工業(yè)煤粉鍋爐中間倉落料沖擊現(xiàn)象分析及解決方案

王實(shí)樸，李殿新，羅 偉，裘 星，于海鵬

(煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013)

0 引 言

近年來國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于高自動(dòng)化、低燃料消耗、低排放的燃煤鍋爐需求不斷增長。工業(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)具有啟停速度快、燃料消耗低、污染物排放低、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，國內(nèi)的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)經(jīng)過近十幾年的發(fā)展與探索，技術(shù)趨于成熟[1]。

工業(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)可分為11個(gè)子系統(tǒng)，其中煤粉燃料的供給單元(供料器)是煤粉儲(chǔ)供子系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其燃料輸送的穩(wěn)定性、均勻性，都會(huì)對(duì)下游燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生影響。螺旋輸送機(jī)作為常用的粉料輸送設(shè)備已廣泛應(yīng)用，而在工業(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)中，螺旋輸送機(jī)不僅可以當(dāng)做系統(tǒng)尾部固體粉狀廢料的輸送設(shè)備，并且通過精細(xì)化制造、局部改良后配合文丘里管，還可作為優(yōu)秀的工業(yè)煤粉鍋爐的燃料供給設(shè)備(螺旋供料器)[2]。中間倉是煤粉儲(chǔ)供系統(tǒng)的一部分，用于將儲(chǔ)倉排出的煤粉(進(jìn)入供料器前)松散化、流態(tài)化，并通過稱重實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行時(shí)煤粉的實(shí)時(shí)計(jì)量功能，保證供料器穩(wěn)定、均勻地接受煤粉，從而使供料器向下游輸送煤粉時(shí)更加穩(wěn)定均勻。

在工業(yè)煤粉鍋爐的燃料儲(chǔ)供系統(tǒng)中，螺旋供料器通常與中間倉(也叫緩沖倉)配合使用。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，螺旋供料器上游的稱重粉倉受料時(shí)，鍋爐內(nèi)煤粉燃燒波動(dòng)增大，使鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性變差[3-4]。本文通過分析螺旋輸送機(jī)工作特征，以及物料在稱重倉內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，以能量守恒定律與動(dòng)量定理為理論基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，尋求解決方案。

1 螺旋供料器的工作特征

在工業(yè)煤粉鍋爐的燃料儲(chǔ)供系統(tǒng)中，螺旋供料器采用螺旋桿拉(或推)送物料至一次風(fēng)管，為保證燃燒穩(wěn)定應(yīng)使混有煤粉的一次風(fēng)盡可能均勻,實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間、單位體積一次風(fēng)與煤粉燃料的比例相等或減少其誤差為本文研究目的。影響風(fēng)粉比的因素為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量、螺旋下料量的穩(wěn)定狀況。

螺旋桿拉送(推送)物料方式為:物料填充于螺旋葉片間隙內(nèi)，通過螺旋桿旋轉(zhuǎn)使物料沿螺旋桿方向運(yùn)動(dòng)[5],螺旋葉片間物料的填充率是影響螺旋桿運(yùn)送物料的主要因素。影響填充率的主要因素有:物料粒徑、螺旋桿轉(zhuǎn)速對(duì)螺旋桿吃料量的影響、物料運(yùn)輸過程的實(shí)際堆密度。本文中，物料為平均粒徑74 μm的煤粉，螺旋桿入料段淹沒于煤粉中，故可認(rèn)為其轉(zhuǎn)速與吃料速度比恒定，落入中間倉之前的煤粉堆密度取0.7 t/m3(介于堆積堆密度與松散態(tài)之間)。供料螺旋輸送能力按照J(rèn)B/T 7679—2008《螺旋輸送機(jī)輸送量計(jì)算方法》執(zhí)行，且保證終端填充系數(shù)達(dá)1.05～1.15。輸送量計(jì)算公式為

(1)

其中，G為螺旋輸送機(jī)的輸送能力，t/h；D為螺旋葉片外徑，m；d為螺旋葉片軸徑，m；S為螺距，m，實(shí)體螺旋S=0.8D，帶式螺旋S=D；n為螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；φ為煤粉填充系數(shù)，螺旋輸送機(jī)入口處填充系數(shù)參考值為0.7；ρ為煤粉容積密度，t/m3，煤粉密度為0.7 t/m3；C為螺旋輸送機(jī)的傾鈄度系數(shù)，C=0.9(5°)、0.8(10°)、0.7(15°)。填充系數(shù)應(yīng)為計(jì)算所取螺旋葉片導(dǎo)程內(nèi)的填充系數(shù)，螺旋中任意段導(dǎo)程的輸送量理論上相等[6]。

由于細(xì)煤粉物料的物理特性，實(shí)際煤粉堆密度無法保持0.7 t/m3。煤粉流動(dòng)過程中，氣體流化、擠壓、沖擊、摩擦等都會(huì)對(duì)其堆密度產(chǎn)生影響。煤粉中間倉落料時(shí)，鍋爐燃燒波動(dòng)較大，供料器透氣布袋振動(dòng)明顯；推測(cè)落料時(shí)，由星型卸料閥卸出煤粉在中間倉內(nèi)做自由落體運(yùn)動(dòng)，對(duì)中間倉底部煤粉產(chǎn)生沖擊，改變螺旋桿吃料堆密度，從而改變下游風(fēng)粉管道中的風(fēng)粉比，本文將這種現(xiàn)象稱為落料沖擊。

2 落料沖擊的模型及簡(jiǎn)單計(jì)算

中間倉通過星型卸料閥接受來自煤粉儲(chǔ)倉的煤粉，并通過底部排出進(jìn)入螺旋供料器，如圖1所示。鍋爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上位機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)中間倉整體稱重，設(shè)定倉內(nèi)煤粉上、下限，中間倉內(nèi)煤粉達(dá)到下限時(shí)開始由煤粉儲(chǔ)倉供料，達(dá)到上限時(shí)停止供料，整個(gè)過程中間倉底部持續(xù)通過鍋爐供料器排料[7-8]。

圖1 中間倉-供料器設(shè)備Fig.1 Intermediate storehouse-feeder equipment

根據(jù)動(dòng)量定理有

mv=Ft(2)

v=(2gh)1/2(3)

式中，m為星型卸料閥每轉(zhuǎn)卸煤粉的質(zhì)量，kg；v為煤粉到達(dá)物料面的速度，m/s；F為煤粉對(duì)物料面的沖擊力，N；t為煤粉與物料面接觸時(shí)間，s；g為重力加速度，m/s2；h為下落距離，m；

根據(jù)式(2)、(3)可得

F=(2gh)1/2m/t(4)

在實(shí)際運(yùn)行中，以DN350星型卸料閥為例，卸料閥轉(zhuǎn)速為24 r/min，排料量為0.58 m3/min，每轉(zhuǎn)卸料量0.024 m3，堆密度按0.7 t/m3計(jì)，每轉(zhuǎn)卸煤粉的質(zhì)量m≈0.017 t=17 kg。中間倉上下限對(duì)應(yīng)倉內(nèi)料位距離受料口的距離h1、h2為0.86～1.22 m(倉內(nèi)料位面為水平面)，星型卸料閥每轉(zhuǎn)卸煤粉經(jīng)自由落體運(yùn)動(dòng)后，對(duì)物料面的沖擊力F(假設(shè)星型卸料閥每格煤粉呈固態(tài)塊狀均勻下落，與物料面接觸時(shí)間t=0.1 s)為

受料開始時(shí)

F1=(2gh1)1/2m/t=824N(5)

受料結(jié)束時(shí)

F2=(2gh2)1/2m/t=698N(6)

中間倉開始受料時(shí)，物料面沖擊力為0～824 N，整個(gè)受料過程后減至698 N，此沖擊力向下傳導(dǎo)，導(dǎo)致底部出料口煤粉堆密度不斷變化[9]，使供料誤差增加，不利于下游穩(wěn)定燃燒。根據(jù)能量守恒定律，星型卸料閥每格卸出煤粉的重力勢(shì)能通過自由落體運(yùn)動(dòng)完全轉(zhuǎn)化為煤粉到達(dá)底部時(shí)的動(dòng)能，所以要減少煤粉對(duì)倉內(nèi)已有物料面的沖擊力。由式(4)可知，F(xiàn)與h、m正相關(guān)，因此，采用傘帽結(jié)構(gòu)來改善。

3 緩沖方式

在中間倉內(nèi)部沿煤粉下落路徑設(shè)置傘帽(圓錐形殼體)，可使煤粉落在傘帽表面，部分下落動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦勢(shì)能消除，相當(dāng)于減小了h；煤粉下落至傘帽表面后向周圍散開，離開傘帽時(shí)分散下落，減少了沖擊物料面每轉(zhuǎn)卸煤粉的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)了固定傘帽和旋轉(zhuǎn)傘帽。

3.1 固定傘帽

固定傘帽結(jié)構(gòu)如圖2所示。在入料口正下方置一圓錐體，綜合考慮煤粉靜態(tài)休止角及下落沖量，圓錐表面角度設(shè)計(jì)為45°，目的是將星型卸料閥每格卸下的煤粉落至圓錐體表面打散，然后沿圓錐下部散開落入中間料倉底部。打散后的煤粉沿圓周下落至料倉錐斗，整個(gè)過程煤粉經(jīng)過2次斜面(圓錐傘帽斜面和料倉錐斗內(nèi)壁斜面)，均可將煤粉下落的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦力做功，減速煤粉[10-12]。通過2次斜面后，減緩了煤粉對(duì)底部的沖擊力。

圖2 固定傘帽結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of the fixed umbrella cap

圖3 旋轉(zhuǎn)傘帽Fig.3 Schematic of a revolving umbrella cap

3.2 旋轉(zhuǎn)傘帽

旋轉(zhuǎn)傘帽結(jié)構(gòu)如圖3所示。旋轉(zhuǎn)傘帽是在固定傘帽的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)帶動(dòng)傘帽旋轉(zhuǎn)，利用傘帽斜面緩沖物料下落速度的同時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)將物料均勻散開，沿料倉內(nèi)壁滑落至底部來減小沖力。為了打散物料，傘帽圓錐表面不能是光滑的，要在圓錐表面做突起、凹槽或直接穿孔。

4 旋轉(zhuǎn)傘帽及固定傘帽的應(yīng)用

山西保德選煤廠對(duì)煤粉儲(chǔ)供系統(tǒng)中的1臺(tái)中間倉安裝了固定傘帽與旋轉(zhuǎn)傘帽。供料對(duì)于鍋爐燃燒組織的穩(wěn)定起著及其重要的作用，所以可通過系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)爐膛負(fù)壓的波動(dòng)范圍來判斷供料的穩(wěn)定程度。鍋爐運(yùn)行煤粉基本指標(biāo)見表1。

通過鍋爐控制室上位機(jī)獲得的爐膛負(fù)壓波動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線發(fā)現(xiàn)，中間倉未加裝傘帽時(shí)，負(fù)壓波動(dòng)存在2種不穩(wěn)定狀態(tài):① 存在約2 min的長周期有規(guī)律波動(dòng)；② 在約30 s的短周期內(nèi)，振幅波動(dòng)范圍12.5%～20.0%。中間倉加裝固定傘帽后，爐膛負(fù)壓短周期振幅波動(dòng)沒有明顯改善；中間倉加裝旋轉(zhuǎn)傘帽后，爐膛負(fù)壓的長周期和短周期振幅波動(dòng)均有所改善。由實(shí)際運(yùn)行時(shí)的爐膛負(fù)壓曲線判斷，中間倉加裝傘帽后，供料穩(wěn)定性確有改善，爐膛負(fù)壓波動(dòng)減弱，且長周期內(nèi)波動(dòng)范圍更穩(wěn)定，說明傘帽對(duì)供給鍋爐煤粉堆密度的穩(wěn)定起到了積極作用。

表1鍋爐運(yùn)行煤粉基本指標(biāo)
Table1Basicindexesofpulverizedcoalforboileroperation

指標(biāo)粒度Mt/%Vdaf/%Ad/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)w(St,d)/%煤灰熔融性軟化溫度/℃技術(shù)要求0.074 mm通過率98%≤5.0≥30.00≤15.00≥23.00≤0.6≥1 150試驗(yàn)方法GB/T 189GB/T 211GB/T 212GB/T 212GB/T 213GB/T 214GB/T 219

但是，傘帽也存在一些問題。由于煤粉的粉體特性，為了防止煤粉在傘帽與中間倉壁面架拱，固定傘帽在設(shè)計(jì)時(shí)其最大直徑需小于中間倉內(nèi)徑600～700 mm。當(dāng)煤粉堆積高度達(dá)到固定傘帽時(shí)，由于粉體不能像液體一樣流動(dòng)，物料無法進(jìn)入圓錐傘帽內(nèi)部而導(dǎo)致空間的浪費(fèi)，在鍋爐運(yùn)行過程中由于中間倉容積的減小導(dǎo)致卸料頻率增加，而傘帽無法完全消除落料沖擊現(xiàn)象，所以在長周期范圍內(nèi)增加了供料波動(dòng)的不穩(wěn)定性。

煤粉在落到旋轉(zhuǎn)傘帽圓錐面之后，在離心作用下被甩到倉壁，使得倉內(nèi)空間被充分利用，相比固定傘帽對(duì)中間倉內(nèi)容積的影響較小。但從加工和使用角度，電機(jī)帶動(dòng)傘帽旋轉(zhuǎn)，涉及到傳動(dòng)體系的動(dòng)平衡問題，傘帽圓錐體直徑約800 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)錐體外沿線速度(轉(zhuǎn)速60 r/min)為2.5 m/s，如果傳動(dòng)不穩(wěn)定，將會(huì)對(duì)傳動(dòng)軸、軸承、密封等部件產(chǎn)生過量磨損，使得傳動(dòng)系統(tǒng)不能長期穩(wěn)定運(yùn)行，增加維護(hù)成本。影響動(dòng)平衡的因素有:① 卷制傘帽鋼板厚度的均勻性，卷制的圓錐圓度可控性，焊接質(zhì)量；② 若傘帽表面的突起、凹槽或開孔不均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏心。實(shí)際加工過程中要做到均布公差精度要求比較困難；增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)也增加了維護(hù)檢修的工作量，增加了隱含的故障點(diǎn)。

經(jīng)過加裝2種傘帽之后鍋爐運(yùn)行效果均有所改善，但減弱爐膛負(fù)壓波動(dòng)效果有限，同時(shí)旋轉(zhuǎn)傘帽對(duì)加工精度、中間倉結(jié)構(gòu)及后期維護(hù)要求較高。因此，既要減弱煤粉下落對(duì)物料面的沖擊力，又不影響中間倉的容積，同時(shí)降低制造維護(hù)成本，避免使用動(dòng)設(shè)備，提出第3種方案，即固定傘帽加導(dǎo)流板，如圖4所示。

圖4 固定傘帽加導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)Fig.4 Combination of fixed cap and guide plate

由圖4可知，采用更小直徑的固定傘帽，物料經(jīng)傘帽打散下落過程中，在下部再設(shè)置一個(gè)導(dǎo)流板及頂部開口的小傘帽，目的是增加物料下落過程中的運(yùn)動(dòng)行程，導(dǎo)流板與傘帽斜面之間相對(duì)垂直；當(dāng)物料由一斜面流經(jīng)另一斜面后可充分減速。并且在物料經(jīng)過不同的導(dǎo)流板時(shí)，利用物料自身對(duì)導(dǎo)流板的沖擊使物料充分破散[13-15]。物料經(jīng)小傘帽流出后下落至粉倉圓錐內(nèi)壁上，可繼續(xù)沿斜面滑落。物料流經(jīng)的導(dǎo)流板邊緣可設(shè)置尖刺或其他方式的破拱機(jī)構(gòu)防止在物料傘帽邊緣架拱。而下方小傘帽頂部開口可有效防止傘帽內(nèi)部沒有物料填充，避免了空間的浪費(fèi)。此方案成本增加少，不需要維護(hù)，且制作簡(jiǎn)單。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)動(dòng)量定理，物料下落對(duì)倉底物料堆密度的影響主要是由物料下落的高差及單位物料的質(zhì)量決定，高差越小、單位物料質(zhì)量越小，物料下落對(duì)倉內(nèi)物料面的沖擊力越弱。在倉內(nèi)增加傘帽以減少煤粉物料下落的高差，同時(shí)通過錐形面對(duì)煤粉的分散作用，減少了沖擊物料面的單位煤粉質(zhì)量，使倉內(nèi)物料面受到的沖擊力減弱，有利于倉底排料堆密度的穩(wěn)定。

2)實(shí)踐證明，中間倉內(nèi)增加傘帽對(duì)穩(wěn)定供料有積極影響，但傘帽的形式需要綜合考慮制造與使用成本。旋轉(zhuǎn)傘帽雖然比固定傘帽的效果更佳，但綜合考慮實(shí)際制造以及維護(hù)成本，其性價(jià)比不高。固定傘帽由于其固定的高度導(dǎo)致其減少高差的效果有限，并且由于粉體的流動(dòng)特性，使得煤粉垂直下落后對(duì)倉內(nèi)空間的利用率不高，且如果直徑過大容易使煤粉在傘帽邊緣與倉內(nèi)壁之間形成架拱。所以在固定傘帽的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，以減少傘帽直徑、增加流經(jīng)斜面的數(shù)量、設(shè)置不同高度的斜面以最大程度適應(yīng)不同高度的物料面為原則，提出固定傘帽加導(dǎo)流板的方案。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] 尚慶雨.我國煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(1):201-206.

SHANG Qingyu.Current status and development trend of pulverized coal industrial boilers in China[J].Coal Science and Technology,2016,44(1):201-206.

[2] 仝勝錄.組合式供料裝置在工業(yè)煤粉鍋爐中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].神華科技,2015,13(6):90-92.

TONG Shenglu.The design and application of combined feeding device in industrial pulverized coal boiler[J].Shenhua Science and Technology,2015,13(6):90-92.

[3] 徐堯,馮現(xiàn)河,劉建航,等.一種組合式煤粉儲(chǔ)供裝置:CN102966967A[P].2013-03-13.

[4] 何海軍,冀飛,周建明,等.一種組合式煤粉儲(chǔ)供系統(tǒng):CN 101575057 B[P].2011-10-05.

[5] 李振亮,付長江,李亞.定量螺旋給料機(jī)的結(jié)構(gòu)研究[J].鹽業(yè)與化工,2010,39(1):27-29.

LI Zhenliang,FU Changjiang,LI Ya.Quantitative spiral feeder structural research[J].Journal of Salt and Chemical Industry,2010,39(1):27-29.

[6] 王乾.異形管壁粉末體螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2014,35(8):22-24.

WANG Qian.Design on powder screw conveyor with abnormal shaped pipe wall[J].Coal Mine Machinery,2010,39(1):27-29.

[7] 張乾熙,賈明生,侯冬盡.組合式煤粉氣力供料輸送裝置實(shí)驗(yàn)研究[J].冶金能源,2017,36(5):20-23.

ZHANG Qianxi,JIA Mingsheng,HOU Dongjin.Experimental studies on the combined feeder of pulverized coal[J].Energy for Metallurgical Industry,2017,36(5):20-23.

[8] 姜思源.煤粉工業(yè)鍋爐對(duì)大同難燃煤適應(yīng)性研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2014.

[9] 李志義,王淑蘭,丁信偉.粉體料倉的設(shè)計(jì)[J].能源化工,1999(4):11-15.

LI Zhiyi,WANG Shulan,DING Xinwei.Design of silos[J].Journal of Chemical Industry & Engineering,1999(4):11-15.

[10] 黃志遠(yuǎn),梁輝.煤粉倉的設(shè)計(jì)與防爆[J].青海電力,2003(S1):59-62.

HUANG Zhiyuan,LIANG Hui.Design and explosion prevention of the pulverized coal bin[J].Qinghai Electric Power,2003(S1):59-62.

[11] 郭領(lǐng)軍,李賀軍,張秀蓮.模壓壓力對(duì)焦炭粉體堆積密度影響的試驗(yàn)研究[J].炭素技術(shù),2003(2):1-4.

GUO Lingjun,LI Hejun,ZHANG Xiulian.Effect of molding pressure on packing density of coke powder[J].Carbon Techniques,2003(2):1-4.

[12] 鄭利嬌,郭曉鐳,代正華,等.粉煤在流化料倉中的下料特性[J].化工學(xué)報(bào),2007,58(9):2375-2381.

ZHENG Lijiao,GUO Xiaolei,DAI Zhenghua,et al.Flow characteristics of pulverized coal from aeration silo[J].CIESC Jorunal,2007,58(9):2375-2381.

[13] 姚力.煤粉倉中煤粉流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].太原:太原理工大學(xué),2014.

[14] 漆海峰,郭曉鐳,陸海峰,等.煤粉的流動(dòng)性測(cè)試及評(píng)價(jià)方法[J].化工學(xué)報(bào),2012,63(2):433-440.

QI Haifeng,GUO Xiaolei,LU Haifeng,et al.Measurement of flowability of coal powders and research methods[J].CIESC Jorunal,2012,63(2):433-440.

[15] 張鵬.卡爾指數(shù)法在評(píng)價(jià)煤粉粉體特性中的應(yīng)用[J].中國粉體技術(shù),2000,6(5):33-36.

ZHANG Peng.Application of carr index method in comprehensive evaluating properties of coal powder[J].China Powder Science and Technology,2000,6(5):33-36.