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回转窑无烟煤煤粉制备系统研究

浏览次数: 日期:2005年6月17日 14:14
回转窑无烟煤煤粉制备系统研究

合肥水泥研究设计院 邹一峰 吴志明 孙毅 杨清峰 蔡华锋 陈飞
 

1 .无烟煤煤粉制备的意义
  
我国水泥行业中,回转窑水泥厂熟料煅烧长期以来均采用烟煤为燃料。由于我国烟煤矿藏分布不均,主要烟煤产地多在北方,而南方诸省则以无烟煤居多,几乎没有烟煤资源。北煤南运,增加了铁路等交通部门的压力,也增加了生产厂的燃料成本,因而加重了企业的负担。为了对燃料资源合理利用和降低南方地区回转窑水泥生产的直接成本,需要解决在烟煤燃料缺乏的地区开发回转窑用无烟煤为燃料问题。以福建省为例,当地无烟煤价格约 150 元 /吨,而烟煤价格约为 300 元 /吨。以每吨熟料用实物煤 150 公斤计算,用烟煤煅烧吨熟料用煤成本为 45 元, 而用无烟煤只需一半的成本。以一条 600t/d 的熟料生产线计算,每年仅用燃料成本可减少 405 万元。既可开拓当地无烟煤的使用途径,也可给企业带来显著的效益。
  众所周知,在常规的烟煤煅烧回转窑烧成系统中,所用燃煤的挥发份一般为 20 ~ 30 %,如挥发份降低则会出现点火困难,燃尽率差,火焰不稳定,黑火头长,火焰温度下降。若挥发份低于 15 %以下采用常规工艺一般难以点燃,无法生产。这种现象是由煤的燃烧机理所决定的。当煤受热时,首先是挥发份析出,这些挥发份具有较低的着火点,当温度达到时就迅速燃烧,从而点燃煤中的固定碳。固定碳则按以下反应生成 CO 2 : 2C+O 2 → CO 、 C+O 2 → CO 2 、 CO+O 2 → CO 2 。无烟煤由于其挥发份含量低于 10 %,燃烧时排出的助燃挥发气体少,固定碳的点燃存在困难。而碳粒的燃尽速率与燃烧反应中的反应温度成正比,与粒子的粒径平方成反比。因而必须提高燃烧反应空气温度和降低燃煤粒径。我们的研究目的是 解决无烟煤煅烧工艺中煤粉制备的主要技术问题, 探讨如何可靠地、经济地降低入窑煤粉细度,结合生产实际开发煤粉制备工艺和装备,为无烟煤煅烧熟料生产工艺线提供合格的煤粉。
  2 .常规煤粉制备工艺和设备
  
目前国内外常用的煤粉制备方法是采用立磨或球磨配双分离、双风机系统。国内烟煤煤粉主要采用普通风扫球磨制备,回转窑水泥厂煤磨车间主要生产工艺及煤磨机系统配置见表 1。

序号

生产线规模

华新窑 600 t/d

新型干法300 t/d )

新型干法600、700 t/d

新型干法1000 t/d )

1

系统特点

中间仓直吹系统

双风机中间仓

双风机中间仓或单风机中间仓

双风机中间仓或 单风机中间仓

2

磨机规格, m

Φ 2.5×3.9

Φ 2.2×3.0

Φ 2.2×4.4

Φ 2.4×4.75

3

磨机产量, t/h

10~12

5~6

8~9

10~12

4

产品细度 R 80 ,%

10~12

10~12

10~12

10~12

3 .煤的粉磨性能及相关试验
  
关于煤的易磨性,一般认为煤很好磨。 其实不然。文献 [1] 报导,煤的粉磨功指数 Wi=16 ~ 30kWh/t, 不仅大大高于石灰石的功指数 Wi=10 ~ 12kWh/t ,也比熟料的功指数 Wi=16 ~ 20kWh/t 高。人们知道生料中掺一些煤能提高产量。实际上,正如文献所述,这只是由于掺煤后改善了白生料粉磨中普遍存在的粘球、粘衬板的现象。如果配煤量较多,生料 Wi 值将增大。配煤量愈多 , 煤的易磨性愈差 , 生料电耗愈大。本文认为, 是煤的易碎性较好使得人们误认为易磨性好。在煤磨中,尽管多数情况下入磨煤块度很大,配球一般最大 Φ 60mm 就能处理,就是因为煤的易碎性较好。
  与烟煤相比,无烟煤除在燃烧性能方面有着火温度高,燃烧速度慢,燃尽率差的特点外,在粉磨性能方面也有较为明显的差别。
  3.1 粉磨至一定细度时所需的时间
  无烟煤较之烟煤通常成矿地质年代更为久远,可以认为无烟煤是一种比烟煤晶体化更完整的形态。因而质地变硬,易磨性变差。这与石灰石的情况类似。众所周知,栖霞灰岩地质年代较早,颜色较深 ;黄龙灰岩地质年代较晚,颜色较浅。通常栖霞灰岩比黄龙灰岩易磨性差得多。
  在我们进行的大量化验室小磨试验中,无烟煤与烟煤易磨性的差别也得到证实。用 φ 500×500mm 统一小磨 ,标准级配条件下,将煤磨到 0.08mm 筛余 40% 的细度,我们称为粗磨;再换用适当级配的小研磨体 , 磨到细度为 0.08mm 筛余 5% ,我们称为细磨。几种煤的粗磨和细磨所需的时间见表 2 。

煤 种

烟煤 1

烟煤 2

烟煤 3

无烟煤 1

无烟煤 2

无烟煤 3

粗 磨时间( min )

7

8

15

14

17

20

细磨时间( min )

9.5

12

12

22

25

30

 试验表明, 相同 细度 下 无 烟煤所用的 粉磨 时间普遍比烟煤长,也就是说无烟煤的易磨性差于烟煤 ,特 别是细磨性能更差。同时表明, 无 烟煤是一种相对易碎难磨的物料。
  3.2 不同研磨体对粉磨效果的影响
  无烟煤的易碎难磨特性,早在 90 年代初期就引起了我们的注意。当时推行机立窑节能技术改造,其中的一项措施就是料、煤分别制备,以减轻机立窑的化学不完全燃烧现象。我们根据无烟煤的特点,采用具有选择性粉碎作用的棒磨来制备煤粉,其产品 1mm 通过率大于 90% ,而小于 0.08mm 的细粉含量极低,粒度组成非常适合机立窑煅烧的要求。水份小于 5% 时棒磨的效率很高,在 LJP 水泥厂,一台装机功率为 55kW 的φ 1.5 × 2.5m 棒磨在调试时, 80% 负荷下产量可达 13t/h 。
  无烟煤用于回转窑煅烧,对煤粉的要求与机立窑完全不同,必须寻求新的技术途径。大量的实验室试验结果显示,如采用国内常规方法粉磨无烟煤必将大大增加粉磨电耗,且煤粉细度难以保证。同时发现,采用适当尺寸的小研磨体对大多数烟煤和无烟煤的细磨效果均很好 。福建 DT 水泥厂不同研磨体对 无烟煤 粉磨效果的影响见表 3 。
  表3  DT 水泥厂 无烟煤 粉磨 试验结果 (0.08mm 筛余, %)

煤种

研磨体类

粉磨时间 (min)

0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

A

Φ 30 、Φ 40 球

42.7

29.6

20.3

14.0

9.4

6.3

-

-

-

-

-

小段

42.7

22.7

11.2

4.2

1.6

0.6

-

-

-

-

-

B

Φ 30 、Φ 40 球

41.6

36.3

31.6

27.0

22.3

19.0

15.0

11.9

8.8

6.2

4.7

小段

41.6

35.1

29.0

23.0

17.9

13.4

9.5

6.0

3.3

-

-

C

Φ 30 、Φ 40 球

46.3

41.0

36.9

33.0

29.3

25.8

22.9

20.3

17.6

15.3

13.0

小段

46.3

39.5

33.9

28.5

24.1

20.4

17.1

13.9

11.0

8.1

6.0

D

Φ 30 、Φ 40 球

43.3

39.8

36.7

33.8

31.0

28.2

25.8

23.1

21.0

19.0

17.2

小段

43.3

38.0

33.4

30.0

27.0

24.1

21.4

18.6

15.9

13.3

11.0

从试验数据可以看出小段的细磨效果明显优于普通钢球。同时可见,不同的无烟煤效果也不一样。此外,可以看出四种无烟煤易磨性最好的是 A ,其余依次为 B 、 C 、 D 。
  作为工业性试验, 1998 年我们在 HRB 水泥厂对φ 2.4 × 9m 煤磨进行改造。该磨开流生产,无计量设备。原煤烘干后喂入磨内,出来即为成品,这种工艺流程国内很少。改造前细度约 18% ,有时达 30% ,台时产量 11 ~ 13t ,喂料皮带调速电机转速为 200 ~ 220r/min 。厂方改造目标是希望把煤粉筛余降下来,以利于窑的煅烧。我们在磨内增设筛分隔仓板,调整仓位和级配,特别是在细磨仓采用小研磨体。试验中取得了大量的宝贵数据。试验证明,如果工艺参数选择得当,小研磨体可以象实验室试验显示的那样高效地完成煤的细磨任务。经过几次调整,改造完成后在喂料量不变时,细度很容易达到 5% ;在细度约 10% 时,喂料皮带调速电机转速可达 300 r/min ,实测喂料皮带速度比原来提高约 50% 。
  在取得大量的实验室试验和工业试验数据的基础上,我们针对不同的生产线进行了无烟煤细磨机的研究设计,目前已进入生产应用开发阶段。
  4 .无烟煤煤粉的制备工艺
  4.1 新建生产线的煤粉制备工艺
  我们研究设计的无烟煤制备工艺系统首先用于 福建 DT 水泥厂日产 600t 五级预热器窑生产线。
  DT 水泥厂厂区附近的无烟煤粉磨性能试验上文已经述及,其易磨性在迄今我们所作的试验中是最差的。其工业分析和煤灰化学分析结果见表 4 。选择 B 煤进行不同温度下挥发份、点火特性试验,见表 5 、表 6 。
      表 4 无烟煤工业分析和煤灰化学分析 ( % )

煤种

M ad

V ad

A ad

FC ad

Q net,ad (kJ/kg)

SiO 2

Al 2 O 3

Fe 2 O 3

CaO

MgO

A

0.97

11.58

25.20

62.25

24328

55.67

24.00

9.95

2.01

2.56

B

0.67

3.67

20.89

74.73

25632

53.53

24.44

10.47

1.98

1.93

C

1.09

2.57

23.81

72.53

24470

64,96

16.92

6.96

4.38

1.55

D

1.65

2.86

17.04

78.45

26844

68.68

14.39

5.70

4.06

2.08

 

表 5 B 煤在不同温度下的挥发份标定

温度℃

449

517

584

703

挥发份 ( 重量% )

1.29

2.25

2.86

3.35

 

表 6 B 煤点火性能试验结果

粒径

燃烧气体中 O 2 %

点火时间 ms

点火温度℃

d<60 μ m

21

150

1050

从表 5 、表 6 可见, B 煤的挥发、点火性能很差。这说明,无烟煤的易磨性、燃烧性能的趋向是基本一致的。由于燃烧煤粉的燃尽时间与粒径的平方成正比,因此要求煤粉 0.08mm 筛余小于 3% 。也就是说,随着煤质不同,煤粉细度要求也不同,对于粉磨设备结构和工艺参数也有待合理选择。
  根据 DT 厂无烟煤性能分析试验结果和以前的试验数据,我们确定无烟煤细磨机的规格为Φ 2.2 × 5.8m 。该磨机具有两个粉磨仓。第一仓主要用于粗磨,采用的研磨体为钢球,主要承担破碎和粗磨作用。第二仓是细磨仓,采用的研磨体为特制的钢段,是煤粉磨细的关键。原煤在第一仓粉磨后经由第一、二仓之间特制的筛分装置进行粗细分离,分离后细粉及时进入二仓,粗粉则继续留在一仓,这是细磨仓采用小研磨体的必要条件。
  在风扫磨中,煤粉产质量受粉磨能力和烘干能力的制约。传统煤磨中烟煤煤粉不必磨得很细,烘干能力往往是主要矛盾,因此煤磨大多是短而粗,即长径比较小,能通入大量热风。无烟煤水份一般较烟煤低,而细度要求细, 易磨性又差 ,粉 磨能力是主要矛盾,应选择较大的长径比。
  传统煤磨在停磨检查时常可看到磨内两边有很多煤粉而中间风扫得很干净,这说明热风在磨内穿空而过,分布严重不均。我们在进风处设计了均风装置,使热风在整个断面上分布 , 这也相当于提高了磨机的烘干能力,所以不设烘干仓。实际使用中制备出的煤粉水份、细度都符合煅烧的要求。
  此外,我们改进了密封,减少了漏风;改进了进料结构,使小球不易在进料斗处堆积,使热风能顺利入磨。
  在粉磨系统设计中,由于当时条件所限 , 仍然沿用了传统的粗粉分离器,其分离效率低,回粉细度小于 20% 。系统中其它主要设备包括旋风式细粉分离器、循环风机、袋式受尘器、排风机等。
  该系统于 1999 年初投入正常生产。开始阶段 A 煤和 B 煤搭配使用,后来全部使用低挥发份的 B 煤,这在全国是第一家。系统产量基本稳定在 7.5 ~ 8t/h ,最高可达 9t/h 。煤粉细度 2 ~ 3% ,水份 1 ~ 1.5% 。该磨仍未达最大能力,主机电流仅 380A (额定电流 500A )。
  3 年来的生产实践表明,该系统运行稳定可靠,操作简便,制备出的煤粉完全可以满足回转窑煅烧的要求,系统的粉尘也可达标排放。随后为 1000t/d 新型干法生产线配套的Φ 2.4 × 6.5m 无烟煤细磨机也于 2001 年 11 月在湖南 YS 水泥厂投产, 煤 粉细度控制为 3 ~ 5% 。在装载量为额定装载量 2/3 时,产量已达 10t/h 。预计满负荷粉磨无烟煤时,按现有细度不变,产量可达 13t/h 以上。
  4.2 原有煤粉制备系统的在线改造
  用无烟煤作燃料在许多厂已不断得到应用。这些厂原有的煤粉制备系统制备的煤粉细度一般为 0.08mm 筛余 10 ~ 12% ,有的达到 16% 。要使其达到无烟煤煅烧的要求,必须对原有煤粉制备系统进行改造。
  以湖南 DJ 水泥厂为例,该厂有 3 台湿法华新窑,各有一套煤粉制备系统且可以互相串用。煤粉制备系统流程如图 1 。煤磨规格为Φ 2.5 × 3.9 m ,有效内径为 2.5 m ,有效长度为 3.9m ,装球量为 25t ,电机功率 320kW 。烟煤入磨水份约 12% ,煤粉细度平均约 13% ,产量约 10t/h 。在对无烟煤进行易磨性试验和其它有关试验、对系统进行详细了解和研究后,我们确定采用以下技术措施:
  工艺流程改造。如图 2 所示,取消了原循环风机和循环风管,弃用旋风筒,代之以高浓度煤磨袋式收尘器,废气全部经收尘器由系统内唯一的排风机排入大气。使流程大为简化,操作更加方便。
  磨内改造。采用新型衬板,提高粉磨效率。既不降低磨机有效容积,又不会形成使煤粉易于留存的死角,还能使研磨体沿轴向合理分级,使大球多聚集于进料端。
  合理的研磨体级配。由于衬板的分级作用,平均球径可以降低,采用小球加强细磨能力,结合小磨试验结果,设计出最佳级配。
  采用高效分离器。用 CMS-30 煤磨选粉机代替Φ 2.5m 粗粉分离器,提高了分离效率,减轻了磨机负担。同时使细度控制变得方便,煤粉细度更加稳定。
  改造完成后,在无烟煤占 60% 、烟煤占 40% ,原煤水份约 11% 的情况下,产量可达 13t/h 以上,煤粉细度为 5% ,水份小于 1.5% 。当时有煤磨检修,一台磨供两台窑只略为紧张。现在该厂停了一台煤磨,仅用两台煤磨供应三台窑用的煤粉还有富余。


 

图 1 DJ 水泥厂煤磨系统改造前工艺流程 图 2 DJ 水泥厂煤磨系统改造  后工艺流程
  5 .小结
  
回转窑水泥厂因地制宜采用廉价的无烟煤或劣质煤来煅烧熟料,有 显著的经济效益和社会效益。其关键技术之一是煤粉制备工艺及设备。本文的研究对无烟煤和劣质煤的利用具有现实意义。 无烟煤具有 燃烧性能差和易磨性差的特点,在相同的粉磨细度下,无烟煤所需的粉磨时间大于烟煤;而采用小研磨体在多数情况下可有效地提高粉磨效率。通过研究,开发了适合不同情况的 无烟煤 煤粉制备工艺和装备。对于老厂在线改造,可通过理顺工艺流程、磨内改造、采用高效分离器等措施来满足要求;对于新建生产线,则采用新型 无烟煤细磨机更为合理 。 Φ 2.2 × 5.8m 无烟煤细磨机可以为 600t/d 、 700t/d 生产线配套,Φ 2.4 × 6.5m 磨机可为 1000 ~ 1500t/d 新型干法生产线配套。
  在水份低于 10% 的情况下,这种煤磨也非常适合于粉磨烟煤,可大幅度降低电耗,并且细度稳定。Φ 2.2 × 5.8m 煤磨配华新窑或 1000t/d 新型干法线还有富余,Φ 2.4 × 6.5m 煤磨可配 1500t/d ~ 2000t/d 新型干法线。
  应当指出,这种煤磨技术含量较高,其仓位和级配及筛分结构等参数要根据不同煤的性能进行调整,并非一成不变。因此在选用前要由专业技术人员对煤的各种性能进行全面了解,才能取得最佳效果。
参考文献
[1] 罗帆:水泥原料易磨性的影响及其改善 . 《水泥》, 1998 年第 10 期

所属类别: 学术讲座

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