关于200MW富氧燃煤电厂制粉系统及磨煤机参数的探索

作者；张毅

     在未来相当长的一段时间，化石燃料在电力生产中仍将占据主导地位，燃煤电厂排放的CO，仍是全球CO，浓度增加的主要原冈之一。富氧燃烧技术是在现有电站锅炉系统基础上，用高纯度的氧代替助燃空气，同时采用烟气再循环．用CO，代替N2做热量的载体，调节炉膛内的介质流量和传热特性，获得高CO2浓度的烟气，通过冷凝压缩纯化后，可以实现CO2规模化封存或资源化利用。国内华中科技大学、浙汀大学、东南大学、清华大学、华北电力大学等单位在实验室和巾试装置上开展了大量研究工作，并取得了不少的成果。开展了富氧燃烧系统过程建模及优化，进行了富氧煤粉燃烧锅炉概念设计研究，开展了微富氧燃烧煤粉锅炉优化设计研究。对于大型富氧燃煤电厂制粉系统及磨煤机关键参数研究，尚未见有较为完整的研究结果公开报道。文章为研究和确定空气一富氧燃烧兼容运行下制粉系统和磨煤机关键参数，采用设计计算和理论分析相结合的方式，获得了典型煤种在空气一富氧兼容条件下制粉系统及磨煤机出口温度、煤粉细度、通风量和煤粉管道流速等参数：通过对磨煤机参数、投资成本和

运行电耗等因素的综合分析，获得优选方案，并提出了保障制粉系统及磨煤机安全运行的措施。

1  燃煤电厂富氧燃烧系统介绍

  富氧燃煤电厂与常规燃煤电厂的主要区别在于富氧燃烧系统锅炉侧前端增设了空分系统(ASU)；采用部分烟气再循环；末端增加了C02压缩纯化系统，系统流程如图1所示。由空气分离装置制取的高纯度氧气（02纯度95%以上），按一定的比例与循环回来的部分锅炉尾部烟气混合，一部分作为煤粉输运介质，与燃料一起送入炉膛；另一部分作为助燃介质进入炉膛，完成与常规空气燃烧方式类似的燃烧过程，并实现与锅内工质的传热过程。循环烟气用于维持较高的炉内温度、合理的锅炉辐射与对流受热面吸热，以及同态排渣等。锅炉尾部烟气产物，进入压缩纯化系统(CPU)，最终得到高纯度的液态C02，以备运输及利用和埋存。按照二次循环烟气抽取位置不同，富氧燃烧的烟气循环系统又分为干循环和湿循环2种。

  富氧燃烧干循环的烟气系统中，由于循环烟气中水蒸气含量较高，为防止制粉系统结露引起腐蚀和堵粉，在脱硫后增设一级烟气冷凝装置。炯气经脱硝、除尘、烟气换热器( GGH)和脱硫后．进入炯气冷凝装置，将烟气温度降低到30℃左右。干燥后的净烟气一部分经GGH加热后进人烟气循环系统，剩余部分进入CO2压缩捕集系统或烟囱，系统流程如图2所示。

  湿循环烟气系统与十循环系统基本相同．唯一的区别是干循环的二次循环烟气是从烟气冷凝器后引出，而湿循环的二次循环烟气是从引风机后、GGH之前的原烟气烟道上引出，循环炯气注氧后，经送风机升压，然后经空气预热器加热后．送入炉膛助燃，系统流程如图3所示。由于引风机后的炯气没有经过冷凝，所以带回炉膛的水蒸气含量比富氧干循环系统的高，经过烟气循环累积后，烟气中的水蒸气含量要比干循环的高10%左右。

  对于现役燃煤电厂，进行富氧燃烧改造．需要考虑长期空气燃烧运行的可行性，因此通常保留全流量的炯气净化系统（包括除尘、脱硫、脱硝和烟气冷却），这类系统可以称为空气一富氧燃烧兼容系统，其锅炉岛系统的初投资将略高于常规空气燃烧系统，由于锅炉和辅机需要兼顾空气燃烧和富氧燃烧的需要，因此在受热面布置、设备选型上更为困难。

2 200 MW富氧燃煤锅炉制粉系统参数研究

  以200 MW富氧燃煤机组为研究对象．其煤质参数见表l所示。

2.1  磨煤机出口煤粉细度

  磨煤机出口煤粉变细将会使磨煤机电耗增加和锅炉燃烧效率提高，因此存在一个经济煤粉细度。经济煤粉细度的选取主要考虑煤的燃烧特性、燃烧方式、炉膛的热强度和炉膛的大小、煤粉的均匀性系数。由于设计煤种为高挥发分、巾低灰分烟煤，其燃尽性和燃烧性能好，煤粉细度可以适当放粗，但从锅炉本体燃烧性能和燃煤结渣性考虑，则要求进入炉膛的煤粉有较细的煤粉细度和较高的煤粉均匀度。根据《电站磨煤机及制粉系统选型导则》，固态排渣煤粉炉燃用烟煤时，煤粉细度R90=0.5n,Vdaf选取，其中R90为用90μm筛子筛分时筛上剩余量占煤粉总量的百分比，%：n为煤粉均匀性指数，取1.O；Vdaf为煤的干燥无灰基挥发分，%。经计算，富氧燃烧制粉系统经济煤粉细度R90约19%，但考虑到C0：气氛会延长煤粉颗粒的着火时间和挥发分燃烧的持续时间．在相同氧浓度下，C02气氛中炉内气体温度低，火焰不稳定，飞灰中未燃碳含量增加。结合3 MW富氧燃烧试验研究富氧燃烧制粉系统经济煤粉细度R90可适当降低，取18%更为适宜。

2.2磨煤机出口温度

  在富氧燃煤电厂制粉系统中，由于再循环烟气含有部分SO3和水蒸气，系统末端露点温度较常规空气燃烧提高，但磨煤机出口风温受煤粉防爆限制，不宜过高。因此，需要研究磨煤机出口风温的合理值，一方面满足磨煤机干燥及防爆要求，同时还应避开酸露点、水露点温度，满足输送、防腐要求。

  富氧燃烧十／湿循环方案一次再循环烟气均经过了冷凝器脱水，控制一次风含水量约5%，由于设计煤质属中低水分，磨煤机出口一次风水露点温度相比空气工况无明显提高，磨煤机出口温度已远高于水露点温度，因此，不存在水结露问题。但由于一次再循环烟气仍含有少量S02、S03，磨煤机出口酸露点温度远远高于水露点温度，为了满足制粉系统防腐及输送要求，磨煤机出口温度需高于酸露点温度。

2.2.1  参数计算

  根据煤粉炉富氧燃烧模型计算表明S03转化率在0.3%～2.O%，本文中SO，转化率取上限，按2.0%计算。计算烟气酸露点的方法很多，且计算结果存在差异，本文采用基于炯气成分计算的《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》推荐的下限酸露点计算

式中：Vso3为烟气巾SO3容积，m3; VH2o，为烟气中水蒸气容积，m3；Vso2为烟气中SO2容积，m3；TDP,为炯气酸露点温度，℃；Pso2为烟气中SO3分压力；PH2O为烟气巾水蒸气分压力；Pg为烟气绝对压力：Kso3为SO3转化率；Vawg为烟气总容积。

  通过计算获得了富氧燃烧送粉管道酸露点与湿法烟气脱硫( FGD)中SO3的脱除率和烟气冷凝器出口烟气含水率的关系曲线（图4和图5），

  从图4和图5可以看出，送粉管道中的酸露点和烟气冷凝器m口烟气中的水蒸气含量基本上是成正比例关系：对于干循环，水蒸气含量每增加1%,送粉管道的酸露点增加约1.4℃；对于湿循环．水蒸气含量每增加10_10．送粉管道的酸露点增加1.5℃。S03的脱除率对酸露点的影响近似成指数函数关系．在80%到90%时有比较大的降幅．其他条件相同的情况下，脱除率90 010时比80%低6℃．凶此若能将SO，脱除率提高到90%，对降低送粉管道酸露点，提高制粉系统的安全性有很大的帮助。

  在按SO，到SO，的转化率为2.0%．烟气冷凝器m口水蒸气含量为5%，以及FGD内S03的脱除率按80%的没计条件下：富氧干循环工况下送粉管道酸露点在没计煤质时为68.4℃，校核煤质为73.0℃：富氧湿循环设计煤质下为86.5℃，校核煤质为93.0℃。

2.2.2取值分析

  磨煤机出口温度的选取还应考虑防爆及系统运行要求．这与制粉系统的氧分压密切相关。通过理论及试验研究表明，在相同氧气体积分数下，O2/CO2气氛的煤粉着火温度较02/N2气氛的高：当富氧燃烧系统氧分压在26%～29%时，煤粉着火温度与空气燃烧接近。目前CO2气氛对煤粉着火及燃烧的影响，主要解释为CO2的比热容比N2大；挥发分和,2CO2气氛中的扩散速率低。当干燥介质采用炯气和氧气混合时，通过控制再循环烟气中的氧气浓度，可大大降低因煤粉温度升高引起制粉系统爆炸的可能性，制粉系统出口风粉混合物的温度可以高于空气制粉工况。

  目前尚无富氧燃煤电厂制粉系统相关规程规范，但参考烟气空气混合干燥煤粉等工况，在氧气浓度较低时，中速磨煤机直吹式系统磨煤机的出口温度最高（分离器后）可取到120℃。本项目中富氧燃烧工况一次风氧分压按18%控制，低于常规空气燃烧．磨煤机出口温度有上调的空间。

  目前计算烟气酸露点的方法都存在一定差异，最大可达10℃左右．因此在磨煤机出口温度的选择上．应在计算值基础上取一定裕量。本文中SO2转化率取上限(2.0%)，实际转化率预计低于计算值。综合考虑，对于干循环方案，磨煤机出口温度控制在77—80℃为宜：对于湿循环方案，磨煤机出口温度控制在95～100℃为宜，炯气冷凝器出口含水率限制在5%以下。在机组运行时，需要监测一次风管道中的so3和水蒸气浓度，以免送粉管道中凝结酸露，造成堵粉或者设备管道腐蚀。

2.3磨煤机通风量和送粉管道流速

  常规燃煤电厂，磨煤机最小通风量约为额定通风量的70%．送粉管道流速为22～28 m/s，最低流速不小于18 m/s，风煤比1.8～2.2。在富氧燃烧工况下．输送、干燥煤粉的一次风具有高C0，浓度（约70%）、高S02（30xl0-6～60x10-6）、高水分（约5%）、高含尘（约30 mg/m3）等特点，其密度接近空气密度的1.35倍．过高的一次风率易造成火焰稳定困难，、因此对于空气一富氧燃烧兼容系统．为了实现2种工况的安全稳定运行．要求富氧燃烧条件下的一次风质量流量和空气工况尽量相当．因此，富氧燃烧工况磨煤机的通风量应与空气T况的标态体积流量一致。各厂家的磨煤机通风量计算数据如表2所示．MPS170和ZGM80G在空气燃烧工况和富氧燃烧工况下通风量相差最小．可以优先选择。

  烟风煤粉管道的介质流速，应考虑介质特性、设备条件以及合理节省运行费用和基建投资等因素，煤粉管道还要考虑防止堵粉、过量积灰和磨损的要求，为了满足防爆要求，在任何锅炉负荷下，从磨煤机到燃烧器的送粉管道．流速不得小于18 m/s。对于富氧燃烧兼容工况．无论干湿循环，空气燃烧的送粉管道由于锅炉耗煤量较高．一次风量增大，送粉管道流速稍高于富氧燃烧，、BMCR 工况下送粉管道的管径、流速计算结果如表3（按MPS磨）所示。

3制粉系统及磨煤机选型研究

3.1  制粉系统

  由于富氧燃烧系统的特殊性，为了满足C02压缩纯化系统处理要求，整个烟风系统及炉内总的漏风率需控制在2%以下。但由于系统中不可避免地在部分位置存在较高的负压（如引风机前的空预器、烟道、除尘器等），且南于设备结构和运行方式等原因，炯风系统难免存在一定的漏风．因而需要尽量控制相关系统空气的漏入，结合富氧燃烧的特殊要求和煤质资料，富氧燃烧制粉系统宜采用中速磨煤机正压冷一次风机直吹式制粉系统。

3.2磨煤机选型参数比较

  200 MW富氧燃煤锅炉配置5台巾速磨煤机．4运1备，根据煤质特性、耗煤量及煤粉细度要求，磨煤机选型参数如表4所示。从煤种的适应性、磨煤机的运行电耗、耐磨件的使用寿命、煤粉细度和煤粉颗粒的均匀性、运行检修等方面分析，国内中速磨煤机HP、MPS、ZGM和MPS -HP-Ⅱ型磨各有优缺点，均满足要求。MPS、ZGM和MPS -HP-Ⅱ型磨煤机对煤种变化适应性较强．MPS-HP-Ⅱ磨煤机制粉电耗稍低，但HP磨煤机的检修维护更方便，且体积最小，布置检修空间相对较小。

  从表4来看，各种型号磨煤机出力基本相当．在相同的耗煤量情况下磨煤机轴功率相差不大。MPS170和ZGM80G磨煤机通风量相当．MPS150HP-Ⅱ磨煤机稍高．HP783磨煤机最高，根据富氧燃烧磨煤机通风量要求．HP磨煤机对兼容方案的适应性较差，MPS磨煤机较好。综合考虑投资成本、运行电耗等因素，建议优先选择MPS磨煤机。

4制粉系统及磨煤机防磨、防漏、防腐措施

  富氧燃烧制粉系统采用循环烟气作为煤粉干燥和输送介质，需要考虑循环炯气中的粉尘、高S02(S03)浓度和高水分带来的防磨、防漏、防腐问题。除磨煤机本体易受冲刷部位（如喷嘴环、辊支架、筒体、分离器等）采取耐磨措施外，为防止循环烟气中的粉尘造成机械部位卡涩、磨损甚至损坏．采用串联两级过滤器，降低密封风中的含尘量，减小设备磨损。在富氧燃烧条件下，为防止空气中的N，进入循环烟气稀释C02，从冷一次风母管上引出一路

循环烟气，经密封风机升压后作为磨煤机的密封风。这既能保证富氧燃烧时密封风不会稀释烟气，又能使机组在空气燃烧工况时（比如机组启动初期）仍然使用相同的密封风系统连接，而不用切换其他的气源。磨煤机本体的所有动静结合处均采用了机械及循环烟气双重密封，保证密封压力至少大于一次风压力2 000 Pa，可以有效地防止烟气内、外漏。但在磨煤机的动静结合处（如轴承等部位）仍会有少量密封风泄漏(约占密封风量的20%~30%)．因此建议在易漏风处增设C02浓度监测．并设置浓度报警、警示标记等。

  送粉管道由于介质冲刷性较强，若采用内衬防腐材料，在风粉冲刷下使用寿命较短，且内衬材料一旦剥落，还会造成管道设备堵塞和积粉，若整体采用不锈钢材质义会凶为送粉管道材料用量大而提高机组造价。因此，适当提高送粉管道内的介质温度来避开酸腐蚀，是比较合理的防腐措施。

  此外．磨煤机及送粉管道需增加吹扫系统，在磨煤机停运时，将磨煤机及送粉管道中的残留烟气和煤粉吹到炉膛中，防止设备和管道中的酸性烟气冷凝造成酸腐蚀。

5结论

  (1)结合富氧燃烧锅炉制粉系统干燥剂成分变化及富氧燃烧特殊要求，分析了空气一富氧燃烧兼容系统磨煤机及制粉系统与常规燃煤电厂的差异性：对于空气一富氧兼容工况，要求富氧燃烧条件下的一次风质量流量和空气工况尽量相当，在满足干燥出力的情况下，选择较小通风量使2种工况更匹配：适当提高磨煤机出口风温，以避开其酸露点温度，合理控制一次风氧分压保障制粉系统安全运行。

  (2)通过制粉系统计算和综合分析，确定了200 MW级富氧燃煤锅炉磨煤机出口温度、煤粉细度、通风量和煤粉管道流速等主要参数。

(3)完成200 MW富氧燃煤锅炉磨煤机及制粉系统设备选型比较分析，提出防磨、防漏、防腐措施。

6摘要：针对空气一富氧燃烧兼容运行的大型富氧燃煤电厂制粉系统参数选择和磨煤机选型等问题，开展了研究和分析。采用设计计算和理论分析相结合的方式，研究了高CO：气氛对磨煤机及制粉系统参数的影响，获得了典型煤种在200 MW机组空气一富氧兼容条件下磨煤机出口温度、煤粉细度、通风量和煤粉管道流速等参数。综合考虑堵粉、腐蚀和防爆等情况，一次风氧分压控制在18%,烟气冷凝器出口含水率限制在5%以下．富氧干循环方案磨煤机出口温度控制在77—80℃为宜，湿循环方案磨煤机出口温度在95～100℃为宜。通过磨煤机及制粉系统选型参数比较分析，提出了相关防磨、防漏、防腐措施。研究结果实现了空气一富氧燃烧兼容运行下制粉系统和磨煤机关键参数的匹配。