高濃度煤粉輸送與燃燒系統以及在隧道窯上的應用實踐

王 恒，馮俊小，李曉波

(1.北京科技大學 能源與環境學院，北京 100083；2.北京科技大學冶金工業節能減排北京市重點實驗室，北京 100083；3.啟東市冶金機械有限公司，江蘇 啟東 226200)

高濃度煤粉輸送與燃燒系統以及在隧道窯上的應用實踐

王 恒1,2，馮俊小1,2，李曉波3

(1.北京科技大學 能源與環境學院，北京 100083；2.北京科技大學冶金工業節能減排北京市重點實驗室，北京 100083；3.啟東市冶金機械有限公司，江蘇 啟東 226200)

本文介紹了一套新開發的隧道窯高濃度煤粉燃燒系統，包括煤粉的制備、儲存、高濃度輸送及燃燒技術。該技術適用于供熱點多，但每個供熱點容量小，要求溫度均勻、對積灰有一定寬容度且對煙氣有凈化設備的燃煤熱工設備。本文討論了在直接還原隧道窯上的運行經驗，提出了改進措施。

高濃度煤粉輸送；小型煤粉燃燒器；直接還原隧道窯

在我國化石能源中，煤炭無論從生產量和消費量上都要占到三分之二以上，是我國的主要能源，并且在以后較長的時間內也不會有很大的改變。煤的利用方式有多種多樣，可直接燃燒利用，也可轉化成煤氣再加以利用。從目前國內常用的混合煤氣發生爐(無論是單段爐或是兩段爐)的運行參數來看，其煤氣熱值大多低于5220 kJ/m3，燃料轉化率低于75%，并且單爐產氣量較低。因此，對于燃燒溫度要求較高，供熱量較大的熱工設備，煤氣化難以滿足。而煤粉的直接燃燒，燃料的轉化率可達98%以上，且無容量的限制。由此可見，只要熱工設備的爐膛對積灰有一定的寬容度且爐尾有高效的除塵設備，無疑直接燃煤是最高效的能源利用方式。

煤粉燃燒是各種煤炭直接燃燒方法中最為普遍的燃燒方式，也是電站鍋爐的基本燃煤方式。除電站外，煤粉燃燒主要用于一些設置單燒嘴的工業爐窯，如各種回轉窯等。常規的煤粉燃燒系統有直吹式和中間儲倉式兩類。前者是煤經磨煤機制粉后由氣流攜帶直接進入煤粉燃燒器燃燒，后者則是先將煤經磨粉機制粉，然后經過收塵器儲存在儲倉中，再由給粉器和風粉混合器將煤粉攜帶至燃燒器燃燒。以上兩種煤粉燃燒系統，無論是應用于電站鍋爐還是各種工業爐窯，其煤粉在攜帶氣流中的比例都是很低的。一般來說，攜帶煤粉的空氣(也稱一次風)占煤粉燃燒所需空氣量的20%～30%，大約每立方米空氣只能攜帶0.55～0.85kg煤粉，所需其余燃燒所需空氣由燃燒器的二次風甚至三次風來提供[1]。這種燃燒系統的特點是每套系統燃燒器的數量不能太多，一般是1～6臺燃燒器，否則無法保證均勻供粉。另外，為防止爆炸，不能對攜帶煤粉的空氣進行預熱。另一種煤粉輸送及應用技術是高爐煤粉噴吹。煤粉經磨煤機制粉和收塵器收集后進入煤粉儲罐，然后按操作周期將煤粉加入到帶有流化裝置的噴吹罐，噴吹罐加壓后進入工作狀態，煤粉再經混合器由高壓氣流攜帶經輸粉總管到爐前分配器，然后再通過分出的數十個支管，煤粉被送到煤粉噴槍噴入高爐回旋區完成燃燒與氣化。這種噴燃系統的特點，一是煤粉氣流中煤粉的濃度很高，可達15～40 kg/m3，比一般煤粉燃燒系統的高出幾十倍，以避免較多冷空氣進入回旋區而降低燃燒溫度；二是每個系統的噴管數量可以很多，并且經分配器后各支管煤粉流量非常均勻[2]。

本文借鑒高爐噴吹系統的制粉及輸送技術，開發出一種小型高濃度煤粉燃燒器，將這種高濃度煤粉氣流直接用于隧道窯。該技術適合于燃燒器數量多，供熱區域大，溫度要求均勻的隧道窯等燃煤熱工設備。

1 高濃度煤粉制備及輸送系統

本文開發的高濃度煤粉輸送及燃燒系統應用于一臺大型直接還原鐵隧道窯。熱工制度與常規的隧道窯一樣，屬于逆流操作的熱工設備，沿窯長度方向分為預熱段、燒成段和冷卻段。制品與氣流以相反方向運動，在三段中依次完成產品的預熱、燒成、冷卻過程。該窯總長度為132 m，其中預熱段45 m，加熱段45 m，冷卻段42 m，內寬4 m。爐墻采用耐火磚、隔熱磚和紅磚砌筑，窯頂采用平頂，為整體澆注。加熱段爐溫設定為1150～1250℃，總供熱功率約為7MW。加熱段共安裝30臺燃燒器，每側15臺，采用高揮發分的神木煤為燃料。

煤粉制備、倉儲及輸送系統如圖1所示。煤經過斗式提升機加入高位煤倉，再經過定量給料機加入到輥式中速磨中。輥式磨輥徑為1100 mm，兩棍為高耐磨合金棍套結構。該輥式磨出力約為5 t/h，開機5～6 h即可滿足一天的噴煤用量。干燥介質為隧道窯煙氣，因為煤的揮發分很高，所以溫度控制為150～230℃范圍內。調整干燥介質的入口流量，煤粉粒度控制為80%<200網目(75μm)。合格的煤粉經過布袋式收塵器收集，再經噴射泵送到密閉料倉。料倉容積為60 m3，除裝有排氣用的除塵器和泄爆閥外，還裝有O2和CO檢測裝置，當料倉中O2或CO濃度超標時，就會發出警報，打開充氮閥，向料倉充氮，以確保安全。此外，為使下料均勻順暢，料倉下部裝有18臺流化器，流化氣體為氮氣。

噴吹系統采用并列式，噴吹罐A和B并列布置。當一個噴吹罐在進行噴吹時，另一個噴吹罐進行泄壓、裝粉、充壓。噴吹過程周而復始，按順序循環進行。并列式工藝流程簡單，可大大降低噴吹施工高度，工程投資省。另外，由于煤粉計量是按照安裝在料倉和噴吹罐上的電子稱稱重隨時間的變化關系計算得到的，因此煤粉計量比較容易。

噴吹罐下部設有2次流化裝置，使得噴吹罐工作時下料均勻順暢。噴吹罐工作時，煤粉在壓力作用下，經過下料閥、流量控制器進入流化式混合器，在噴吹介質壓縮空氣的帶動下沿煤粉輸送總管到達爐頂。由于供熱范圍長達45m，因此需要沿爐長方向布置兩臺煤粉分配器，每臺分出15個支管，供15臺燃燒器用。煤粉輸送總管在爐頂按一定角度分為兩個支管分別對應兩臺分配器。輸送煤粉的流量和煤粉輸送濃度可以通過調整煤粉流量控制器調頻電機的轉速和噴射介質的壓力來實現精準控制。本項目煤粉輸送總管管徑為50 mm，長度約為100 m。總管沿長度方向設有數個與主管成一定角度的壓縮空氣噴射管，這是為在管道出現堵塞時處理方便而設置的。煤粉分配器帶有吹掃支管，即每根煤粉支管都有一個吹掃管，當單個燃燒器出現堵塞時，進行吹掃疏通，而不影響其他燃燒器的正常工作。煤粉噴吹系統操作參數列于表1。

表1 煤粉噴吹系統操作參數

2 隧道窯及煤粉燃燒系統

本文煤粉燃燒系統應用的隧道窯在爐溫制度、爐壓制度上與一般隧道窯無異，但由于燃料為煤粉，而煤粉燃盡所需的空間較大，因此在結構上與常規隧道窯結構有所不同。常規燃氣和燃油的隧道窯一般利用在兩個窯車之間空間作為燃燒空間，而煤粉的燃燒空間則設置在物料的上部，傳熱方式以輻射為主，因此，物料的碼放方式和尺寸會直接影響加熱能力。圖2為該隧道窯結構形式及工作方式示意圖。

圖2 隧道窯結構形式及工作方式示意圖

冷鼓風機鼓入冷風與物料進行熱交換，物料被冷卻，空氣被加熱至約250℃。加熱后的空氣被熱助燃風機抽取后鼓入助燃風管，分配到兩側燃燒器。此外，由于內配煤鐵礦石壓塊加熱到一定溫度后，煤中揮發分會釋出進入煙氣中，造成能源浪費，也給磨煤帶來安全隱患，因此，在預熱段后部也設置有空氣導入管。當檢測出煙氣中有可燃物存在時，開啟閥門噴入空氣使之燃盡。窯車下有平衡風機，調整鼓風量和引風量，維持窯車上下壓力一致，避免吸冷風或向下竄火。另外平衡風機對窯車也有一定的冷卻作用。

加熱段物料距窯頂為1.1 m，燃燒器裝在燃燒空間的中部，與對面燃燒器錯開1.16 m。物料經過預熱段后表面溫度達到800℃左右，在加熱段達到設定的1150～1250℃，再經過冷卻出窯溫度為200℃左右。物料在窯內的停留時間視裝料多少而不同，約為48～64 h。

小流量高濃度煤粉燃燒器(圖3)的開發是本文的關鍵技術之一。該燃燒器結構合理，尺寸小巧，煤粉噴槍與配風器可完全分離。噴頭采用耐磨耐熱材料制造，煤粉噴口直徑僅為9 mm，更換十分方便。配風器采用可動軸向扭曲葉片旋流器，調整旋流強度可改變煤粉火焰的長度。該小型高濃度煤粉燃燒器于2012年申請了國家發明專利和實用新型專利(實用新型專利已經授權[3]),其主要技術參數列于表2。

圖3 小型高濃度煤粉燃燒器結構

煤粉噴吹系統和窯爐均采用計算機遠程操作。

3 運行實踐

隧道窯為新建窯，采用壓縮天然氣烘爐。烘爐結束后，爐溫約為750～800℃時，逐步更換煤粉燃燒器，啟動噴粉系統，使煤粉燃燒器開始工作。調整好配風器，可見清晰的煤粉氣流噴入爐內，由于所用煤粉揮發分較高，著火性能好，在距噴嘴出口幾厘米的地方就出現了明亮的火焰。煤粉氣流噴出速度約為15～25 m/s，火焰長度約為1.5～2 m。所有噴嘴啟動后，爐溫很快會升溫至規定的1180～1240℃。正常燃燒時，煙氣經過較長的預熱段和干燥窯，粉塵大部分已經沉降，目測煙囪排放氣體呈淺白色，可以達到當地排放標準。

由于隧道窯直接還原鐵壓塊工藝正在調試，隧道窯經常要處于低負荷保溫狀態，這時所有燃燒器停止噴煤，約3 h后爐溫降至750～800℃時，開啟噴粉系統，爐溫又會迅速回升。這也說明了煤粉燃燒系統的負荷調節范圍較大，操作也很方便。

運行過程中也出現一些問題。主要有：(1)噴粉系統在開始啟用的最初兩天，煤粉管道容易發生堵塞。堵塞物主要是管道內銹塊、焊疤等。所以，噴粉前要進行徹底的吹掃；(2)爐壓調整不當。一般預熱段窯內為負壓，加熱段為微負壓或微正壓，而冷卻段為正壓[4]。由于助燃空氣從冷卻段抽取，當煤粉燃燒量增加，助燃空氣量也隨之調大，這時如果冷鼓風機流量沒有增加或增加不多，就會造成煙氣倒流，助燃空氣中存在大量煙氣而造成燃燒中缺氧而冒煙。因此，操作時要注意這個問題；(3)物料與窯壁上有結渣現象，這主要是因為神木煤灰熔點太低的緣故所致，可在煤中摻入部分高灰熔點煤就可得到很大程度的緩解。

4 結論

(1)本文首次將高爐噴吹煤粉工藝中的煤粉制備、儲存及輸送技術應用到直接還原鐵隧道窯上，為供熱點多而單個供熱量小，且溫度要求均勻的設備燃煤提供了一種可行的技術措施；

(2)本文開發的小型高濃度煤粉燃燒器設計合理，結構簡單，操作方便；

(3)整個隧道窯煤粉燃燒系統實現了遠程操作，調整和管理比較方便，正常的燃燒排放經適當處理后可以達到一般的環保要求。

[1] 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算[M].3版.北京：科學出版社，2003.

[2] 湯清華，馬樹涵.高爐噴吹煤粉知識問答[M].北京：冶金工業出版社，1997.

[3] 王 恒，馮俊小，滿 毅.高濃度煤粉燃燒器:中國,CN202902273U[P].2013-04-24.

[4] 畢由增，王宏偉.實用磚瓦隧道焙燒窯燒成工藝技術[M].2版.北京：中國建材工業出版社，2012.

(本文文獻格式：王 恒，馮俊小，李曉波.高濃度煤粉輸送與燃燒系統以及在隧道窯上的應用實踐[J].山東化工,2017,46(3):82-85.)

Highly Loaded Pulverized Coal Transportation and Combustion System and Its Application in a Tunnel Kiln

WangHeng1,2,FengJunxiao1,2,LiXiaobo3

(1. School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission Reduction for Metallurgical Industry, USTB, Beijing 100083, China;3. Qidong Metallurgical Machinery Co.,Ltd.,Qidong 226200,China)

In this paper,a newly developed highly loaded pulverized coal combustion system for tunnel kiln,including pulverized coal preparation,storage,transportation and combustion has been introduced. This technology is suitable for the coal-fired furnaces which are equipped with many small heat capacity burners，demand uniform furnace temperature,ash-tolerance and installed flue gas cleaning device. Its operation experience in a tunnel kiln for DRI has been discussed,and improvement measures have also been proposed.

highly loaded pulverized coal transportation; small capacity PC burner; tunnel kiln for DRI

2016-12-22

北京市教委共建科研基地建設項目—催化燃燒技術實驗平臺建設及中央高校基本科研業務費專項資金

王 恒(1957—)，男，天津薊縣人，教授，主要從事燃燒理論與工業爐熱工技術的研究與教學工作。

TK16

A

1008-021X(2017)03-0082-04