中速磨煤機(jī)的石子煤特性研究

胡長(zhǎng)林

摘 要：對(duì)ZGM95型中速磨煤機(jī)排放的石子煤進(jìn)行了密度、發(fā)熱量和灰成分的實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)不同工況下排放的石子煤在外觀和物性上都存在較大差別。利用FLUENT程序?qū)χ兴倌ッ簷C(jī)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，由于一次風(fēng)是從磨煤機(jī)一側(cè)吹入，導(dǎo)致不同噴嘴環(huán)處的入口靜壓和流量呈不均勻分布。模擬驗(yàn)證了噴嘴環(huán)處的風(fēng)速最高且是影響石子煤排放的一個(gè)重要因素。在模擬工況范圍內(nèi)，隨著石子煤粒徑和密度的增大，石子煤的排放量也越來越多，而在風(fēng)量較大的情況下，石子煤的排量基本很少。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)中速磨煤機(jī)目前存在的問題提出了若干改造建議。

關(guān)鍵詞：中速磨煤機(jī)；石子煤；實(shí)驗(yàn)室分析；數(shù)值模擬；噴嘴環(huán)

1 前言

受到經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響，石子煤排量一直是困擾我國(guó)采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)廠的一個(gè)問題。首先，由于我國(guó)電廠實(shí)際燃用的煤種多變且與設(shè)計(jì)煤種有較大區(qū)別，石子煤的成分千差萬別，且其排放過多或過少往往引起磨煤機(jī)著火或嚴(yán)重磨損等問題。其次，雖然我國(guó)電廠開展了許多針對(duì)中速磨煤機(jī)噴嘴環(huán)的改造，但是由于現(xiàn)有技術(shù)手段尚無法實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)內(nèi)流場(chǎng)尤其是噴嘴環(huán)處流場(chǎng)的測(cè)量，因此這些改造往往只依靠工程經(jīng)驗(yàn)而無法得到量化的精確結(jié)果。因此，無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，石子煤成分和排放特性的研究數(shù)據(jù)極其缺乏，給石子煤的排放控制帶來困難。本文針對(duì)上述研究不足，選取一臺(tái)ZGM95G型中速磨煤機(jī)作為研究對(duì)象，采集了不同工況下的石子煤樣本并進(jìn)行了詳細(xì)的化驗(yàn)分析，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)石子煤研究數(shù)據(jù)的不足。利用FLUENT程序及離散相模型進(jìn)行了磨煤機(jī)內(nèi)氣、固兩相流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，得到了石子煤的排放規(guī)律。本文的研究可為電廠中速磨煤機(jī)的運(yùn)行和改造提供參考。

2 石子煤化驗(yàn)分析

本文收集了我國(guó)華北某電廠同一機(jī)組、不同ZGM95型磨煤機(jī)在不同時(shí)段排放的大量石子煤試樣，經(jīng)過初步篩選形成了7份較有代表性的石子煤樣本。從外觀觀察，7份樣本的粒徑和質(zhì)地都有較大差別，直徑約從幾mm到幾cm不等，有煤矸石也有摻雜的石塊，同時(shí)也有部分碾磨過的煤粉顆粒。由于所選磨煤機(jī)的工況相差并不太大，而石子煤樣本從外觀上就表現(xiàn)出如此大的區(qū)別，在一定程度上說明由于我國(guó)國(guó)內(nèi)電廠存在著煤質(zhì)變動(dòng)較大、較頻繁等情況，石子煤已不再僅僅是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上的煤矸石，而是混雜了石塊等多種物質(zhì)，需對(duì)其重新認(rèn)識(shí)和探討。本文對(duì)所采集的石子煤樣本進(jìn)行了密度、收到基發(fā)熱量及灰成分的實(shí)驗(yàn)室分析，由于真相對(duì)密度反映了分子空間結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，故本文化驗(yàn)的是石子煤的真相對(duì)密度再換算為實(shí)際密度值。表1給出了具體分析結(jié)果，可以看到，不同工況下排出的石子煤密度存在一定的差異，都高于通常煤矸石的密度（一般在2000kg/m3以內(nèi)），接近甚至高于建筑用混凝土石子的密度（約2700kg/m3），這表明磨煤機(jī)所排放的石子煤中乃至原煤中存在著較多的石塊，對(duì)磨煤機(jī)的運(yùn)行會(huì)有較大影響。而石子煤試樣的低位發(fā)熱量值都非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)規(guī)定的排放值6.27MJ/kg，但是根據(jù)采集時(shí)的統(tǒng)計(jì)石子煤的排放量卻均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了中速磨煤機(jī)額定出力0.05%的規(guī)定值。

從灰成分化驗(yàn)結(jié)果可以看出，石子煤中灰分的質(zhì)量百分比非常高，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量最高，這表明石子煤中乃至原煤中鐵、鋁的含量較高，是石子煤密度和硬度均較高的主要原因。目前許多電廠為了控制石子煤排放量，都采取直接減小噴嘴環(huán)通流面積的方法，這些無法分離出來的石子煤都將被最終磨成顆粒，鐵含量的增多勢(shì)必會(huì)增加磨煤機(jī)的碾磨電耗。同時(shí)，如果此類石子煤進(jìn)入爐膛燃燒，對(duì)鍋爐效率、除塵器和撈渣機(jī)性能等都有一定影響。

3 磨煤機(jī)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

ZGM95G型中速磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文在建立中速磨煤機(jī)模型時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模型由入口一次風(fēng)道、一次風(fēng)室、噴嘴環(huán)及上部的流通空間組成。為減少計(jì)算量，模型并未包括磨煤機(jī)頂部的分離器，并對(duì)磨輥處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了簡(jiǎn)化。模型的尺寸與磨煤機(jī)實(shí)際尺寸一致，其中共有36個(gè)噴嘴環(huán)，根據(jù)位置將此36個(gè)噴嘴環(huán)編號(hào)，其中正對(duì)一次風(fēng)入口方向的為1號(hào)噴嘴環(huán)，以俯視磨煤機(jī)時(shí)順時(shí)針方向依次為2～36號(hào)磨煤機(jī)。使用Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行三維多塊網(wǎng)格劃分。由于噴嘴環(huán)處幾何造型較為復(fù)雜，采用了混合型網(wǎng)格并進(jìn)行了加密處理，其他部分均使用6面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為160萬。由于在磨煤機(jī)內(nèi)一次風(fēng)與煤粉的混合和傳熱、傳質(zhì)過程基本上發(fā)生在噴嘴環(huán)之上的位置，而本文的目的主要是研究噴嘴環(huán)處的流場(chǎng)對(duì)石子煤排放的影響，故為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文的數(shù)值模型只進(jìn)行磨煤機(jī)內(nèi)的流動(dòng)模擬，不進(jìn)行傳熱模擬。將磨煤機(jī)內(nèi)的一次風(fēng)流動(dòng)視作不可壓縮、定常湍流流動(dòng)，湍流模型采用了對(duì)近壁區(qū)處理更為精確的RNGk-ε模型，近壁區(qū)的處理采用壁面函數(shù)法。設(shè)定一次風(fēng)道進(jìn)口為入口邊界，使用質(zhì)量流量邊界條件；出口為上部筒體的向上出口面，出口邊界設(shè)為outflow條件。

FLUENT中，離散相模型（discretephasemodel，DPM）用于模擬體積比例小于10%～12%的固相流動(dòng)。在中速磨煤機(jī)內(nèi)，氣相一次風(fēng)所占的體積百分比要遠(yuǎn)高于固相石子煤的體積比，且固相是以離散顆粒的形態(tài)存在，故本文采用DPM模擬石子煤的排放情況。模擬時(shí)，先計(jì)算氣相場(chǎng)即一次風(fēng)的流動(dòng)，再計(jì)算固相場(chǎng)即石子煤的流動(dòng)。

3.2 固相模擬結(jié)果

由于在磨煤機(jī)內(nèi)石子煤占的體積比例極低，故在利用DPM進(jìn)行固相模擬時(shí)，并未考慮固體顆粒與氣相場(chǎng)之間的耦合關(guān)系。為了更為真實(shí)地模擬磨煤機(jī)內(nèi)的固相場(chǎng)，本文考慮了湍流脈動(dòng)性對(duì)粒子軌跡的影響，采用隨機(jī)軌道模型跟蹤顆粒的軌跡。在DPM中設(shè)置固相射入面時(shí)，與實(shí)際情況相近，以噴嘴環(huán)上方一個(gè)有一定錐度的環(huán)形面作為射入面，在DPM中該射入面為cone型。由于石子煤在磨煤機(jī)內(nèi)的運(yùn)行隨機(jī)性較強(qiáng)，難以精確描述某單個(gè)石子煤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡尤其是從哪個(gè)噴嘴環(huán)落入一次風(fēng)室。因此，在模擬過程中本文選取了足夠多的固體顆粒，觀察其運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。本文中固體顆粒的數(shù)目選擇為105，并將其簡(jiǎn)化為一定直的球形顆粒。如果顆粒能通過噴嘴環(huán)下落到一次風(fēng)室內(nèi)，則認(rèn)為其屬于被排出的石子煤。

4 結(jié)束語

由于國(guó)內(nèi)電廠確實(shí)存在著煤質(zhì)變動(dòng)較大較頻繁等情況，所采石子煤樣本無論外觀還是化驗(yàn)分析都存在較大差別，這表明目前國(guó)內(nèi)電廠的石子煤已不僅僅是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上的煤矸石，而是混雜了石塊等多種物質(zhì)。本文的石子煤實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果豐富了我國(guó)石子煤研究的數(shù)據(jù)。由于一次風(fēng)從磨煤機(jī)的一側(cè)吹入，因此造成36個(gè)噴嘴環(huán)處的入口靜壓和流量不均勻，流量最小的噴嘴環(huán)的流量比其他噴嘴環(huán)低1/3左右。模擬結(jié)果表明噴嘴環(huán)處風(fēng)速最高，驗(yàn)證了噴嘴環(huán)處的風(fēng)速是影響中速磨煤機(jī)石子煤排放的一個(gè)主要因素。

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