影响磨制褐煤风扇磨煤机直吹式制粉系统干燥出力的因素分析

王志丽

摘 要：我国褐煤资源丰富，但产地不同煤质差别显著。尤其寒冷地区褐煤原煤冻块水分除不掉，流动性很差，影响制粉系统干燥出力不足。通过文章的分析指出：制粉系统的漏风和散热损失是影响磨煤机干燥出力下降的重要因素，对磨制水分小于40%的褐煤风扇磨煤机干燥介质，采用高温炉烟和热风调节，取消低温炉烟可节约投资。

关键词：褐煤；直吹式制粉系统；风扇磨煤机；干燥力

引言

褐煤是一种成分变化区间很大的燃料，产地不同煤质差别显著。但共同的特点是：水分灰分较大，发热值较低，灰熔点低，挥发分高。我国褐煤资源颇为丰富，在寒冷地区燃用褐煤水分高达34%～40%左右，原煤冻块水分除不掉，煤的流动性很差，影响制粉系统干燥出力。

1 风扇磨煤机的工作特性

1.1 风扇磨煤机的空气动力特性

风扇磨煤机同时完成煤的磨碎、干燥和输送煤粉[1]。因其具有自行吸入干燥介质的能力，所以也起到了风机的作用，但它的运行工况又不同于风机，因为它同时进行燃料干燥和磨碎，使磨内的工作条件因下列因素发生大幅度的改变。即：（1）原煤在磨内干燥时，使干燥剂温度降低200～500℃，蒸发的水分大量析出。前一现象使工质体积缩小，后者使其增大，而温降的幅度和水分的蒸发量又决定于干燥剂的初温，煤的初始水分、粒度以及煤粉的细度等因素。（2）煤的粒度比重在磨碎和干燥过程中不断变化。（3）由于分离器和磨煤机组合成一整体，因此，回粉量的多少和分离器的调节挡板位置，对磨煤机内部阻力影响很大。上述原因使风扇磨的工作特性与其在冷态下用纯空气测定的通风特性有显著不同，整个制粉系统工作特性与管道的流通阻力有关。

1.2 风扇磨煤机的运行性能

1.2.1 褐煤磨碎与干燥的关系

风扇磨的运行性能主要表现在磨煤机出力、煤粉细度、煤粉水分和调节特性四个方面。磨煤机的出力又与干燥介质是相辅相承的。煤粉细度随通风量增加而变粗，并导致煤粉水分增加。风扇磨的调节性能是靠改变空气量调节抽炉烟量，实现给煤量的调节，即磨煤机出力的调节和保持磨煤机出口温度为规定值。

在风扇磨中，煤的磨碎过程与干燥过程同时进行，相互制约。煤的磨碎是由于机械和热力综合作用所致，即机械作用，如转轮撞击煤粒、运行的煤粒撞击蜗壳、煤粉与煤粒的撞击等；热力作用，如煤粒处于大量的有较高的相对速度的高温干燥剂被干燥，使表面塑性体降低，易于破碎，干燥过程部分煤粒自行脆裂；随着撞击破碎和脆裂，煤粒的表面积相应增加，使干燥作用进一步深化，从而利于磨碎，但这两个过程随着煤的种类、水分、灰分以及工作条件不同变化很大。实验表明，其干燥剂煤粉浓度、温度及细度的影响因素：（1）煤粉的水分和颗粒平均直径的关系。当给煤颗粒尺寸大于4mm时，对煤粉水分影响较小，浓度的影响随着温度增加而更加明显。（2）干燥时，煤粒收缩，对煤粉细度的影响。褐煤是一种多毛细孔的胶体，除有大量的细毛细孔外，还有粗毛细孔，含有大量水分，当对煤粒进行干燥时，煤粒表面的附着水分和毛细孔中的水分先后蒸发，随着水分的减少，孔径也相应缩小，体积收缩，由于体积收缩而开裂破碎，这一因素不是由于破碎的作用，而是煤自身破碎。所以煤粒收缩时，对煤粉细度有影响。（3）磨碎过程的干燥速度影响。当褐煤颗粒受到撞击时，被高温气体包围，在其强烈作用下，第一次撞击后的煤粒得到迅速干燥。

1.2.2 煤的磨损性能

煤质本身的特性决定了煤被磨碎的难易程度，由于各种煤的机械强度与干脆性的差异，磨碎性能是不同的。煤的磨损特性除常用的可磨度、含灰量、含硫量及灰分中的硅铝比判断外，还要分析煤种矿物成分的形貌/颗粒度和分布形式等[2]。对于磨损特性，也可采用磨损指数Ke来判断；另一种判断煤质磨损特性方法，是通过实验室在拟定的小型风扇磨煤机上进行试磨，利用冲击板的使用寿命长短来确定煤质的磨损特性。

2 风扇磨制粉系统干燥介质选择方案技术分析

2.1 干燥介质选择应考虑的因素

2.1.1 干燥剂的初温

由于褐煤水分大，需要较高的干燥剂初温，同时要求干燥剂初温具有一定的裕度，如果采用高温炉烟作干燥剂，干燥剂初温选择就比较自由[3]，而且对制粉系统安全、经济运行有利。根据国外经验，对于水分超过40%的褐煤，抽高温炉烟温度取850～1150℃；对水分不超过30%的褐煤，取炉烟温度一般为800～850℃。

2.1.2 制粉系统煤粉爆炸的问题

褐煤挥发分高，易于自燃，故对防爆问题应予重视。制粉系统防爆措施主要有：（1）控制干燥剂的含氧量。采用热风干燥系统难以控制含氧量，而采用炉烟干燥系统含氧量易于控制。（2）限制干燥剂的终温。国内一般设计规定磨煤机出口风粉混合温度：用热风干燥为100℃，用炉烟和热风干燥为140℃；而德国180℃，最高达240℃。（3）制粉系统设计上要防止积粉、自燃及炉烟带入火源等。应根据褐煤水分确定有利的热风量。

2.1.3 控制炉内结渣

采用炉烟干燥介质，对排入炉内一次风中的惰性气体成分（CO2、N2、H2O）增加，而O2含量减少，减慢了煤粉着火速度，使燃烧温度降低，所以要求炉内空气动力场组织合理，要有效地控制炉内结渣。

2.1.4 一次风量协调问题

国内实践表明：当褐煤水分大于30%时，一般采用炉烟+热风干燥，对于大容量锅炉也可采用冷、热炉烟+热风的混合干燥剂。在满足磨煤机出力的前提下，干燥出力应当在设计上留有裕度，否则在水分偏高或冬季冻煤情况下，干燥剂的终温将难以保持。

2.2 选择干燥介质的几种方案技术比较

根据褐煤三高二低的特点，采用风扇磨直吹式制粉系统的干燥介质组成，国内外经验，一般选择有三种方案：

a.高温炉烟；b.高温炉烟+热风；c.高温炉烟+热风+低温炉烟

由于褐煤的煤质不同，其干燥介质的选用也不同。干燥剂如果选择不适当，将影响制粉系统的干燥出力、抽炉烟管道结焦、积灰以及炉内燃烧不稳定，影响锅炉出力等[4]，所以应通过计算和经济比较确定。

2.2.1 单一介质-抽取高温炉烟配乏气分离器干燥方式

对燃烧高水分褐煤（一般水分达60%）配置风扇磨干燥方式采用高温炉烟单一介质，如抽高温炉烟温度为1000℃和高水分褐煤混合，使炉烟温度由1000℃降到700℃～600℃，煤进入磨内破碎，再干燥，经乏气分离器出口，气粉混合物温度为160℃～200℃，约88%～85%以上高浓度煤粉进入主燃烧器，而12%～15%的煤粉排入乏气燃烧器，这种干燥方式可保持一次风速在允许范围内，并能保证一、二次风率比例。由于采用单一高温烟气作干燥剂，使系统含有大量惰性气体，可防止制粉系统爆炸，可不必采取防爆措施。

2.2.2 双介质-高温炉烟+热风的干燥方式

国内的电站配风扇磨煤机燃烧褐煤锅炉，多采用这种干燥方式，其特点干燥能力较强，热风温度稳定。抽炉烟温度800～900℃，热风温度300～350℃，混合后平均温度500～550℃，考虑到漏风影响，温度降低约100℃，则400～450℃和褐煤水分<40%的原煤混合，在保证热风、烟气量份额合理，系统漏风率小于25%以下条件时，采用此方案可以满足干燥要求。

该系统是采用热风调节磨入口温度，对煤质变化，锅炉低负荷运行，运行断煤，启停磨煤机，异常运行等情况，都可以调整热风门开度，保护磨煤机入口温度为正常值。

由于一次风中含有大量惰性气体，防止炉内结渣和NOX生成，对改变环境污染有利。

运行中如果炉内空气动力场组织不合理，此方式在抽炉烟口处易结渣，因炉内温度1200℃左右，碳粒处于熔化状态，被吸入与300～400℃热风混合降温，变成固态渣，堵塞抽烟口，限制抽烟量，降低干燥效果，当调节热风量大时，影响炉内燃烧，特别是送风量不足时，更为敏感。另外，也不易控制系统O2和CO2的规定值（O2>16%，CO2<4%）。

2.2.3 三介质-高温炉烟+热风+低温炉烟干燥方式

国内外大型电站燃烧高水分褐煤锅炉[5]，风扇磨直吹式制粉系统一般都选择三介质干燥方式。这种干燥方式的特点是热风量相对固定。由于高温炉烟干燥能力强，低温炉烟系统含氧量可控制在允许范围内，磨煤机出口温度可提高到250～280℃，且当改变工况启停磨煤机、断煤等，均不会发生煤粉爆炸。

由于系统中惰性气体含量高，对防止炉内结渣更有利，利于实现低温燃烧技术，还可以降低SO2和NOX的生成量，对减轻NOX污染有利。由于热风量约占干燥剂量的1/3，也可有效地控制一次风率，加大二次风量，利于合理组织炉内燃烧。并且对煤质变化和低负荷运行适应能力强。

但其存在缺点：（1）特殊考虑空气预热器设计，既考虑燃烧方面热风温度，又要考虑到供磨煤机干燥所需热风温度。（2）系统复杂，占地空间大，低温炉烟管道长，金属耗量大；因增加低温风机，还需加设一套除尘设备，增大了费用和维护工作量，使经济性下降。

所以，对燃用我国原煤水分小于40%的褐煤锅炉，选择风扇磨直吹式制粉系统干燥介质，推荐采用具有干燥能力强，利于防止爆炸和炉内结焦，且对锅炉负荷及煤质变化适用性好，调节方便，系统简单，投资少，运行费用及维护费用低的高温炉烟+热风（或冷风）组成的二介质干燥方案较为合适。

3 影响制粉系统干燥出力不足的因素

3.1 抽炉烟口的位置、温度

炉烟的抽取点和温度选取，应根据灰的软化温度及磨煤机材料允许温度确定，抽取的烟气温度一般低于灰的软化温度，一般至少50℃；抽烟口的位置选择原则是：（1）该处的烟温必须低于灰的软化温度；（2）该处为燃尽区，也就是没有碳粒进入抽烟口内再燃烧，抽烟口烟气流速一般不高于15～20m/s为宜。

干燥剂的初温选取可视褐煤水分差异而定。对于水分大于50%的褐煤，抽高温炉烟的烟气温度为1000℃左右，抽烟口的位置可取自屏过中部；当褐煤水分小于50%以下时，抽高温炉烟的烟气温度为800～900℃左右，抽烟口的位置可取自锅炉上方屏过中部。

3.2 抽高温炉烟口与炉本体，高温炉烟管道与风扇磨煤机的连接方式

防止膨胀不统一造成泄漏，抽炉烟竖井管采用滑动法兰与锅炉连接，它通过弹簧将抽炉烟管的连接法兰压在锅炉上，这样锅炉与抽炉烟竖井可以无阻碍地膨胀。

3.3 落煤管的布置方式

为使煤在进口处均匀分布到落煤管中，可采用两种方式引入，即：（1）原煤从竖井中间加入，即抽炉烟竖井管道呈S型，原煤通过落煤管，从中间进入竖井，气流经过竖井弯管内扰动，使烟气与煤产生混合作用。（2）原煤从竖井侧面加入，煤沿斜面滑入竖井，用摆动活栅控制，同时煤块在整个竖井宽度上散开，使降落过程的煤能够很好地预先干燥。

3.4 落煤管距风扇磨入口高度

根据计算磨出口温度为120℃时，磨入口温度在500～600℃，所以，要求必须有足够的干燥段，干燥剂与煤有充分的预热时间[6-8]。

3.5 抽炉烟管道的散热损失

风扇磨煤机入口的抽炉烟管道的保温材料和结构，对管道散热损失的大小密切相关，国内烧褐煤电厂，风扇磨入口抽炉烟管运行均不理想。为了减少抽炉烟管道的散热损失，根据国外经验，应在高温炉烟管道内衬材料和保温方式上引以借鉴。

4 结束语

（1）根据国内褐煤特性，对磨制水分小于40%的褐煤风扇磨煤机干燥介质，采用高温炉烟（1000℃）+热风（250℃～350℃）调节为宜。取消低温炉烟可节约大量投资。

（2）干燥和磨碎是相互制约的。根据国内外试验表明：磨煤机入口干燥剂温度如低于200℃，干燥效果明显下降，反之，又影响磨煤机破碎能力降低。

（3）制粉系统的漏风和散热损失（抽炉烟管结构和保温方式不当）是影响磨煤机干燥出力下降的重要因素，应当重视。

参考文献

[1]叶江明.电厂锅炉原理及设备（第3版）[M].北京：中国电力出版社，2010：48-53.

[2]樊功德.高水分褐煤电站锅炉燃烧问题[J].内蒙古电力，1987（2）：32-42.

[3]刘钢，谭红军，叶菲.大型褐煤锅炉及其制粉系统的特点与选择[J].电力建设，2008，29（5）：54-57.

[4]贾鸿祥.制粉系统设计与运行[M].北京：水利电力出版社，1995：77-82.

[5]范从振.锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，1986：48-58.

[6]DL/T5203-2005.火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2005.

[7]DL/T5145-2002.火力发电厂制粉系统设计计算技术规定[S].北京：中国电力出版社，2002.

[8]DL/T5121-2000.火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2000.