有色冶煉企業(yè)煤粉制備車間設(shè)計

周敬文

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

煤粉制備系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于有色冶煉行業(yè),煤粉是一種常見易得的低價高熱值燃料,它的優(yōu)點在于:煤粉和空氣混合較好的情況下火焰穩(wěn)定、煤粉火焰的長度和強弱易于調(diào)節(jié)、將原煤磨成煤粉作為爐窯燃料,其燃盡率可達99%,使燃料得到充分利用,大大提高了煤炭的利用率。煤粉制備系統(tǒng)工藝的選擇一般是根據(jù)使用點要求及使用點需求量確定的,根據(jù)有色行業(yè)煤粉使用的特點,目前該系統(tǒng)多使用立式磨煤機進行碾磨、烘干、分選及輸送。立磨具有工藝流程簡單、產(chǎn)量大、成品質(zhì)量高、更換物料靈活、耗電低、占地小、易實現(xiàn)智能化及自動化控制等優(yōu)點[1]。煤粉制備系統(tǒng)工藝技術(shù)相對成熟,本文從煤粉制備工藝流程及制粉過程關(guān)鍵參數(shù)選擇、制粉關(guān)鍵設(shè)備和煤粉的安全制備等方面對工藝設(shè)計進行介紹和分析。

1 工藝流程及工藝參數(shù)選擇

1.1 工藝流程

煤粉制備主要包括烘干、碾磨及輸送三部分。貯存在配料系統(tǒng)工段的原煤,由膠帶輸送機送至煤粉制備車間原煤倉內(nèi),再由稱重給煤機送至立式磨煤機。熱風(fēng)爐燃料可以采用天然氣、煤粉或柴油,燃料通過與助燃風(fēng)燃燒產(chǎn)生的熱風(fēng),與冷風(fēng)機輸送的冷風(fēng)和循環(huán)風(fēng)混兌到合適的風(fēng)溫、含氧量和風(fēng)量后,送入立式磨煤機干燥煤粉。在離心風(fēng)機的作用下,干燥煤粉后的熱風(fēng)攜帶合格煤粉出立式磨煤機,煤粉經(jīng)氣箱脈沖袋式除塵器收集后下落到煤粉篩,經(jīng)煤粉篩篩分后送至煤粉倉。廢氣則經(jīng)離心風(fēng)機部分送往煙氣處理系統(tǒng),部分作循環(huán)風(fēng)使用,兩部分風(fēng)量的比例通過閥門來調(diào)節(jié)。煤粉倉中的煤粉通過倉式泵,由壓縮空氣經(jīng)倉式泵將煤粉輸送到各用點,如圖1 所示。

圖1 煤粉制備工藝流程圖

1.2 工藝參數(shù)選擇

建立煤粉制備數(shù)學(xué)計算模型進行物料平衡和熱平衡計算,根據(jù)工藝要求,確定工藝計算參數(shù),主要根據(jù)物料平衡、熱平衡和工藝要求,確定模塊參數(shù),包括煤粉含水、磨機進出口溫度、系統(tǒng)散熱量和漏風(fēng)等。計算出熱風(fēng)爐所需的燃料量及所需空氣量、各設(shè)備出口煙氣量及煙氣成分,并復(fù)核煙氣露點及氧含量等指標。

煤粉制備系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)主要包括操作系統(tǒng)溫度、煙氣氧含量和CO 濃度等。

1.2.1 系統(tǒng)溫度

煤粉制備系統(tǒng)是集干燥、磨粉于一體的工藝過程,系統(tǒng)各部分的溫度選擇直接關(guān)系到煤粉的質(zhì)量、產(chǎn)量和系統(tǒng)安全。

系統(tǒng)的高溫區(qū)域是入磨熱風(fēng)溫度,熱風(fēng)溫度的確定是由煤的特性、干燥要求和系統(tǒng)安全性等多個因素確定的,是保證系統(tǒng)安全、高效運行的重要指標。入磨熱風(fēng)溫度一般是在保證安全的前提下,采用較高的溫度,提高效率。

控制入磨熱風(fēng)的溫度,是煤粉制備系統(tǒng)安全操作的重要措施之一。設(shè)計熱風(fēng)爐出口溫度約280℃,在操作生產(chǎn)中一旦超過該值,需要在磨機進口兌入冷風(fēng)進行降溫,并在磨機入口前設(shè)置冷風(fēng)調(diào)節(jié)閥,防止熱風(fēng)進入磨機,起到快速降溫的作用。磨煤機的出口溫度取決于入磨煙氣溫度、磨機漏風(fēng)、煤的特性、干燥要求及系統(tǒng)防爆要求等因素。

系統(tǒng)的低溫區(qū)是收塵系統(tǒng),露點溫度是干燥尾氣的重要指標,要求烘干后煙氣的溫度不得低于露點溫度,否則會造成煙氣結(jié)露,影響收塵系統(tǒng)正常運行。烘干前物料的水分發(fā)生變化時,煙氣露點溫度也會隨之變化,需控制煙氣溫度以防止煙氣結(jié)露。

通常根據(jù)磨煤機的型式和煤的特性確定磨煤機出口溫度,同時磨煤機出口溫度也受設(shè)備耐溫性和防爆要求限制。有色冶煉企業(yè)多使用煙煤,揮發(fā)分一般在20%～30%,磨機出口溫度需控制在80～100 ℃。根據(jù)生產(chǎn)運行經(jīng)驗,由于系統(tǒng)存在熱損和漏風(fēng),煙氣系統(tǒng)有一定的溫降,但一般不超過10～15 ℃。控制布袋收塵器出口煙氣溫度高于露點5 ℃并且不低于60 ℃,可防止干燥介質(zhì)不結(jié)露和入磨干燥能力。

1.2.2 煙氣氧含量

煙氣氧含量是煤粉制備過程的重要監(jiān)控參數(shù)之一。干燥介質(zhì)的最高允許氧含量與介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、介質(zhì)種類、煤粉粒徑及煙煤種類等有關(guān)。有色企業(yè)多使用煙煤,要求煤粉粒徑較細,-74 μm 為80%～85%,含水1%左右。為了防止煤粉的自燃和爆炸,在熱風(fēng)爐進口、磨煤機進口及氣箱脈沖袋式除塵器出口都必須控制氧含量,防止系統(tǒng)氧含量超出限定值。在惰性氣氛系統(tǒng)中,負壓系統(tǒng)磨煤機入口或末端出口氧含量小于或等于14%,煤粉倉內(nèi)氧含量小于12%。

系統(tǒng)采用尾氣循環(huán)利用,可將系統(tǒng)氧含量降低,防止系統(tǒng)煤粉的爆炸。在生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定時,調(diào)整離心風(fēng)機后管道閥門的開合度,增加循環(huán)風(fēng)量來降低系統(tǒng)氧含量。

控制氧含量的方法也可采用惰性氣體注入,整個系統(tǒng)分別在磨機防爆口、氣箱脈沖袋式除塵器進出口、煤粉倉內(nèi)、熱風(fēng)爐出風(fēng)口等位置,設(shè)置了氮氣保護措施。

1.2.3 CO 濃度

制粉系統(tǒng)應(yīng)設(shè)固定式一氧化碳濃度在線監(jiān)測裝置,達到報警值時應(yīng)報警并自動充氮,達到上限值時應(yīng)自動停機。該系統(tǒng)分別在熱風(fēng)爐出口設(shè)有CO 氣體分析儀,監(jiān)測燃料是否充分燃燒;在氣箱脈沖袋式除塵器出口設(shè)CO 氣體分析儀,以判斷煤粉是否有燃燒的現(xiàn)象;在煤粉倉中設(shè)置CO 氣體分析儀,當(dāng)煤粉在倉內(nèi)長時間堆積時,煤粉與空氣接觸可揮發(fā)生成部分 CO。設(shè)置 CO 測量濃度范圍在0～3 000×10-6,當(dāng)濃度顯示超過500×10-6值時報警并連鎖開啟氮氣閥門。在系統(tǒng)的配置中,為這些分析儀器的配套柜子單獨設(shè)置了房間,起到了防污染、防干擾、檢測數(shù)值精準的作用。

2 關(guān)鍵設(shè)備

根據(jù)項目所需煤粉的使用量,確定磨煤機的生產(chǎn)能力,再根據(jù)磨機的相關(guān)參數(shù)及煤粉的性質(zhì),選擇配套設(shè)備,包括稱重給煤機、熱風(fēng)爐、冷風(fēng)機、助燃風(fēng)機、氣箱脈沖袋式除塵器、離心風(fēng)機、熱風(fēng)爐等;鑒于煤粉的特殊性,煤粉制備系統(tǒng)的設(shè)備電機必須要求選擇防塵防爆型。

2.1 磨煤機

磨煤機是煤粉制備系統(tǒng)的核心設(shè)備,磨煤機的選型關(guān)系到工藝流程的構(gòu)成。立磨設(shè)備及工藝的優(yōu)勢克服了傳統(tǒng)球磨機粉磨工藝的諸多缺陷,它是利用料床原理進行粉磨,避免了金屬間的撞擊與磨損,金屬磨損量小、噪聲低;物料的輸送方式為負壓吸送,避免了合格細粉的過粉磨現(xiàn)象,減少了無用功的消耗,粉磨效率高。在組成工藝方面,立磨系統(tǒng)采用一步法對物料進行烘干,實現(xiàn)了對物料的邊烘邊磨,不僅降低了能耗,也大大增強了對物料水分的烘干能力。

目前煤粉制備系統(tǒng)大多選用鋼球磨煤機或中速立式磨生產(chǎn)煤粉,兩種磨煤機的性能與優(yōu)缺點如表1 所示。

表1 球磨機與立磨機性能與優(yōu)缺點一覽表

由表1 可見,與球磨系統(tǒng)相比,立磨粉磨電耗低、效率高。此外,立磨還具有工藝流程簡單、單機產(chǎn)量大、入料粒度大、成品質(zhì)量高、更換物料靈活、易實現(xiàn)智能化及自動化控制等優(yōu)點。

立式磨煤機集碾磨、烘干、分選、輸送于一體,大大簡化了工藝流程。立式磨煤機的工作過程:塊煤落到轉(zhuǎn)動的磨盤中心,被磨輥碾磨,在離心力的作用下擴散到環(huán)形粉磨輥道,并進一步移動到磨盤邊緣。煤粉被底部的熱風(fēng)吹起并烘干后被氣流帶至分離器內(nèi),細粉則隨氣流出磨,在后續(xù)的收塵裝置中收集,得到合格煤粉,粗粉重新落至磨盤上再次被碾磨。中速磨本體中部留有防爆氣體接口,在正常使用情況下當(dāng)中速磨出口氧含量大于12%時,系統(tǒng)自動向磨機內(nèi)充氮稀釋。

2.2 氣箱脈沖袋式除塵器

收粉裝置的基本要求是滿足系統(tǒng)通風(fēng)量的前提下,有較高的分離效率和較低的阻力,且運行可靠、安全、環(huán)保。

制粉系統(tǒng)最常用的收粉裝置是布袋收塵器。煤粉相比其他礦物密度小,更加容易附著在濾袋上,因此需要更為有效的清灰方式、脈沖空氣噴吹具有噴吹氣壓大、清灰效率高、結(jié)構(gòu)簡單、對濾袋損傷小等特點,是收集煤粉粉塵的理想方式。

氣體流量是氣箱脈沖袋式除塵器選型的重要依據(jù),是決定氣箱脈沖袋式除塵器的過濾面積的主要因素。過濾面積還與過濾風(fēng)速有極大的關(guān)系,過濾風(fēng)速對收塵效率、使用壽命、設(shè)備投資和運行成本、運行阻力等有較大的影響。但過濾風(fēng)速的確定是個復(fù)雜的問題,工程上布袋收塵器的過濾風(fēng)速一般在2 m/min,但為了保證收塵效率,實際過濾風(fēng)速在1 m/min 以下的較為普遍。

2.3 離心風(fēng)機

離心風(fēng)機為整個生產(chǎn)系統(tǒng)提供負壓抽力,使得熱風(fēng)爐的熱能源能夠與立磨內(nèi)的煤粉進行熱量交換,同時為煤粉的負壓氣力輸送提供動力。

離心風(fēng)機需根據(jù)項目當(dāng)?shù)貧夂驐l件,特別是在高原地區(qū),必須要進行嚴格計算。風(fēng)機壓頭確定需考慮立式磨煤機入口管道阻力、磨煤機阻力、氣箱脈沖袋式除塵器阻力及管道阻力等幾處阻力損失以及生產(chǎn)受其他因素影響,來確定風(fēng)機壓頭參數(shù)。風(fēng)機風(fēng)量主要依據(jù)工藝計算確定,還應(yīng)該適應(yīng)煤粉產(chǎn)能的波動,該離心風(fēng)機采用變頻防爆電機,防護等級為IP55,F 級。

2.4 熱風(fēng)爐

熱風(fēng)爐設(shè)備由熱風(fēng)爐本體、燒嘴、助燃風(fēng)機、冷風(fēng)機、火焰監(jiān)測、點火、監(jiān)測系統(tǒng)及閥門組成。為了防止混合室內(nèi)氣體壓力過大,會在混風(fēng)室頂部設(shè)置防爆門及放散裝置,使膨脹氣體能迅速排出。

在評估行業(yè)尚不十分規(guī)范的時代，簽署本人未承辦業(yè)務(wù)的評估報告可能見怪不怪。但是，這一行為是明顯不符合職業(yè)道德的，也為評估基本準則所禁止。因此將其上升到法律層面，本法第二十七條第一款進一步明確規(guī)定，評估報告應(yīng)當(dāng)由至少兩名以上承辦該項業(yè)務(wù)的評估專業(yè)人員簽名并加蓋評估機構(gòu)印章。評估專業(yè)人員不得違反這一規(guī)定，簽署本人未承辦業(yè)務(wù)的評估報告。

熱風(fēng)爐為系統(tǒng)提供干燥熱源,主要的參數(shù)包括溫度和風(fēng)量。

熱風(fēng)爐的溫度主要包括爐膛溫度、出口溫度、循環(huán)風(fēng)溫度等。為了利用余熱或出于安全考慮降低系統(tǒng)氧含量,會在爐膛內(nèi)引入循環(huán)風(fēng),用于調(diào)節(jié)高溫?zé)煔獾臏囟冗_到系統(tǒng)要求。

熱風(fēng)爐的風(fēng)量在風(fēng)溫確定的情況下,決定了系統(tǒng)的熱量輸入,還決定物料的氣力輸送過程,因此風(fēng)量是烘干系統(tǒng)乃至制粉系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一,是系統(tǒng)的工藝設(shè)計及生產(chǎn)過程工藝控制的關(guān)鍵參數(shù)。

熱風(fēng)爐排出的熱風(fēng)風(fēng)量和溫度的確定是由磨煤機決定的,需根據(jù)工藝計算,確定熱風(fēng)量。在熱風(fēng)爐風(fēng)量和溫度確定后,可根據(jù)燃料熱值換算燃燒器的能力、助燃風(fēng)機風(fēng)量等參數(shù)。

3 煤粉的安全制備

3.1 煤粉爆炸要素

煤粉爆炸具有極強的破壞性,所以其生產(chǎn)安全是必須要充分考慮的問題,粉塵爆炸必須具備三個要素。

1)系統(tǒng)環(huán)境中的粉塵濃度,使得粉體與氧氣能夠充分接觸。一般來說,煤粉爆炸極限濃度為20～2 000 g/m3,爆炸力最強濃度范圍為300～500 g/m3,因此,煤粉濃度在制粉系統(tǒng)內(nèi)已構(gòu)成爆炸的必然因素之一。

3)著火源,有足夠的點火能。溫度控制是安全制粉的核心環(huán)節(jié)之一。對于明火存在粉塵濃度的環(huán)境是絕對禁止的。-170 目煤粉著火溫度在300～350 ℃左右。

爆炸預(yù)防的原則是避免爆炸三要素的“碰面”。煤粉及煤塵爆炸必須以上三個條件同時滿足才能發(fā)生,因此爆炸三要素也是煤粉防爆事先控制的依據(jù),保證煤粉制備系統(tǒng)的安全操作和生產(chǎn)。對于制粉系統(tǒng)而言,粉塵濃度已經(jīng)成為爆炸因素之一,那么如何控制氧含量及著火源就成為煤粉安全制備的關(guān)鍵。

圖2 爆炸三要素示意圖

3.2 安全設(shè)計

從以上分析可以看出,煤粉制備系統(tǒng)在制粉過程中,粉塵濃度已經(jīng)成為爆炸因素之一,如何控制系統(tǒng)氧含量及著火源就成為了煤粉安全制備的關(guān)鍵。因此,必須保證制粉系統(tǒng)的嚴密性,減少制粉系統(tǒng)的管路或設(shè)備漏入空氣,防止系統(tǒng)含氧超過限值。

3.2.1 設(shè)計中采取的安全措施

煤粉由于其本身具有可燃性和自燃性,因此煤粉制備過程的安全防爆顯得尤其重要。煤粉系統(tǒng)作了相應(yīng)的安全措施[2-5]。

1)在磨機進口、出口、氣箱脈沖袋式除塵器出口、煤粉倉設(shè)有溫度測點,根據(jù)規(guī)范要求,每個煤粉倉測溫點不應(yīng)少于4 處,并在每個測點設(shè)有氮氣閥門,當(dāng)溫度超過設(shè)計安全溫度時,除了及時停車外,迅速啟動充氮裝置以防止過熱引起煤粉的自燃或爆炸。

2)在熱風(fēng)爐出口、袋式除塵器出口、煤粉倉中設(shè)置CO 氣體分析儀,監(jiān)測是否CO 濃度,有效擬制煤粉爆炸。

3)制粉系統(tǒng)按內(nèi)部防爆壓力設(shè)計。不同的規(guī)范對煤粉系統(tǒng)的防爆設(shè)計要求不同,因煤粉的特殊危險性,應(yīng)參考較嚴格的規(guī)范進行防爆設(shè)計。

對于中速磨煤機制粉系統(tǒng),相關(guān)規(guī)范要求:裝設(shè)防爆門時,應(yīng)按減低的最大爆炸壓力設(shè)計,給煤機、給粉機、鎖氣器應(yīng)按承受不小于40 kPa 的內(nèi)部爆炸壓力設(shè)計;除以上所列之外的設(shè)備,管道及部件應(yīng)按承受150 kPa 內(nèi)部爆炸壓力設(shè)計;煤粉倉的設(shè)計壓力,保持上部空間的負壓值不宜低于150 Pa,也不宜高于300 Pa。

4)在磨機出口、氣箱脈沖袋式除塵器、煤粉倉上設(shè)計安裝了泄爆閥,選用滿足泄壓面積的防爆閥,防爆閥的位置應(yīng)避免對著設(shè)備和人員活動的場所。

5)氮氣惰化和流化。為了防止煤粉倉下料口堵塞,在煤粉倉的錐部設(shè)計氮氣管,對煤粉進行流化狀態(tài)。氣箱脈沖袋式除塵器灰斗增加了氮氣流化,防止布袋氣箱脈沖袋式除塵器錐體部位長時間積粉。

6)氮氣保護。當(dāng)有監(jiān)測點溫度、氧氣濃度或CO 濃度超過安全設(shè)定時,立即聲光報警并立即啟動相應(yīng)的氮氣閥門進行充氮保護。在緊急情況下,煤粉可切換氮氣進行輸送。

7)防靜電措施和電氣防爆。所有與煤粉接觸的設(shè)備、容器、管道均設(shè)防靜電和安全接地,輸送煤粉管道之間的法蘭用導(dǎo)線跨接,氣箱脈沖袋式除塵器使用的是防靜電布袋,相關(guān)電氣設(shè)備要求防塵防爆等。

8)增加高壓二氧化碳自動滅火裝置。

9)防積灰措施。煤粉具有自燃傾向,長時間堆積會因氧化放熱導(dǎo)致自燃而引發(fā)燃爆,因此應(yīng)避免煤粉的堆積。磨機出口氣粉混合管道與水平面的傾角不應(yīng)小于45°;煤粉倉和氣箱脈沖袋式除塵器料倉角度不應(yīng)小于65°,最好為70°。

3.2.2 其他注意事項

煤粉制備生產(chǎn),平時應(yīng)注意車間衛(wèi)生,防止煤粉沉積。為防止煤粉堆積自燃的情況發(fā)生,倉內(nèi)煤粉不應(yīng)長時間存放。同時還嚴格禁止火源帶入煤粉制備車間。對有可能出現(xiàn)危險的區(qū)域,現(xiàn)場須設(shè)置醒目警示牌。車間操作人員必須經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)合格后才能上崗,從事相關(guān)崗位的操作[6]。

4 結(jié)語

隨著有色行業(yè)對煤粉的制備和使用日益頻繁,而粉塵防爆和火災(zāi)安全要求的提高,對制粉系統(tǒng)的設(shè)計要求越來越高。盡管可以參考其他行業(yè)的相關(guān)要求,但針對有色企業(yè)的工藝要求和流程不同,相關(guān)企業(yè)在建設(shè)、運行煤粉系統(tǒng)中缺少針對性的指導(dǎo)。通過對工藝流程、設(shè)備選型、安全設(shè)計等內(nèi)容的詳細分析介紹,為有色行業(yè)粉煤制備系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。