循環流化床鍋爐燃料破碎設備的選擇與應用

張興順，邢進，唐濤

(1.兗礦集團有限公司，山東 濟寧 273515;2.兗州市成人中等專科學校，山東 濟寧 272100)

0 引言

循環流化床CFB(Circulating Fluidized Bed)燃燒技術是國內、外公認的潔凈煤燃燒技術。CFB鍋爐在燃料適應性、脫硫低氮排放、負荷調節比和灰渣綜合利用等方面具有獨特的優勢，成為應用廣泛的煤炭潔凈燃燒和節能減排設備，目前，我國已有數千臺不同容量等級的CFB鍋爐投入運行。我國煤炭生產質量控制不嚴，存在著燃料過破碎或顆粒度超標的問題，導致很多CFB鍋爐在調試和運行過程中出現燃燒異常的現象。燃料破碎機械是保證CFB鍋爐安全、穩定運行的重要設備，應對該系統設備的選擇及應用進行分析和研究。

1 破碎原理與分類

破碎機是通過機械沖擊、剪切、摩擦或擠壓等方式將燃料加工到所需尺寸的設備，是采礦、選煤和電廠燃料制備加工中的重要設備，按破碎方式可分為顎式破碎機、錘式破碎機和齒輥式破碎機等。物料破碎一般有以下4種方法(如圖1所示)。

(1)沖擊破碎(Impact):是指一個運動物體對另一個物體進行激烈撞擊或2個物體同時都在運動中而產生撞擊。

(2)摩擦破碎(Attrition):是指在2個堅硬表面間摩擦，使材料破碎。如錘式破碎機破碎錘與篩板之間存在適當的空隙，可進行摩擦破碎。盡管摩擦破碎消耗能量多且破碎錘和篩板磨損較大，但仍然是一種對磨損性較小的材料(如石灰石和煤炭)進行破碎的實用方法。

(3)剪切破碎(Shear):剪切是一種切斷和劈開的動作，一般剪切破碎與其他破碎方法結合使用。例如，單輥破碎機就是利用剪切與沖擊、擠壓作用相結合進行破碎工作的。

(4)擠壓破碎(Compression):是指靠2個表面之間的擠壓作用對物料進行破碎。顎式破碎機就是利用這種方式來破碎物料的。擠壓破碎適用于極其堅硬、研磨性強的巖石。

圖1 破碎原理圖

大部分破碎機是綜合這4種或其中幾種方法來破碎物料的，破碎機形式的選擇與最終產品所要求的粒度有關。為了將煤礦開采出的煤塊破碎，使之成為125 mm粒度的產品，以用作選煤廠的入料，一般采用分級破碎機或單輥破碎機進行破碎;然后采用顎式破碎機、篩分破碎機將原煤或煤矸石二次破碎為50mm適用粒度，以便供發電廠使用;電廠使用環錘式破碎機和錘擊式破碎機將燃料破碎至鍋爐設計燃料要求。常見破碎機破碎尺寸范圍見表1。

表1 破碎機破碎燃料尺寸范圍 mm

2 CFB鍋爐對燃料的基本要求

為了充分發揮CFB鍋爐的特點，每臺CFB鍋爐對燃料的顆粒特性——顆粒粒徑及顆粒級配均有嚴格要求。因此，鍋爐的設計一旦完成，燃料的顆粒特性應該固定并滿足以下要求:

(1)入爐燃料的粒度分布應符合寬篩分分布要求。燃料的粒度分布應能保證在已確定的流化速度條件下，有足夠的細顆粒吹入懸浮段，保證上部(稀相區)的燃燒份額，并且能形成足夠的床料，保持物料平衡。

(2)不同鍋爐燃料的粒度應隨煤種、循環倍率的不同而調整。在一般情況下，高倍率的循環流化床鍋爐燃煤粒徑較細，低倍率的循環流化床鍋爐燃料粒徑較粗;揮發分低的煤種粒徑一般較細，高揮發分、易燃煤種顆粒可粗些。在我國，CFB鍋爐采用的顆粒尺寸一般為0～13 mm，0～10 mm，0～8 mm或0～6 mm。例如，兗礦集團南屯電廠220t/h CFB鍋爐對原煤粒度要求0～8 mm，對矸石粒度要求0～6 mm。

(3)燃料粒度的級配(各粒徑的燃煤占總量的百分比)應該滿足偏正態曲線要求，在粒徑范圍內應以顆粒大小排列且連續、無間斷。

因此，電廠在建設過程中，應根據鍋爐設計和所使用煤種的情況進行試驗和選擇。

3 破碎系統存在的問題及分析

3.1 燃料制備系統工藝形式

目前，國內循環流化床鍋爐燃料制備系統常用的幾種形式為:

(1)粗碎+篩分+細碎。這種破碎形式基本可滿足循環流化床鍋爐入爐煤的要求。其特點是:

1)系統總破碎比分配合理，可減少燃料的過度粉碎，燃料粒徑分布基本符合寬篩分分布規律。

2)可選用小規格的細碎機。這種形式可適用于原煤中超出規定粒度的顆粒較多且50mm以上顆粒占一定比例的系統。

(2)篩分+細碎。該破碎形式適用于原煤中絕大部分粒徑小于50 mm、大于50 mm的大顆粒含量極少且最大粒徑不超過80 mm的系統。

(3)粗碎+細碎。這種破碎形式較適用于原煤粒度較大、煤中雜質較多、原煤水分相對較大以及容易造成篩孔堵塞的系統。其缺點是燃料過碎現象較嚴重。

(4)近幾年，部分電廠選用了齒輥式破碎機對原煤進行破碎后直接入爐，雖然系統簡單，對燃料的水分適應性好，但也存在破碎粒度無法控制、硬質燃料粒度易超標、齒輥容易磨損等問題。

3.2 存在的主要問題

(1)燃料的粒度及粒度分布滿足不了鍋爐運行要求。燃料系統在實際運行中出現了有的燃料過細、有的大顆粒較多等現象。其主要原因有以下幾方面:

1)國內普遍采用的破碎機為環錘式碎煤機或齒板沖擊式破碎機，其破碎機制基本上以沖擊破碎為主。國內破碎機制造廠家在設計破碎機時，過多考慮了原煤品種復雜以及煤中雜質(尤其是矸石等堅硬雜質)不易細破的因素，通過提高轉子的線速度和加大錘頭質量來增加破碎能力，但對煤的破碎能量相對過剩，出現了煤的過粉碎現象。

2)不經篩分或篩分效率低，細顆粒未經分離便進入破碎機，結果顆粒粒度分布脫離正常寬篩分分布，出現了過粉碎現象。

3)在破碎機錘頭和破碎板磨損之后，錘頭質量變小，破碎能力下降，打擊面由原來的平面變為圓弧面，改變了沖擊角度，使原有的沖擊破碎變成了擠壓破碎，導致產品的粒度過大且出力急劇下降。

(2)破碎機出力降低，系統能耗高。一是破碎機沒有設置篩分系統，導致粗、細顆粒均進入破碎機，造成破碎機能耗高且易堵塞，出力降低;二是電廠入廠燃料水分含量普遍過大，煤粒破碎后易堵塞篩板，破碎機出力降低。

(3)破碎機的錘頭、破碎板等磨損速度快，設備配件更換頻繁。部分添加稀土、鎳合金等耐磨材料的耐磨性能越來越好，部分國內材料也可以媲美進口材料，破碎機易磨損件的使用壽命逐漸延長。

4 燃料破碎設備的優化選擇與應用

4.1 選擇合適的破碎機和爐前配煤工藝

在進行電廠鍋爐設計和選擇破碎機時，根據燃料特性和鍋爐需求進行破碎性能試驗，以保證燃料破碎曲線符合鍋爐要求。由于不同煤種的破碎性能不同，目前沒有一種破碎機可以破碎多種燃料，比如既可以破原煤又可以破煤矸石。如果不同燃料同時使用1臺破碎機進行破碎，就會出現易破碎的燃料出現過破碎而煤矸石等堅硬的物料出現粒度不合格的現象。在多煤種摻燒的CFB鍋爐系統中，最好能夠根據燃料的不同選擇和建設相應的破碎系統，按照設計煤種比例進行配煤。

4.2 選擇科學、合理的燃料破碎工藝

破除CFB鍋爐燃料適應性廣、燃料制備系統簡單的思想，在電廠設計和建設期間，對燃料制備工藝給予充分重視。推薦采用干燥→篩分→粗破→篩分→細破的二級篩分二級破碎工藝方案。

可以采用無篩網的錘式破碎機、齒輥式破碎機作為一級粗破碎，以提高篩分效率;使用帶篩網的環錘式破碎機、錘式細碎機作為二級細破碎，以保證破碎粒度。

4.3 合理分配總破碎比

在根據原煤中最大顆粒粒徑和所需產品顆粒粒徑選擇破碎工藝時，粗破破碎比一般在10左右(錘式沖擊破碎)，細破破碎比盡量選小，一般為3～6，而其配套的驅動電動機功率要選大。

4.4 采用干燥和除雜質等預處理措施

燃料系統在工藝設計時盡可能采取有效措施，為篩分、破碎設備創造有利于提高工作效率的工況條件，即在進入制備系統之前對原煤進行干燥和除去非礦物性雜質的處理，如進行干燥分選。

燃料的干燥一般可以使用干煤棚自然晾干法、熱煙氣干燥法和離心脫水機機械甩干法等，一般可將燃料的全水分降至8%以下，對提高燃料的破碎篩分效率，包括后續燃料運輸儲存、鍋爐給煤、燃燒帶來眾多有利因素。原煤經干燥處理后在破碎篩分過程中出現的粉塵污染問題，可通過采取加強篩碎設備的密封和加設除塵器等措施來解決。

5 結束語

燃料粒度能否滿足鍋爐設計要求，是制約鍋爐能否穩定燃燒的關鍵因素，因此，燃料破碎設備是CFB鍋爐的重要輔助設備，同時也是制約CFB鍋爐大型化的一個重要因素。我國在研究和優化CFB鍋爐的同時，必須通過引進和消化國際先進技術，研究、設計和生產適合國內燃料的破碎設備。在建設CFB鍋爐時，一定要高度重視燃料系統的建設，保證鍋爐燃料的質量。

［1］岑可法.循環流化床鍋爐的理論、設計及運行［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］遼寧省電力工業局.鍋爐運行［M］.北京:中國電力出版社，2001.

［3］張興順，張士海，孫更生，等.煤的過粉碎對CFB鍋爐運行影響及對策［J］.山東科學，2007，20(5):131 －132.