ZG M型中速磨煤機(jī)內(nèi)煤粉顆粒傳熱傳質(zhì)特性研究

白德龍，邢景偉

（京能集團(tuán)內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古　烏蘭察布　013700）

0　引言

中速磨煤機(jī)是大型火電機(jī)組常用的輔機(jī)設(shè)備，內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司機(jī)組容量為4×600 MW，每臺(tái)機(jī)組配備6臺(tái)ZGM型中速磨煤機(jī)。CO是煤粉加熱時(shí)析出的可燃?xì)怏w，為研究CO的析出規(guī)律，控制磨煤機(jī)內(nèi)CO的生成，需要對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)風(fēng)粉混合物的傳熱傳質(zhì)過程深入分析。

實(shí)驗(yàn)研究表明，ZGM型中速磨煤機(jī)的循環(huán)倍率約為8，也就是說煤粉顆粒平均經(jīng)過8次研磨，回粉量是落煤量的7倍。但煤粉與一次風(fēng)接觸后的干燥過程非常迅速，只需一次循環(huán)即可干燥完成所有的外水。所以回粉的含水量都極少。回粉與一次風(fēng)接觸后，由于含水量少，所以平衡溫度較高，可能超過CO的析出溫度，導(dǎo)致磨煤機(jī)出口存在CO。事實(shí)上原煤與回粉之間通過研磨換熱，降低了回粉的溫度，增加了回粉的水分。理論計(jì)算時(shí)按最極端情況考慮，不考慮原煤與回粉之間的傳熱干燥過程。

1　單煤粉顆粒傳熱干燥模型建立

空氣（一次風(fēng)）干燥煤粉顆粒是一個(gè)復(fù)雜的過程[1-2]，整個(gè)干燥過程包括氣液固多相流動(dòng)以及煤內(nèi)部和煤表面煙氣發(fā)生的復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)的過程[3-5]。而煤類似多孔介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是復(fù)雜的、多樣的。由于干燥過程的復(fù)雜，以及煤性質(zhì)復(fù)雜，建立完全根據(jù)實(shí)際干燥過程，依據(jù)煙煤的性質(zhì)而建立數(shù)學(xué)模型，是很難實(shí)現(xiàn)的。

目前對(duì)于干燥過程數(shù)學(xué)模型的研究基本上都是基于以下的基本方法：根據(jù)基礎(chǔ)理論，對(duì)實(shí)際情況做出一定的簡化，得出干燥過程模型的基本方程。本章建立的數(shù)學(xué)模型也采用這一方法。首先根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量方程和能量守恒關(guān)系建立煙煤粉顆粒傳質(zhì)和傳熱的基本方程。在建立一維干燥數(shù)學(xué)模型時(shí)，改變以往采用顆粒表面蒸發(fā)的假設(shè)，而考慮蒸發(fā)表面隨著干燥進(jìn)程的變化而變化，將煤內(nèi)部進(jìn)行干燥區(qū)域的劃分，以煤蒸發(fā)界面為界，將煤粉顆粒分為蒸發(fā)界面外部的干區(qū)和蒸發(fā)界面內(nèi)部的濕區(qū)兩個(gè)不同區(qū)域。

在干區(qū)內(nèi)，空氣填充在多孔介質(zhì)（煤粉顆粒）的間隙中，水分以氣態(tài)形式（水蒸氣）存在于空氣中。在干濕區(qū)截面，空氣處于飽和狀態(tài)，此時(shí)的濕度最大為100%。隨著半徑的增大，濕度逐漸減少，最終與空氣的濕度一致。正是由于濕度梯度（半徑方向）的存在，水蒸氣源源不斷地從干濕區(qū)界面擴(kuò)散到（顆粒外的）空氣中。

而在濕區(qū)，多孔介質(zhì)（煤粉顆粒）的間隙被液態(tài)水均勻填充。濕區(qū)內(nèi)溫度和液態(tài)水均勻分布，不存在濕度的概念。由于水蒸氣不斷擴(kuò)散到（顆粒外的）空氣中，所以濕區(qū)內(nèi)的液態(tài)水越來越少、蒸發(fā)界面（即干濕區(qū)界面）逐漸向顆粒內(nèi)部轉(zhuǎn)移、濕區(qū)的半徑也越來越小，如圖1所示。

圖1　煤粉顆粒干燥一維數(shù)學(xué)模型

當(dāng)界面移到煤粉顆粒中心時(shí)，顆粒最終得以干燥。由于干區(qū)考慮傳熱傳質(zhì)，濕區(qū)只考慮傳熱，而且兩區(qū)域共享的蒸發(fā)界面的位置隨干燥過程不斷向顆粒內(nèi)部推進(jìn)，因此干燥過程是濕區(qū)和干區(qū)通過動(dòng)態(tài)蒸發(fā)邊界相耦合的過程。

2　單煤粉顆粒傳熱干燥模型基本假設(shè)

通過上述對(duì)干燥過程的分析，針對(duì)干區(qū)、濕區(qū)的模型劃分，同時(shí)基于空氣干燥的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)單顆粒煙煤干燥過程的模型進(jìn)行以下基本假設(shè)，以保證模型基本符合物理過程。

1）顆粒為各向同性的球體。

2）煤的水分均看作存在于多孔介質(zhì)中的水分，水分在顆粒中呈自由狀態(tài)。因而在煤蒸發(fā)過程中，煤的含水部分，即濕區(qū)可看作一個(gè)半徑不斷收縮的液滴，其界面因蒸發(fā)進(jìn)行而不斷內(nèi)移。

3）空氣與煤粉顆粒不反應(yīng)。

4）濕區(qū)內(nèi)溫度和水分均勻分布。

根據(jù)上述的思想和假設(shè)提出算法，用MATLAB編寫程序，計(jì)算不同工況下的空氣和煤粉顆粒的溫度歷程。

3　不同工況下的溫度歷程結(jié)果

3.1　煤粉顆粒粒徑對(duì)風(fēng)粉溫度歷程的影響

圖2表示在典型工況：風(fēng)煤比為2∶1、顆粒初始溫度100℃、空氣初始溫度300℃以及煤粉水分2%時(shí)，不同粒徑的煤粉顆粒及對(duì)應(yīng)空氣的溫度隨時(shí)間變化的歷程曲線。在該工況下，30 μm顆粒從與高溫空氣接觸到風(fēng)粉溫度平衡時(shí)間只有不到2 ms；100 μm顆粒的風(fēng)粉溫度平衡時(shí)間為15ms左右；1 mm顆粒的風(fēng)粉溫度平衡時(shí)間約為1.4 s。在工況一定的情況下，顆粒粒徑能影響風(fēng)粉溫度平衡的時(shí)間，但對(duì)最終的平衡溫度無影響。

圖2　不同粒徑的煤粉顆粒在典型工況下的溫度歷程

圖3表示3個(gè)典型粒徑的風(fēng)粉溫度平衡所需時(shí)間，在橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)情況下，時(shí)間與粒徑成直線關(guān)系，也就是說，隨著粒徑的減小，風(fēng)粉溫度平衡所需時(shí)間成指數(shù)遞減。

在中速磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)環(huán)處的平均粒徑大于100 μm，按比較極端情況（磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)處平均粒徑100 μm）進(jìn)行計(jì)算，該粒徑的風(fēng)粉溫度平衡時(shí)間只有約15 ms。相比顆粒在磨煤機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間，該時(shí)間可以忽略不計(jì)。所以認(rèn)為在風(fēng)粉接觸瞬間即完成干燥和傳熱過程，后續(xù)的研究不再考慮該極短時(shí)間對(duì)CO析出的影響。

圖3　風(fēng)粉溫度平衡時(shí)間與煤粉顆粒粒徑的關(guān)系

3.2　初始風(fēng)溫對(duì)風(fēng)粉溫度歷程的影響

計(jì)算的初始風(fēng)溫即對(duì)應(yīng)磨煤機(jī)的入口一次風(fēng)溫。圖4表示在典型工況下（風(fēng)煤比為2∶1、顆粒初始溫度為100℃、煤粉顆粒水分為2%及煤粉顆粒粒徑為 100 μm），3個(gè)典型入口風(fēng)溫 （280℃、300℃、320℃）時(shí)的風(fēng)粉溫度變化歷程。圖5表示3個(gè)典型入口風(fēng)溫所對(duì)應(yīng)的平衡溫度?？梢?，入口風(fēng)溫越高，平衡溫度也越高。這是因?yàn)槿肟陲L(fēng)溫越高，總的熱量越大，平衡前后的總熱量是相等的，所以平衡后溫度也越高。平衡溫度與入口風(fēng)溫呈線性關(guān)系。

圖4　不同入口風(fēng)溫對(duì)應(yīng)風(fēng)粉混合溫度歷程

圖5　入口風(fēng)溫與平衡溫度的關(guān)系

3.3　水分對(duì)風(fēng)粉溫度歷程的影響

圖6表示在典型工況下（一次風(fēng)初始溫度為300℃、煤粉顆粒初始溫度為95℃、風(fēng)煤比為2∶1及煤粉顆粒粒徑為100 μm），3個(gè)典型煤粉顆粒水分（2%、10%、20%）時(shí)的風(fēng)粉溫度變化歷程。圖7表示3個(gè)典型煤粉顆粒水分所對(duì)應(yīng)的平衡溫度。煤粉顆粒水分越大，則干燥所需熱量越多，平衡溫度越低。平衡溫度與煤粉顆粒水分成負(fù)線性關(guān)系。

從圖7中還可以看出，在煤粉顆粒水分為20%時(shí)，其平衡溫度并不是煤粉顆粒在整個(gè)傳熱干燥過程的最高溫度。也就是說，煤粉顆粒經(jīng)歷先升溫，后降溫的過程。這是因?yàn)槊悍垲w粒的水分含量高時(shí)，干燥過程結(jié)束時(shí)間晚于傳熱平衡時(shí)間，所以煤粉顆粒先被高溫空氣加熱，隨后由于剩余的水分蒸發(fā)，降低自身溫度。

圖6　煤粉顆粒水分不同時(shí)的風(fēng)粉溫度歷程

圖7　煤粉顆粒初始水分與平衡溫度的關(guān)系

4　結(jié)語

分析中速磨中煤粉顆粒的循環(huán)特性，提出并建立極端情況下中速磨中的單顆粒換熱干燥模型，計(jì)算得到不同工況下的風(fēng)粉的溫度歷程。分析得出以下結(jié)論：風(fēng)粉混合后的平衡溫度與煤粉顆粒的粒徑無關(guān)；風(fēng)粉混合后的平衡溫度與一次風(fēng)入口溫度呈正線性關(guān)系；風(fēng)粉混合后的平衡溫度與煤粉顆粒水分呈負(fù)線性關(guān)系。

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