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晋城无烟煤制粉系统的设计与优化 蔡 毅, 丁建平, 胡小玲, 马 铁, 朱玉营, 姜从斌 航天长征化学工程股份有限公司, 北京 101111 摘 要 针对高灰分、 高硫分、 高灰熔融温度的 “三高无烟煤” 特性, 在磨煤机选型、 系 统安全、 节能、 稳定运行方面, 对制粉系统进行设计优化, 成功应用于粉煤气化项目, 满足了 生产要求。 关键词 粉煤气化; 无烟煤; 制粉系统; 磨煤机; 设计 中图分类号 TQ050. 2 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202009-0057-03 收稿日期 2020-07-01 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 09. 017 作者简介 蔡 毅1979, 男, 河北迁安人, 2008 年毕业于北京化工大学化学工程与工艺专业, 工程硕士, 航天长征化学工程股份有 限公司高级工程师。 引用格式 蔡 毅, 丁建平, 胡小玲, 等. 晋城无烟煤制粉系统的设计与优化 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20209 57-59. 1 概 述 山西省无烟煤储量居全国首位, 占全国无烟 煤资源的 40以上。 经过四十多年的开采, 一些 矿区的优质无烟煤已近枯竭, 余下可采的无烟煤 主要是 “三高无烟煤” [1], 其煤质特点是灰分高 22 40, 硫分高2 4. 5, 灰熔融温 度高大于 1 500 ℃, 但哈氏可磨指数HGI低 小于 40。 随着我国能源供应的日益紧张, 合理有效利 用上述三高无烟煤对缓解我国能源危机具有重要 意义。 气流床煤气化技术的发展, 为三高无烟煤 洁净利用提供了机遇。 如何为粉煤气化提供合格 的煤粉, 对制粉系统提出了新的要求。 制粉系统工艺流程 贮仓的原料煤经称重给 煤机按计量给料, 从磨煤机上部入口加入磨机 内, 在磨煤机内部经过研磨、 干燥后, 合格煤粉 随烟气离开磨机并进入煤粉袋式过滤器进行气/ 粉分离。 分离下来的产品煤粉送煤粉贮仓储存备 用, 经过滤后的烟气约 20排放, 约 80经循环 风机加压后与惰性气体发生器产生的高温烟气及 稀释氮气混合后作为干燥烟气进入磨机。 本文在分析 “三高无烟煤” 煤质特性的基础 上, 结合现场磨煤机研磨试验结果, 阐述从保证 粉煤出力、 系统安全性、 稳定性和降低能耗方面 进行的设计优化, 并成功应用于运行的项目情 况。 2 系统设计 2. 1 基础参数与工艺要求 2. 1. 1 煤质参数 晋煤集团百万吨/ 年甲醇工程选用的是凤凰 山煤, 凰山典型煤种的煤质参数见表 1。 表 1 凤凰山典型煤种煤质分析 项目 Mt/ Mad/ Aad/ Vad/ FCad/ Qgr,v,d/ MJkg -1 St,ad/ HGIDT/ ℃ST/ ℃HT/ ℃FT/ ℃ 指标10. 231. 4525. 846. 716622. 992. 1351 3841 4131 4421 500 2. 1. 2 磨机出力要求 根据所用原料煤, 对磨煤机的出力要求见表2。 2. 2 磨煤机选型 磨煤机是制粉系统的核心设备, 磨煤机的选 型决定了制粉系统的性能。 其余设备, 例如粉煤 75 煤炭加工与综合利用 No. 9, 2020 COAL PROCESSING 研磨件寿命介于低、 高速磨煤 机之间; 颗粒细度较高速磨细; 更换磨辊时工作 量大。 中速磨煤机又分为 1 轮式磨煤机, 例如 MPS、 ZGM 等。 特 点 凹槽磨盘, 轮胎形磨辊, 磨辊共同吊在压力 框架下, 同步加载碾磨力。 2平盘磨煤机, 例如莱歇磨 LM、 北京电力 设备总厂 BRM 等。 特点 平盘磨盘, 锥形磨辊, 磨辊独立加载, 摇臂设计。 表 2 对磨煤机的出力要求 项目 最小出力/ kgh -1 正常出力/ kgh -1 最大出力/ kgh -1 出磨煤粉25 88364 70971 179 出磨石灰石粉7761 9412 135 合计26 66066 65073 315 注 出口煤粉含水质量分数为 2。 2. 2. 1 轮式磨煤机试用效果 烟煤制粉系统选择了轮式磨煤机。 原煤从中 心落煤管进入磨煤机内部的磨盘, 电机带动磨盘 旋转, 原煤在离心力的作用下, 向四周平铺, 进 入磨盘与磨辊之间被碾磨, 碾磨后的粉煤被热风 带进顶部的旋转分离器, 粒度合格的粉煤被吹带 到磨外, 不合格的粉煤又落入磨盘中心区域继续 碾磨, 原煤一般需要在磨煤机内循环小于 5 次, 才可以达到要求的细度与干燥度。 对烟煤, 轮式 磨煤机例如 MPS 型、 ZGM 型都有良好的应用 业绩。 对三高无烟煤, 特别是粉煤出力大于 50 t/ h, 国内轮式磨煤机没有应用业绩。 为了验证 ZGM/ MPS 是否满足三高无烟煤的 大出力要求, 先进行了试磨。 试磨的磨煤机, 磨 盘工作直径 2 450 mm, 电动机功率 900 kW, HGI80 时, 原煤出力 133 t/ h。 对于三高无烟 煤, HGI 35, 根据 DL/ T5145 说明书计算的粉 煤出力为 60 t/ h, 而实际现场出力约为 25 t/ h, 不满足项目出力要求。 分析原因, DL/ T5145 中 轮式磨煤机出力修正系数要求, 哈氏可磨指数 HGI 最小为 40[2], 而实际煤种的 HGI 为 35, 此 时修正系数与真实情况偏差较大, 因而计算结果 与实际运行结果差距较大。 2. 2. 2 立磨试用效果 用于水泥行业的立磨, 又称为矿渣磨、 生料 磨, 研磨矿渣、 生料, 属于平盘磨煤机。 例如, 山西水泥厂采用立磨研磨矿渣, 矿渣中含铁, HGI 低于 35。 经过立磨厂家计算, 磨盘外径 3 500 mm、 电 动机功率 1 200 kW、 三磨辊的立磨满足凤凰山典 型煤种出力要求的 73. 4 t/ h, 且有国外三高无烟 煤的应用业绩。 从结构与碾磨原理分析, ZGM/ MPS 磨拉杆 加载力 4050 t; 立磨摇臂的加载力大, 单辊大 于 80 t; 因而立磨研磨出力增加。 ZGM/ MPS 磨采用碗状磨盘与轮胎形磨辊, 研磨接触为点接触; 立磨的研磨接触为线接触。 线接触对比点接触, 有效增大了研磨区域, 因而 立磨研磨出力增加。 2. 2. 3 最终选择 最终选择了立磨, 用于研磨难磨三高无烟煤。 2. 3 系统防爆 燃烧需要的三要素 燃料、 热量、 氧量, 三 者缺一不可。 如果快速燃烧, 密闭空间, 能量不 能及时释放, 最终会导致爆炸。 而对于煤粉, 挥 发分含量、 煤粉细度、 煤粉浓度、 温度以及煤粉 气流中氧含量等都属于影响煤粉爆炸的因素, 需 要加强管理。 1挥发分。 加热过程中, 煤中有机质分解、 析出的气体就是挥发分。 通常来说, 挥发分低于 10的煤种, 发生爆炸的可能性很低。 而挥发分 超过 25的煤粉就很容易发生自燃, 以致煤粉最 终爆炸。 2氧气比例。 系统中, 氧含量越高, 越容 易发生爆炸。 就爆炸而言, 当最高允许氧含量达 到煤粉云不能点燃时, 即处于惰性气氛。 在大气 压力下, 以湿气体积计的最高允许氧体积分数 对于褐煤为 12, 对于烟煤为 14[3]。 烟煤制粉系统氧气体积分数控制在 8。 无 烟煤反应活性差, 系统氧气体积分数可以提高到 10, 既能保障系统安全, 又能节约维持惰性化 的低压氮气。 3粉煤细度。 煤粉越细, 煤粉自燃的着火 85 煤炭加工与综合利用2020 年第 9 期 温度也越低, 同时附着在煤粉周围的氧气越多, 引起煤粉自燃和爆炸的可能性也就越大。 苏联的 研究表明, 烟煤粒度小于 0. 02 mm 最易爆炸, 而 粒径大于 0. 1 mm 时几乎不会发生爆炸。 现有粉 煤粒径为 0. 0050. 09 mm。 4煤粉浓度。 煤粉浓度是煤粉发生自燃和 爆炸的必要条件。 爆炸浓度存在一个上、 下限, 煤粉浓度过高则容易导致氧浓度过低。 实际上危 险浓度通常是难以避免的。 研究结果表明, 对于爆炸极限质量浓度, 烟 煤 0. 34 kg/ m3; 褐煤 0. 26 kg/ m3[4]。 现有 质量浓度为 0. 4 kg/ m3左右。 5点燃能。 点燃能是制粉系统煤粉燃爆的 另一个重要条件。 系统初始温度和压力对点燃能 的影响则较为明显, 初始温度和压力越高, 爆炸 时所需的最小点燃能就会越小。 6容器的密闭性。 一般而言, 粉尘爆炸往 往在密闭的容器或空间内出现, 在敞开的空间只 会出现煤粉燃烧, 而不会形成爆炸。 制粉系统本 身就是一个相对密闭的系统, 从而为煤粉的燃爆 创造了条件。 2. 4 磨煤机入口温度 无烟煤反应活性差, 着火点温度高, 且磨煤 机入口高温与原煤接触时间短, 因而可以提高磨 煤机入口温度, 由最大 300 ℃提高到 320 ℃。 提 高入口温度, 降低约 10循环气体流量, 节约电 消耗, 降低管道流速, 减少管道磨损。 2. 5 管道布置 制粉系统爆炸部位主要集中在煤和煤粉容易 长期积存的位置。 大量事故记录显示, 制粉系统 爆炸事故半数以上都是由水平段积粉引起的[5]。 因此制粉系统中, 原料煤仓锥角为 70; 风粉管 道弯头大于 60, 在弯头处设置耐磨材料衬里; 粉煤袋式过滤器入口只有 90弯头, 取消其水平 管道, 避免积粉。 三高无烟煤磨损性强, 对管道磨损大, 磨煤 机落煤管需要保证垂直, 否则弯头处易损坏, 现 场应用不超过 3 个月。 3 结 论 制粉系统应用于晋煤集团百万吨/ 年甲醇工 程, 经过两年运行, 粉煤出力与粒度均满足煤气 化要求, 系统运行稳定。 1对于 HGI 小于40 的煤, 磨煤机选型需要充 分考虑修正系数与实际工况偏差较大的影响。 2对于难磨的无烟煤, 平盘磨煤机立磨 应用效果良好。 3无烟煤制粉系统可以通过降低氧气含量, 提高磨煤机入口温度等工艺参数的调节, 从而降 低氮气消耗与电耗。 4三高无烟煤对设备磨损严重, 需要尽可 能减少管道弯头, 而且弯头处应设置耐磨衬里。 参考文献 [1] 张海峰, 任江萍, 苏春生.晋城矿区 “三高煤” 的开发 与利用 [J]. 煤炭加工与综合利用, 201510 44. [2] 中华人民共和国国家经济贸易委员会 . DL/ T5145-2002 火 力发电厂制粉系统设计计算技术规程 [S]. 北京 中国 电力出版社, 2002 27. [3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会 . 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, 2006 14. [4] 徐 玮. 电厂制粉系统防爆与控制的研究 [D].杭州 浙江大学, 2014. 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀦮 􀦮 􀦮 􀦮 欢迎订阅 煤炭加工与综合利用 杂志 电话 010-64251130 网址 mtjg. cbpt. cnki. net E-mail mtjgly vip. 163. com 订刊联系 QQ 369181566 投稿联系 QQ 2537926740 95 2020 年第 9 期蔡 毅, 等 晋城无烟煤制粉系统的设计与优化