興業柳鋼石灰窯制粉系統產能影響因素分析與達產實踐

向甘乾，謝 軍，王浩翔

（中冶南方武漢鋼鐵設計研究院有限公司，湖北武漢 430081）

前言

高爐噴煤是從高爐風口向爐內直接噴吹磨細的煤粉，以代替焦炭起到部分冶金作用，從而降低焦比，降低生鐵成本。

隨著石灰行業的發展，煤粉因熱值穩定、成本低等優點越來越多地被作為石灰窯的燃料。噴煤技術也廣泛應用在石灰窯行業上。其工藝與高爐噴煤系統類似，是將原煤磨制成滿足石灰窯需求的煤粉，然后噴入石灰窯。

1 概況

興業柳鋼石灰窯制粉系統承擔著8座石灰窯煤粉制備任務。共設計3 套煤粉制備系統，單套制粉能力為22 t/h。

制粉系統一系列和二系列分別于2020 年10 月和12 月交付試生產，在生產2 個月后卻始終無法達產。對此系統的設計進行分析，經多輪調試，最終達到設計產能。

2 提高制粉能力的技術分析

制粉系統單系列主要設備配置見表1。

表1 制粉系統主要設備配置

制粉系統設計能力需要從干燥出力、磨煤機研磨出力和通風出力三個方面分析。

2.1 制粉系統干燥出力

制粉系統的干燥出力，是指在單位時期內能使原煤中水分干燥至煤粉含水量的原煤量。其出力高低決定于干燥通風量和干風溫度。

制粉系統干燥通風量和干風溫度可通過熱平衡計算得出，干燥過程熱平衡流程圖如圖1 所示。制粉系統原煤干燥用的熱量絕大部分來自燃煤煙氣爐中的煤粉燃燒產熱。這些熱量大部分用于蒸發原煤水分以及對磨機出口煤粉的加熱（升溫到磨機出口溫度），剩余的熱量被干燥氣從磨機出口帶走。由于磨機密封性好，系統熱損失可忽略不計。

圖1 干燥過程熱平衡流程圖

圖1各部分的熱量采用下式計算：

干燥氣帶入的熱量：

蒸發水分耗熱量：

干燥氣出口帶走熱量：

1 kg煤粉的升溫熱量：

漏風帶走的熱量：

式中：q——1 kg原煤所需干燥氣量，kg；

t1——磨機入口干燥氣溫度，℃；

t2——磨機出口干燥氣溫度，℃；

tn——磨機入口原煤溫度，℃；

C1——磨機入口干燥氣熱容，kJ/（kg·℃）；

C2——磨機出口干燥氣熱容，kJ/（kg·℃）；

C3——原煤收到基熱容，kJ/（kg·℃）；

M1——磨機入口原煤水分，%；

M2——煤粉水分，%。

熱平衡方程：

把式（1）～（5）帶入式（6）得出：

2.2 制粉系統磨煤機研磨出力

興業柳鋼石灰窯制粉系統中速磨采用的是MPS型輪式中速磨［1］，其出力計算公式為：

式中：BM——磨煤機的設計出力，t/h；

B0——磨煤機的基本出力，t/h（僅跟磨煤機的磨盤直徑、磨輥直徑、磨盤轉速有關）；

fH、fR、fM、fA、fg——分別是可磨系數、煤粉細度、原煤水分、原煤灰分、原煤粒度對磨煤機出力的修正系數，對輪式磨煤機，fg=1，當原煤灰分≤20%時，fA=1；

fe——研磨件磨損至中后期的出力降低系數，fe=0.95；

fsi——分離器形式對磨煤機出力的修正系數，靜態分離器fsi取1，動態分離器fsi取1～1.07。

2.3 制粉系統通風出力

制粉系統通風能力是制粉系統管道及其元件、設備、部件總的全壓降。要保證以合適的氣流速度輸送煤粉，首先要確定主排風機的設計參數。主排風機需要克服整個制粉系統的通風阻力，并為制粉系統提供足夠的通風量。

圖2 為制粉系統磨煤機出力與通風量的關系曲線。

圖2 磨煤機負荷與通風量關系曲線

由圖2 可知為保證磨煤機最大出力，主排風機為磨煤機提供的通風量需要≥46 560 m3/h。

根據制粉系統設備最大阻力及各管段流速，計算出整個制粉系統全壓降為9 400 Pa?？紤]風機全壓富余30%［2］，風機全壓應＞12 220 Pa

2.4 計算結果與技術分析

興業柳鋼采購原煤水分約13%，可磨系數HGI為76，要求的煤粉水分應＜2%。

2.4.1 干燥出力

由式（7）可知，制粉系統的干燥能力與磨煤機入口和出口干燥氣溫度有關。以下是制粉能力22 t/h時，在磨煤機出口溫度分別是80 ℃和75 ℃下，磨煤機入口從230～300 ℃時所需的干燥通風量的數據見表2。

表2 磨煤機入口干燥氣各溫度下的干燥通風量

由表2可知，制粉出力一定時，磨煤機入口溫度越高，需要的干燥通風量越低；磨煤機出口溫度越底，需要的干燥通風量越低。

由干燥出力分析可知，要提高制粉系統產能，應在保證系統安全的情況下盡量提高磨煤機入口干燥氣溫度，以＜300 ℃為宜；在保證煤粉含水達標的情況下，適當降低磨煤機出口溫度，以＞70 ℃為宜。

2.4.2 研磨出力

由式（8）可知，在磨煤機選型及煤粉細度要求確定的情況下，影響磨煤機研磨出力的因素僅有原煤可磨系數和原煤水分。

可磨系數HGI=76，fh=0.970 8；原煤水分Mt=13%，fM=0.943 1。

可磨系數HGI=50，fh=0.725 2；原煤水分Mt=15%，fM=0.926 4。

由式（8）計算得出的制粉系統設計研磨出力為0.671 8B0，制粉系統實際研磨出力為0.915 6B0，實際研磨出力高于設計出力。

因為煤是一種復雜的有機體，可磨性與煤的變質程度、水分、溫度等均有關系。有研究表明煤的水分對其可磨性影響存在一個拐點，水分低于此點時影響不大，水分超過此點時可磨性突然下降，之后再緩慢下降［2］。而煤的可磨性數據是在實驗室的條件下（風干的煤樣以及在特定的試驗儀器和常溫條件下）測得的。

在實際生產運行條件下，煤的水分會對煤在運行狀況下的可磨性產生影響。煙煤、無煙煤的可磨性隨著原煤全水分的增加而下降；褐煤的可磨性隨著原煤全水分的增加呈現復雜的變化關系，其中揮發分Vdaf＜30%的褐煤，其可磨性隨著全水分的增加大部分呈下降的趨勢。

因此原煤可磨性試驗數據與實際原煤可磨系數存在一定的偏差。因項目現場無法測定實際運行的原煤可磨性系數，加之采購的原煤水分偏高，考慮實際運行時的原煤可磨性系數下降。

磨煤機基本出力［3］公式為：

式中：A——取決于磨煤機結構、加載力、煤種的常數；

b——磨輥寬度，mm；

d——磨輥直徑，mm；

D——磨盤直徑，mm。

由式（9）可知，在磨煤機選型確定后，影響其出力的因素僅為加載力和煤種。對于MPF190 型磨煤機，磨煤機負荷與加載力的曲線關系見圖3。

圖3 磨煤機負荷與加載油壓關系曲線

由圖3 可知磨煤機的極限加載油壓為11 MPa。磨煤機采用液壓變加載，加載力隨磨煤機負荷變化調整。在運行中，可根據煤種的不同調節加載力，以適應不同煤種的出力。在設計煤種可磨系數范圍內，提高加載力可提高磨煤機的出力，當可磨系數低于設計煤種要求時，提高加載力只能增加磨煤機的電耗和磨損度。

實際運行煤種在設計煤種要求范圍內，因此可通過適當提高磨煤機的加載力來提高制粉系統產能。

2.4.3 通風出力

正常運轉的磨煤機，風量和出力應在圖2 所示的曲線附近波動。如果增加風量，煤粉平均粒度會相應變粗，煤粉的平均粒度y與主排風量x的關系y=0.001 4x+0.074 1。［4］提高磨煤機動態分離器的轉速，會導致系統通風阻力變大。

當選擇的主排風機風量過大時，磨煤機至布袋收集器的管徑會相應增大。但是生產時的實際通風量減小，會導致磨煤機至布袋收集器的管道流速小于18 m/s，從而引起煤粉部分沉降，使制粉產能下降。

根據考察數據，某企業石灰窯制粉系統，其磨煤機型號同樣為MPF190，但其主排風機風量為85 000 m3/h，磨煤機與布袋收粉器之間的管徑為DN1 400 mm，采用調節閥控制通風量，調節閥開度僅47%，實際通風量57 600 m3/h，制粉產能20 t/h。實際運行時磨煤機與布袋收粉器之間的管道流速僅10.4 m/s。故在此風量下制粉產能無法提升，僅能通過提高風量來提高管道流速，從而達到提產的目的。

因此在設計管徑合適的情況下，系統的合適通風量僅需要保證磨煤機不異常吐煤。當風量繼續增加，甚至大于磨煤機最大通風量時，制粉系統產能并不會增加，反而增加了系統的通風阻力，增加了磨煤機的能耗。

3 提高制粉系統能力的措施

通過上述分析，最終得出如下提高制粉系統能力的措施。

（1）在保證系統安全的情況下盡量提高磨煤機入口干燥氣溫度，以小于300 ℃為宜。

（2）在保證煤粉含水達標的情況下，適當降低磨煤機出口溫度，以大于70 ℃為宜。

（3）適當提高磨煤機的加載力，以小于11 MPa為宜。

4 提高制粉系統能力的調試實踐

4.1 調整磨煤機入口、出口溫度

根據以上分析，對興業柳鋼石灰窯制粉系統進了調試實踐。實踐數據見表3。

表3 實踐數據表

對表3 中數據分析整理，當磨煤機出口溫度在82 ℃時，制粉產能隨磨煤機入口溫度升高而增加（如圖4所示）。此時，磨煤機入口溫度y與制粉系統產能x的關系為y=0.144x-18.8。

圖4 磨煤機出口溫度82 ℃時制粉能力隨入口溫度的變化

當磨煤機出口溫度在77 ℃，制粉產能隨磨煤機入口溫度的變化如圖5 所示。此時，磨煤機入口溫度y與制粉系統產能x的關系為y=0.143x-16.2。

圖5 磨煤機出口溫度77 ℃時制粉能力隨入口溫度的變化

由圖4 可知當磨煤機出口溫度由82 ℃調整至77 ℃時，制粉系統產能提升了2 t/h。

4.2 提高磨煤機加載力

磨煤機加載力與制粉產能調試實踐數據見表4，當磨煤機入口溫度為249 ℃，出口溫度為77.1 ℃時，磨煤機加載力由9 MPa 提高到10.5 MPa，制粉系統產能提升了3 t/h。

表4 磨煤機加載力與制粉產能調試實踐數據表

5 調試實踐操作總結

通過上述調試實踐，興業柳鋼石灰窯制粉系統達到了25 t/h 的產能，完成了設計預期。通過上述調試數據分析得出如下結論：

（1）提高磨煤機入口干燥氣溫度，可以提升制粉系統產能；

（2）降低磨煤機出口溫度，可以提升制粉系統產能；

（3）提高磨煤機的加載力，可以提升制粉系統產能。

因工程已投產，磨煤機至布袋收集器的管徑無法改變，對于管道流速低于18 m/s 是否會影響制粉系統產能的觀點尚有待商榷。但是通過考察數據類比可知，通風量過大（大于磨煤機的最大通風量）不僅不能增加制粉系統的產能，反而會增加制粉系統的能耗。

6 結束語

制粉系統通風量主要是根據系統熱平衡和煤量攜帶煤粉能力來確定，通常設計者的思路都是通過增加制粉系統的通風出力來提高制粉系統的產能。在計算出系統通風量后，為保證系統產能達標對主排風機風量需留出一定的富余。

從已投產的工程實例及收集的部分廠礦企業數據來看，在正常運行時主排風機能力都在70%左右，并未達到風機的最大出力，富余能力大于30%。

當主排風機的風量過大時，制粉系統的管徑也會相應增大。在實際運行風量未達到設計值時，制粉管道內的流速就會低于設計規范中的18 m/s，流速低于18 m/s是否影響制粉產能還需進一步驗證。

當主排風機能力風量過大時對投資及生產能耗也造成了一定的浪費。