锅炉制粉系统选择及优化.doc

全国化工热工设计技术中心站年会论文集 132.锅炉制粉系统选择及优化牟显民中石化集团兰州设计院内容摘要 燃煤锅炉是按一定的煤种和煤质特性设计和制造的。煤种不同，锅炉的炉型及制粉系统也不相同。本文结合兰化220吨/时高压煤锅炉装置这一具体工程，叙述了制粉系统的选择和优化，并就有关规范条文提出了自己的看法。关 键 词 锅炉 制粉系统 选择 优化前言燃煤锅炉作为电站和化工装置的主要供热供汽设备，其炉型各异，相应煤及煤粉的制备系统也各不相同。在兰化20万吨/年乙烯改造工程设计中，根据化工装置的用汽情况，在化工装置建设中设置热效率较高、钢材消耗率较低的220吨/时高温高压煤粉锅炉一台。对于煤粉炉，其炉型和制粉系统的选择与煤质的特性是息息相关的，所选制粉系统的好坏，直接影响到锅炉的安全稳定运行，对整个锅炉系统（电站）的经济性影响较大，特别是为化工装置配备的锅炉系统，在为化工装置保质保量提供蒸汽的同时，还要求锅炉系统尽可能地减少自用蒸汽量和自用电量，以提高锅炉的利用率。本文就是结合兰化20万吨/年乙烯改造工程，通过对煤质的特性分析，叙述了该高压煤粉炉制粉系统的选择，并针对锅炉制粉系统进行了优化。1、煤质特性分析煤质特性主要是指煤的发热量、固定碳、挥发分、灰分、水分、硫分以及灰的组成、灰的熔融特性，此外还包括煤的可磨系数和磨损指数。兰化220吨/时高压煤锅炉装置是20万吨/年乙烯改造工程中的一个子项，该装置中设有一台额定蒸发量为220吨/时锅炉和一台18MW高压抽背式汽轮发电机组。锅炉过热器出口蒸汽压力和温度分别为9.81MPa(G)和540。锅炉给水温度为150（MCR下）（MCRMaximum Continual Rated 最大连续负荷），锅炉的主燃料为煤粉，点火燃料为柴油，助燃燃料为渣油。不掺烧油时，最小稳定负荷不小于50MCR，在70MCR以上时保证锅炉过热器出口蒸汽参数。点火油枪按10MCR设计，渣油油枪按60MCR设计。燃用煤质如下： 工业分析%(收到基) 水分 10.30 挥发分 30.95 固定碳 49.92 灰分 8.83 元素分析%(收到基) 水分 10.30 H 3.85 C 63.25 N 0.61 O 12.41 S 0.75 A 8.83 哈氏可磨系数(HGI) 69.4 煤的热值(收到基) 低热值(HLV) 24250kJ/kg（5792 kCal/kg） 灰分组成% (质量) SiO2 41.82 Al2O3 20.41 Fe2O3 9.80 SO3 8.92 Na2O 2.20 K2O 0.82 CaO 7.89 MgO 5.27 煤灰的熔融性(在弱还原气氛中) 变形温度(T1) 1238 软化温度(T2) 1288 熔融温度(T3) 1340 煤的磨损系数 2.2 煤的堆积密度 0.7吨/米31.1 煤种分析此锅炉燃用的煤种，根据煤质分析结果，参照我国发电厂锅炉用煤分类标准（GB756287）（VAMST）判定为中挥发分、常水分、低硫烟煤 。1.2 灰的熔融性分析习惯上称T2为灰的熔点，并根据T21288判定所燃用煤种的灰为中熔灰，且由于T3T113401238102，此值较低，说明灰渣受冷却时由液态变成固态的时间短，即该锅炉宜采用固态排渣，再者T2的值为1288，在锅炉本体设计时应注意防止结焦。1.3 煤的可磨系数分析 国内常用可磨系数来表明煤的机械强度的大小，即煤是否易于被磨成煤粉的特性，此系数本身不是煤的固有特性，其只是表示煤在一特定设备上将其磨成煤粉的难易程度。结合本工程的具体情况，煤质分析资料给出的是哈氏可磨系数HGI69.4，换算为KkmBTN1.28，属比较难磨的煤种。1.4 煤的磨损指数分析过去我国常用煤的可磨系数、灰分、含硫量来判断煤在破碎时对金属磨件的磨损程度。根据西安热工研究院对近百种煤全面地进行工业分析、煤质成分分析、矿物质含量分析、可磨系数与磨损指数的测定得出，磨损指数Ke值与可磨系数之间没有规律性可言。实践也进一步证明，煤的可磨系数、灰分、含硫量三项指标不能完全反映煤的磨损特性。为了更科学地分析和确定煤在破碎、输送过程中对磨煤机械和相应系统的磨损程度，必须用煤的磨损指数加以判断。本工程中煤的磨损指数为Ke2.2，属磨损性较强的煤种。磨损指数Ke的大小，直接关系到磨煤及输送煤粉部件的工作寿命，特别是在化工系统中，化工工艺流程的连续运行时间要求一般均为8000小时左右，因此，在工程设计中应根据该指数的大小，在制粉系统的设备材料选择中予以重视。1.5 煤的结焦特性分析根据煤灰的熔融特性，看不出该煤是结焦性很强的煤种，但根据西安热工研究院综合煤的灰分组成，列举国内绝大多数煤质资料以及甘肃靖远电厂的运行实例，判定本工程所燃用的靖远煤种为国内结焦性很强的煤种，在电力部内要求燃用靖远煤种的锅炉，应把防止结焦作为首位考虑。鉴于该煤的强结焦性，为保证锅炉安全稳定运行，吸取兰化已建145吨/时高压锅炉结焦的教训，在锅炉的煤粉燃烧器的布置和炉内燃烧上做了一定的工作，如减小切圆的直径（由594mm减为370mm）、选用摆动式燃烧器、设置煤粉浓淡分离装置、加大周界风等。1.6锅炉选择根据煤种及灰的熔融性等，锅炉炉型选择为单锅筒自然循环煤粉炉，平衡通风，型布置，燃烧器四角布置，切圆燃烧，固态排渣，全悬吊结构，露天布置。2、制粉系统选择2.1 制粉系统型式制粉系统可分为直吹式和中间储仓式（简称仓储式）两大类。在直吹式制粉系统中，煤由磨煤机磨成煤粉后直接吹入炉膛燃烧。在仓储式制粉系统中，制成的煤粉先储存在煤粉仓中，然后根据锅炉负荷的需要再从煤粉仓通过给粉机将煤粉送入炉膛燃烧。2.2 制粉系统的选择中速磨直吹式与仓储式相比，具有以下优点：a. 效率高，降低了能耗。磨煤电耗为69kWh/t，比钢球磨煤机小1.52.0倍。b. 可靠性较高，工作稳定，操作设备台数少，成套磨煤装置紧凑，其占地面积比钢球磨小得多。仓储式系统占地在中速磨直吹式的两倍以上。c. 研磨部件磨损轻，为20100g/t煤，而钢球磨为400500g/t煤。d. 中速磨煤机的噪音较低。两种不同系统均存在本身固有的优缺点，兰化工程的具体情况是：1) 220吨/时高压锅炉的北侧为已建两台145吨/时高压锅炉，已建两台锅炉的制粉系统为中速磨直吹式。三台锅炉由一班人员操作，选用中速磨直吹式便于统一管理。2) 220吨/时高压煤锅炉装置建设在预留场地上，当时预留规模为145吨/时，场地宽度及长度均受限制。3) 煤质的分析数据表明，现所燃用的煤质为烟煤，其Wy10.3%12%，灰分Ay8.83%12%，Kkm1.281.1，磨损系数Ke2.2，值较小，符合选用中速磨煤机直吹式制粉系统的规定。由于上述具体情况选用中速磨直吹式制粉系统。在中速磨直吹式制粉系统中，根据排粉机的位置不同，可分为负压式和正压式，在负压系统中，原煤由煤斗落下后经给煤机进入磨煤机。由空气预热器出来的热风分为两部分，一部分作为二次风经燃烧器进入炉膛，另一部分作为干燥剂将煤烘干并输送煤粉。煤粉分离器设在磨煤机出口，经分离器分离出来的粗粉送回磨煤机重磨，干燥剂和细粉通过排粉风机提高风压后作为一次风经燃烧器送入炉膛（见图一）。正压系统与负压系统生产过程基本相同，所不同的是排粉机置于磨煤机前面（也称一次风机），使磨煤机内处于正压状态。 图一 中速磨直吹式制粉系统 （a）负压系统 （b）正压系统 1原煤斗 2给煤机 3磨煤机 4煤粉分离器 5一次风箱 6一次风管 7燃烧器 8锅炉 9送风机 10一次风机 11空气预热器 12热风管道13冷风风道 14排粉机 15二次风箱 16密封风机 两种系统相比较：正压系统，排粉机内通过的是热风，轴承易过热损坏，风粉混合物易从磨煤机向外冒出，应采取较可靠的密封设施；但煤粉不通过排粉机，故风机叶片不易磨损。负压系统则相反，由于全部风煤混合物通过排粉机，叶片磨损严重，使风机效率降低，电耗增大，但低温介质通过排粉机时轴承工作条件好。另外，冷风易漏入磨煤机内，使干燥效率降低。根据前面所述该锅炉所燃用的是磨损性较强的煤种及已建145吨/时高压锅炉的情况，本次锅炉选用正压直吹式制粉系统，以保证锅炉系统安全稳定运行。 3、制粉系统的优化3.1 系统完善3.1.1 由于煤粉的爆炸与煤的挥发分含量、煤粉在空气中的浓度、煤粉的粗细、输送煤粉的气体含氧量、煤粉气流混合物的温度有直接关系，长期积存的煤粉受空气的氧化作用，会缓慢地发热使温度上升，而温度上升又加剧煤粉的氧化，当散热不良时最后使煤粉温度达到其自燃点而自行燃烧。为防止煤粉爆炸，在制粉、送粉系统中尽可能消除死角、减少水平管道、控制气粉混合物的速度，并控制磨煤机出口的气粉混合物的温度。针对兰化220吨/时高压锅炉，根据燃烧器的需要，结合煤质分析，选定磨煤机出口气粉混合物的温度为80。为防止磨煤机及给煤机煤粉的外漏而造成的工作条件的恶化，设置了密封风机，从而有效地降低磨煤间空气中煤粉的浓度。3.1.2 按蒸汽锅炉安全技术监察规程的规定，装设锅炉炉膛燃烧器管理系统（BMSBurner Managment System），也称管理炉膛安全监控系统（FSSSFornace Safeguard Supervlsary System），这个控制系统用来完成锅炉点火前和停炉后的炉膛清扫工作，确保点火和点燃主燃料的合适条件，自动进行燃烧器的点火和投入，并能在机组故障情况下停止锅炉的运行。3.2 直吹式系统设备优化3.2.1 磨煤机和风机磨煤机是制粉系统中最主要的设备。常规采用国内生产中速磨煤机的220吨/时锅炉正压直吹式制粉系统，其磨煤机台数均大于一台，但是在兰化220吨/时高压煤锅炉装置中可利用布置磨煤机的位置有限，北侧为已建145吨/时高压锅炉，南侧为马路及脱硫装置，已没有安装第二台磨煤机的位置。其二，在国内能生产的几种中速磨煤机中，根据其性能和运行情况，目前尚无单台磨煤机配单台锅炉的业绩。其三，根据宁夏化工厂单磨配单台锅炉10多年来运行经验和已建145吨/时高压锅炉单磨配单台锅炉的情况，本次220吨/时高压锅炉采用单台国外引进中速磨煤机配置单台锅炉。为保证单磨配单台锅炉的工作可靠性，在选择磨煤机时也进行认真选择和优化。宁夏化工厂及兰化已建两台145吨/时高压锅炉均采用日本宇部株式会社（采用的是德国Loesche公司的技术转让）生产的中速磨煤机。现就磨煤机选择叙述如下：德国Loesche生产的中速磨煤机为平盘磨。在选择兰化工程磨煤机之前，了解到美国Williams生产的是流态化中速磨煤机。下面就通过中速磨煤机的具体性能比较选用较为优秀的中速磨煤机。磨煤机性能方面项目 WilliamsLoesche硬度适应范围HGI35HGI45煤粉细度最细可达325目98%最细可200目80%负荷调整性能在50100MCR 风煤比可保证不变，在 1550MCR时，风煤比在一定范围内调节。在15100MCR风煤比均需调节变化。有效研磨金属量70g/t煤90g/t煤对研磨颗粒的适应性平均25mm80mm 磨煤机结构方面项目 WilliamsLoesche煤粉干燥在磨煤机的下部通过犁耙和热风扰动形成流态化区，从而对煤进行干燥落在磨盘上，边研磨边干燥被研磨煤的状态煤经干燥后研磨，煤中的金属块等大部分沉于磨煤机底部，不通过磨辊和磨环之间，可减轻磨损。磨盘上是半干燥煤，煤中小的金属块等沉积在磨盘上，并不断进行积累，从而增加磨盘与磨辊的磨损，尤其以磨盘为重。金属石块等清理每次清理之间的时间间隔可较长发现磨的振动或磨损严重时应及时清除从上面对比可以看出，无论是在性能方面，还是在结构、检修方面，Williams磨煤机优于Loesche，故选用Williams磨煤机。选定此磨煤机后，该制粉系统磨煤机电耗为7.35kwh/t煤 ，比洞氮煤代油工程中240t/h锅炉装置所选用的钢球磨煤机制粉系统磨煤电耗少3.72kwh/t煤，从此可以看出其节能的效果是十分显著的。制粉系统的另一个较大设备是风机。在制粉系统中，一次风机的工作环境为高温 (198左右)。国内常规直吹式制粉系统配备为两台一次风机，现在兰化工程中欲采用进口一台风机。根据其他工程运行经验，单台进口风机在保证连续运行8000小时方面是比较可靠的。风机的两种方案对比如下： 国产配两台进口一台备注风机计算功率310kWx2414kW风机效率80%85%配用电机功率400kW2455kW(风机电机)价格85万元240万元运行费用192万元109万元只计电耗投资回收年限1年零10个月只对比风机价格说明：国内风机配两台，是两台风机正常情况下均在运行，每台此时运行负荷为75%（即每台国产风机风量选择时按锅炉满负荷下风量的70%考虑)；事故时单台风机本身负荷为100，对应锅炉为70负荷。从上面对比可以看出，进口一台风机的方案是比较优越的。3.3 控制方式优化兰化已建两台145吨/时高压锅炉中，磨煤机制粉与锅炉一起采用常规仪表控制。在本次设计时，基于以下考虑：对于任何一个变量(集中)，其要经过变送器，一根两芯电缆至接线箱，多个信号从接线箱通过一根多芯电缆至机柜或控制盘，从而通过终端设备显示或打印结果。因此对于采用常规仪表和DCS(集散型控制系统)所不同的是终端设备。鉴于现今电子产品硬件价格大幅度下跌，工厂控制水平及操作水平也在不断提高。本次新建220吨/时高压锅炉装置的控制采用DCS实现。对于Williams磨煤机，其为专利设备，配备有System 200控制系统，由E2PROM（一种只读存储器）实现(给煤机、密封风机也在此范围内)。该控制可与Internet联网，对磨煤机的控制、保护、防止空转等均有可靠的控制回路。Williams在美国本部通过Internet直接掌握磨煤机运行情况和处理随时出现的问题。3.4 节能对于制粉系统的能耗，在选择一次风机时已有较详细的叙述。除此之外，另一个耗能设备就是磨煤机。国内常用磨煤电耗来衡量磨煤机。兰化已建145吨/时高压锅炉所使用的Loesche技术、日本宇部生产的式中速磨煤机单位磨煤电耗为7.89 kWh/t煤，而安装在此的Williams直燃式流态化磨煤机的磨煤电耗为7.35kWh/t煤。两者相比，可以看出Williams磨煤机亦较Loesche低，每年可节约电15.55万kWh，不仅如此，由于使用了变频技术，其可使磨煤机在各种负荷下均处于高效节能状态。这一点，要比国内引进的法国阿斯通（ALSTHOM）公司生产的“双进双出”磨煤机更加优越。3.5 操作和维修方便操作上的方便与否与控制水平是相对应，从前面不难看出，由于Williams磨煤机 图中：MS磨煤机电机转速（Mill Speed）; SS分离器电机转速（Spinner Speed）; AF空气流量（热空气调温冷风，Air Flow）； DP磨煤机进出口压差（Diff Pressure）; MR磨煤机负荷（Mill Rated）。所配带System 200控制系统的优越性，其操作前，只需根据煤质的情况设定上述四条曲线，即很方便的进行操作管理，分离器的转速和磨煤机转速可有效地控制煤粉细度，一次风量和给煤量可控制锅炉负荷，磨煤机进出口压差可反映磨煤机的磨损情况等。在此中速磨煤机直吹式制粉系统中，通过对上述四条曲线的有效控制，可为锅炉稳定燃烧通过可靠的基础，而锅炉稳定燃烧的影响因素很多，磨煤机型式不同，其所控制的参数和操作的灵活性也不同。现只对由制粉系统所控制的两个主要参数说明如下，从此就可更进一步看出Williams磨煤机的操作灵活和可靠性。3.5.1 煤粉的细度调整原宇部中速磨煤机，在磨煤机上部安装地是一个离心式煤粉分离器，该分离器装有24片折向挡板，在煤粉气流流过挡板的过程中气流产生旋转，把粗的煤粉分离出来。折向挡板可以调节角度以改变煤粉气流的旋转强烈程度，从而调节出粉的细度，其次就再靠磨煤机内部内、外圆锥体的分离作用进行煤粉分离。从上面可以看出，虽然磨煤机通风量可以改变分离器的分离效果，使最后的煤粉细度改变，但通风量的大小主要取决于使炉内保持良好燃烧的一次风比例。故它不能作为调节煤粉细度的主要手段。调节煤粉细度的最主要手段是改变分离器折向挡板的开度，如果折向挡板的角度调至最大，煤粉仍太细时，就要减少液压装置对磨辊的压力；反之如果折向挡板角度调至最小，煤粉仍太粗时，则需增大液压装置对磨辊的压力。而对于Williams 磨煤机，由于其煤粉分离器是动态的，是由一个调频电机带动，调频电机的转速是由System 200 协调磨煤机转速控制的，其对煤粉细度的控制较为灵活。3.5.2 风煤比由于中速磨煤机都有一个最小风量和最小出力的要求，低于最小风量，易造成煤粉管道流速下降，使煤粉管道内煤粉沉积，影响安全生产；低于最小运行出力，易造成磨煤机的磨损或煤粉浓度太低。对于Loesche 磨煤机，其允许的最小通风量差不多为规定的额定通风量的70，再低，则由于磨盘风环处流速降低造成石子煤量剧增，增加运行困难。磨煤机最小出力则规定为额定值的4050，低于最小出力，由于磨盘上煤层过薄，会造成研磨部件金属间的接触，而导致强烈磨损和振动等事故。当磨煤机以额定出力和相应额定风量运行时，此时可获得一个对燃烧合适的风煤比。如果磨煤机出力降低50，而通风量必须维持在额定值的70，则此时风煤比将增大很多，煤粉浓度大幅度降低，低负荷时，炉膛温度水平本已降低，又加上风煤比过大，对煤粉着火和稳定燃烧会更加不利。而Williams磨煤机，其由于本身结构和流态化技术的应用，其风煤比正如前面所述的，在50100磨煤机负荷时风煤比可保持不变，在1550（不含50）时风煤比可在一定范围内变化调节。该磨煤机的最小通风量可在50左右，而最小出力可在15以上，从而可比其他类型的中速磨煤机在保证风煤比方面优越。也即为保证锅炉燃烧提供了一个可靠的基础。3.5.3 对于磨煤设备，特别是中速磨煤机，其维修方便是否也是一个很重要的原因。在已建145吨/时锅炉系统中，磨煤机的维修时间最短，更换磨盘材料需要两天左右的时间，更换一次磨辊耐磨材料需20小时，况且在该磨煤机启动时，还必须铲除剩余在磨盘上的煤。而对于Williams磨煤机，在启动时不必铲除磨盘上的煤，更换磨环需20小时，更换一次耐磨材料仅需4小时。4、结束语综上所述，对煤粉炉，特别是为化工装置供热的锅炉，为其选定合理的制粉系统对其安全及可靠性是尤为重要的。4.1 在兰化220吨/时高压煤锅炉装置中，根据工程的具体情况，选定其制粉系统为中速磨正压直吹式。由单台进口中速磨煤机配额定蒸发量为220吨/时左右的高压锅炉，并且制粉系统所配的一次风机也为单台进口配置。从前面的对比和分析中，可以看出选用该制粉系统是可以满足220吨/时高压煤锅炉装置的可靠经济运行。（下转第78页）（上接第130页）4.2在一个燃煤热电工程中，通过对煤质特性的详细分析，选择出一个可靠、经济的制粉系统并进行优化是非常重要的。借助于优化后的制粉系统，结合工程的具体情况，通过对锅炉燃烧器的合理布置和设计，可有效地组织锅炉炉膛内的空气动力场，控制炉膛局部热负荷，从而更进一步保证锅炉稳定燃烧及过热器出口蒸汽品质。因此，在选择制粉系统时，应进行多方面比较，对制粉系统的每一台设备、占地、能耗、控制，可操作性等进行分析，确保制粉系统的可靠、经济、稳定。4.3在煤质适宜时，应优先选用直吹式制粉系统。在规程中也有“在煤质适宜时，应优先选用直吹式制粉系统”这样的规定，规程的条文解释“煤质适宜”是指水分Wy12%，灰分Ay1.1。本人认为：1) 规程中指出的“煤质适宜”是针对国内现能够生产的RP、HP、E、MPS型