浅谈高炉煤粉收集与净化系统设计

1高炉喷煤工程煤粉收集及净化系统的设计摘要：对高炉喷煤工程煤粉收集及净化系统的设计进行了简要的总结，指出了该系统设计的一些关键点，提出了系统的安全防爆及自动控制等技术措施，使得该系统设计更为优化。关键词：煤粉收集及净化系统；高浓度煤粉袋式收集器；检测；控制中图分类号：TM925.1文献标识码:B文章编号：1006-8155（2007）04-0039-05DiscussiononDesignofCoalPowderCollectingandPurifyingSystemforPCIAbstract:Thispapergivesabriefsummaryforthecoalpowdercollectingandpurifyingsystemforpulverizedcoalinjection(PCI)andindicatessomekeypointsofthissystem.Tomakethedesignbeingmorelogical,sometechnologymeasuressuchasexplosionprotectionandautocontrolarepointed.Keywords:coalpowdercollectingandpurifyingsystem;highconcentrationbagtypecollector;detection;control0引言世界炼铁业面临着焦炉老化、焦煤短缺及生产环境恶化等问题，就我国而言，煤炭资源相对丰富，但炼焦煤资源比较贫乏。随着消耗量的增加，炼焦煤资源日益紧缺。从环境保护和煤炭资源合理利用的可持续发展战略的角度出发，高炉喷煤技术的发展为解决这些问题提供了经济有效的途径。高炉喷吹煤粉可节约大量焦炭，降低生产成本，缓解焦煤短缺的矛盾，更有利于改善环境。近年来，喷煤技术得到了飞速发展，但在煤粉收集与净化系统的自动检测和控制方面还存在诸多问题，笔者结合自己在喷煤工程设计中的一些体会，对煤粉收集及净化系统设计中的一些技术问题进行探讨。1煤粉收集及净化系统工艺流程简述煤粉收集及净化系统是高炉喷煤（PCI）工程制粉系统的重要组成部分，完整的高炉喷煤工艺流程应包括原煤贮运系统、制粉系统、煤粉输送系统、喷吹系统、供气系统和煤粉计量设施，最新设计的高炉喷煤系统还包括整个喷煤系统的计算机控制中心。而近年来常采用的煤粉收集及净化系统的流程：经碾磨的合格煤粉和来自干燥炉的干燥气体在磨煤机内混合、加热，煤粉中水分蒸发，碾磨干燥后的煤粉同热风一道由磨煤机排出，气、固两相流经煤粉输送管道进入高浓度煤粉袋式收集器内，气、固分离，煤粉从收集器下部给料器进入煤粉振动筛，去除木屑等杂质后，落入煤粉仓，从高浓度煤粉袋式收集器经过净化的尾气经煤粉通风机、消声器及烟囱后高空排入大气。另外，在煤粉喷吹的时候，中间罐均压泄出的大量含粉气体会排入煤粉仓，所以，需在煤粉仓顶部加设仓顶除尘器，靠正压将净化后的气体排入大气（流程如图1所示）。2图1煤粉收集及净化系统流程图2系统设计计算2.1悬浮速度及输送速度的计算煤粉气力输送装置的设计，关键在于输送速度选择是否正确，正确选择煤粉的输送速度是十分重要的。输送速度选择过高，动力消耗大，并增加管道和部件的磨损；速度过低，不能使煤粉处于悬浮状态，会引起管道堵塞，严重时积灰自燃，会引起系统爆炸事故。因此，由煤粉的悬浮速度来确定合理的煤粉输送速度，是关系到输煤系统可靠性和经济性的一个重要设计参数。2.1.1煤粉的悬浮速度根据气力输送原理，物料的悬浮速度与物料的物理特性、几何特性、物料在管道内的运动特性有密切关系，正确确定应采用试验数据。在无试验数据的情况下，可通过计算确定。高炉喷煤工艺对煤粉品质有严格要求，总结国内高炉喷煤实践，要求制粉设备提供质中煤粉，应符合如下要求：煤的挥发分：≥25%（按强爆炸性烟煤设计）；煤粉粒度：－200目≥80%，100%1㎜；水分：≤1%。当煤粉颗粒特征直径d=1mm根据分析与试验得知，粒子在流体中运动的阻力系数（Ca）是雷诺数Ret的函数，当颗粒为球体时，颗粒特征直径d=1mm，Ret＞103，球体颗粒悬浮速度（Vf）可按牛顿公式[1]计算：RllfCgdV3)(4式中Vf——球形颗粒的悬浮速度，m/sdl——物料颗粒的斯托克斯直径，m（即是在同一流体中，与颗粒密度相同并且具有相同沉降速度的球体直径）ρl——物料颗粒的真密度，kg/m3，取ρl=1500kg/m3ρ——输送介质的密度，kg/m3，取ρ=1.043kg/m3（85℃时的热风炉废气密度）g——重力加速度，m/s2CR——阻力系数，对于粒状物料，通常在Re＞103时，CR=0.45～0.47将以上数据代入上式：磨煤机高浓度煤粉袋式收集器煤粉风机消声器烟囱锁气器煤粉仓仓顶除尘器器烟囱煤粉振动筛345.0043.138.9)043.11500(1043fVm/s53.6考虑到煤粉颗粒的不规则性，取C=0.6则煤粉颗粒的悬浮速度为Vx=CVfVx=0.6×6.53=3.9m/s2.1.2煤粉颗粒的输送速度在煤粉输送过程中，理想的气流速度，应该在保证煤粉稳定输送的同时，既不能因过低而导致煤粉在管底沉积从而造成管道堵塞，又不能因过大而过分增加能量消耗和管道磨损的流速。粉尘的输送速度，目前尚无可靠的计算公式。对于吸入式负压系统的给料端的空气速度气流，可按下面公式计算：2ZvLV式中——速度修正系数，取=15v——粉尘真密度，t/m3——系数，=（2～5）10-5，干燥粉尘取小值，湿的、易成团的、摩擦性大的粉尘取大值LZ——输送管道的折算长度，m，为输送管道（水平、垂直或倾斜）几何长度和局部构件的当量长度之和注：当输送长度不超过100m时，2ZL一项可以忽略不计。所以，代入数据有：V=18.4m/s考虑煤粉含湿量大易粘结。在设计时取V≥20m/s。2.2输送管径的确定以及系统阻力的计算2.2.1输送管道直径计算根据以下输送管道计算公式[2]，可求之VmGDl1.531VQ360013.1=0.0188VQ式中D——物料输送管道直径，mm——质量混合比QGml，kg/kglG——物料输送量，kg/h4Q——系统风量，m3/h——输送介质密度，kg/m3V——输送速度，m/s对高炉喷煤制粉工艺，煤粉输送量（lG）、系统风量（Q），应根据选用的磨煤机型号，查设备样本，以磨煤机最大出力作为煤粉输送和收集系统煤粉量（lG），以磨煤机要求最大空气流量作为系统设计风量（Q），或由磨煤机生产厂提供。2.2.2系统阻力计算煤粉收集及净化系统的的总阻力为HHHHHHHHjwmtgig式中—安全系数，取1.1～1.2ΔHg——给料装置的压力损失ΔHgi——给料启动的压力损失已包括在磨煤机最大阻力之内，可不再计算，直接采用磨煤机厂家给定压损值ΔHt——物料提升的压力损失，PaΔHt==9.8×mhvvxh——煤粉的垂直提升高度，mΔHm——输送管道（水平、垂直或倾斜）的摩擦阻力损失，PaΔHm=kmVDL12.222VDL纯空气管道的摩擦阻力损失，按除尘管道计算。其中，L为输送管道的实际长度，m；D为输送管道直径，m。111；xVV1其它符号同前wΔΗ——弯管的压力损失，Pa1(nΔΗwwm)22Vn——弯管数——按除尘管道弯管局部阻力系数采取6.1w5ΔHj——管件的压力损失，PaΔH——煤粉收集器出口管道及管件阻力损失，Pa3主要设备的选型原则高浓度煤粉袋式收集器和煤粉通风机是煤粉收集及净化系统的两大关键设备。高浓度煤粉袋式收集器担负煤粉收集和排气净化两大任务，它将从磨煤机而来的气粉混合物进行气、固分离，尾气排放达到环保要求。对中速磨制粉工艺煤粉风机作为整个煤粉收集及净化系统的唯一动力源，将克服系统设备及管道的阻力。3.1高浓度煤粉袋式收集器制粉系统的煤粉浓度高达700~1000g/Nm³，比工业除尘和环保领域粉尘的含尘浓度高数十倍以上，而且煤粉收集设备兼有生产和环保两方面的功能，远非单纯的环保设备所能胜任的。在一般的通风除尘系统中布袋除尘器的过滤风速一般为1~1.5m/min，高浓度煤粉袋式收集器的风速可控制在0.7~0.9m/min。而考虑煤粉收集系统的特殊性，高浓度煤粉袋式收集器要求其有收尘效率高、阻力小、能耗低，完备的自控、监控系统和安全防爆措施。以氮气作为清灰气源，布袋滤料采用覆膜防静电针剌毡。3.2煤粉通风机煤粉风机是整个煤粉收集与净化系统的动力源。作为煤粉输送、收集和尾气净化系统的主风机的选型，可根据输送介质参数（温度、密度）、系统阻力以及流量并乘以相应的安全系数，可直接查阅相应的风机产品样本性能表或风机特性曲线进行选型，也可根据实际使用参数按非标产品设计生产。目前普遍采用的是M9-26型煤粉通风机，因其是煤粉专用风机，适于输送含煤尘介质并滿足安全防爆要求，配用电机选用防爆型。关于煤粉风机及电机是否需要防爆，笔者提出看法：煤粉风机的叶轮与含尘气体是直接接触的，而当收集器布袋破裂等情况，会有大量粉尘进入风机机壳，当存在丁点火花，就有爆炸的危险。所以，建议风机采用防爆型，而电机处于外部环境，只要管理得当，电机也可用非防爆型。此为个人想法，可进一步研究讨论。4系统的检测及控制煤粉收集及净化系统分为程序控制系统和仪表过程控制系统。程序控制系统全部采用PLC控制，包括系统的启动、自动停机、事故或有紧急信号时的报警、自动充氮等。仪表过程控制主要包括系统气体温度、压力及含氧浓度的在线监测控制，而这三点也正是保证煤粉收集及净化系统安全可靠运行的最基本条件。4．1系统的自动控制煤粉收集及净化系统的自动控制主要是指，将系统各设备（见图1）进行逻辑连锁，通过计算机程序达到对系统的启动、停机、事故或有紧急信号时的报警、自动充氮等控制。同时，也可以实现在现场及控制室对设备的单独手动控制。4.2系统的检测4.2.1温度检测以喷吹烟煤设计为例，一般在高浓度煤粉收集器的进、出风管上及其灰斗中部设置温度检测点，并将温度信号送入中控室进行显示及控制。当温度检测值低于下限值时，发出声光报警，并采取相应的措施（提高废气温度或减少磨煤机下煤量），以防收集器或煤粉管道内壁结露；当温度检测值高于上限值时，发出声光报警，并自动打开消防氮气管路上的控制阀，迅速对系统充氮；当温度检测值继续升高并高出上上限值时，发出声光报警并程序迅速自动停机，同时继续向系统内充氮。4.2.2含氧浓度的检测在高浓度煤粉收集器的出口管道上设置含氧浓度连续检测装置，并将含氧浓度信号送入中控室进行显示及控制。6当含氧浓度高于上限值时，发出声光报警，并迅速向系统充氮；当含氧浓度继续升高并高出上上限值时，发出声光报警并程序迅速自动停机，同时继续向系统内充氮。4.2.3压力的检测在高浓度煤粉袋式收集器的进、出口管道上分别设置压力测点，对系统各段管路的资用压力进行检测控制，并将压力值送入中控室进行显示及控制，为系统的正常运行提供参考。4.2.4流量的检测在煤粉风机的进口端气流较稳定的管段上设置流量检测装置，对系统的气体流量进行检测控制，当系统流量与磨煤机出力不相符时，可以通过煤粉风机进口阀来调节系统流量，使其与磨煤量相匹配。风机进口调节阀主要供风机无荷载启动，以防止风机启动时瞬间电流过大烧坏电机，並兼有风量调节功能。利用进口调节阀调节系统流量时，应根据制粉设备出力变化对风量的要求，使系统风量同磨煤机出力变化相匹配。而目前较常采用的是进口导叶调节，具有节能、在线调节等优点。5安全消防措施为了扩大喷吹煤种和改善煤粉燃烧效果，喷吹可燃基挥发分高的烟煤（可燃基挥发分＞15%）和混合煤已经成为现代喷煤技术发展的趋势之一，所以，绝大多数煤粉制备系统都是按照强爆炸性烟煤（可燃基挥发分＞25%）来设计的。由于烟煤具有强爆炸性，在设计时就必须采取相应的安全消防措施以防止煤粉自燃和爆炸。在煤粉收集及净化系统中，主要采取以下措施抑制事故的发生。5.1控制