘干機(jī)的漏風(fēng)率。運(yùn)行時通過調(diào)節(jié)烘干機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速，使其高效率運(yùn)行，這樣就可以降低烘干機(jī)的出口溫度，達(dá)到降耗的目的。

5　結(jié)　論

1）對傳統(tǒng)的開式煤粉制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，將平衡風(fēng)管直接架設(shè)到布袋除塵器進(jìn)口風(fēng)管上，不僅工作量和工作環(huán)境有了明顯的改善，系統(tǒng)復(fù)雜程度降低，而且制粉更加安全。

2）選擇合適的引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和平衡風(fēng)量，保證系統(tǒng)處于微負(fù)壓運(yùn)行狀態(tài)，降低系統(tǒng)的漏風(fēng)量。

3）適當(dāng)提高烘干機(jī)進(jìn)口溫度，兼或適當(dāng)降低漏風(fēng)率、烘干機(jī)出口溫度和平衡風(fēng)風(fēng)量等措施，有利于減小烘干能耗和提高制粉的安全性。

4）開式制粉工藝排煙處相對濕度較低，一般很難出現(xiàn)煙氣中水分析出的情況。

5）當(dāng)原煤烘干水率較低時，系統(tǒng)氧量偏高，應(yīng)時刻跟蹤系統(tǒng)氧量的變化，嚴(yán)禁超過警戒值。

［1］EDUARD Hatton.中歐工業(yè)鍋爐節(jié)能減排現(xiàn)狀［J］.工業(yè)鍋爐，2009（6）：11-17.

［2］煤炭科學(xué)研究總院.一種煤粉制備系統(tǒng)及工藝［P］.中國，ZL200910087156.7.2009-11-11.

［3］張必輝.開式煤粉制備系統(tǒng)運(yùn)行安全分析與隱患防治［J］.潔凈煤技術(shù)，2012，18（6）：80-83.

［4］謝生昌.煤干燥裝置熱工計(jì)算之探討［J］.燃料與化工，1995，26（2）：64-69.

［5］謝生昌.煤干燥裝置熱工計(jì)算之探討（續(xù)）［J］.燃料與化工，2002，33（4）：182-183.

［6］吳波.也談高爐噴煤制粉系統(tǒng)的煙氣自循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用［J］.鋼鐵技術(shù)，2010，（6）：8-12.

［7］張建中.煙風(fēng)介質(zhì)中水蒸汽露點(diǎn)溫度確定方法及水露點(diǎn)計(jì)算公式的探討［J］.熱機(jī)技術(shù)，2005，（6）：55-59.

［8］汪林杰.高效低NOX煤粉工業(yè)鍋爐在工業(yè)應(yīng)用中的幾個關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.湛江：廣東海洋大學(xué)，2013.

（責(zé)任編輯：任萬森）

Process Optimization and Analysis of Open Pulverized Coal Preparation System

JIA Ming-sheng，HOU Dong-jin
（College of mechanical and power engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

In order to achieve clean，safe and energy-saving production of open-type pulverized coal preparation system，the traditional two - step process of open-type pulverized coal preparation system is optimized by abandoning the dust collector of the original pulverized coal preparation process.The balance air pipe is directly mounted on the inlet duct of the bag filter.To optimize the process of coal powder preparation，through the process calculation，perusing the influence law of drying equipment import and outlet temperature，air leakage rate，balance air，moisture drying rate of raw coal of the amount of oxygen，the humidity of flue gas，induced draft fan load and hot blast stove fuel consumption of the system.According to the result of calculation and analysis，it's proposed the economic and safety measure of the pulverized coal preparation system.

pulverized coal preparation； drying； safety； process optimization

TK229.6+3

A

1673-9159（2016）04-0073-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.04.012

2016-05-12

廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”科研項(xiàng)目（GDOU2013050331）

賈明生（1964—），男，教授，研究方向?yàn)槊旱那鍧嵢紵拔廴究刂?。E-mail：jiamingsheng@163.com