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黎明重工科技

磨煤用什么机器好?中速磨煤机内部工作原理是什么?

时间:2019-01-09 11:06来源:http://www.lmzk.org/hangyedongtai/646.html作者:admin 点击:次数

中速磨煤机直吹式制粉系统由于启动迅速、调节灵活、安全性好的优点目前在火力发电厂中具有广泛的应用。其中磨煤机的出口温度是人们所著重关注的一个重要参数,它与制粉系统的安全性及锅炉运行的经济性密切相关。正常运行时,为保证磨煤机出口温度在限制范围内经常需要掺入大量冷风,这使得热风利用率降低,导致锅炉的排烟温度上 升 , 影 响 锅 炉 运 行 的 经 济 性 。 根 据 DL/T 5145—2002 计算,烟煤型中速磨煤机出口温度一般限制在 70~80℃之间,但研究表明磨煤机出口温度尚有一定的提升空间,提高磨煤机出口温度具有显著的经济性,DL/T 5145—2012 已取消了对磨煤机出口温度的限制。根据煤粉可燃气体析出及爆炸特征,影响磨煤机运行安全性的关键因素不在于磨煤机出口温度,而在于磨煤机内部一次风与煤粉的换热过程。

国内外不少学者对中速磨煤机开展了一定程度的研究,主要集中在磨煤机内部结构以及流场等方面,如 Vuthaluru基于欧拉欧拉方法模拟磨煤机内部的风粉混合,发现由于叶片结构的缘故磨煤机内部气流存在的一定不对称性,同时,不同尺寸大小的煤粉颗粒具有不一样的气流跟随性;Vuthaluru基于欧拉拉格朗日方法针对某一磨煤机磨损问题模拟磨煤机内部两相流流动,发现了气流分布不均匀是造成磨损的主要原因,并通过增加挡板的方法来实现减少磨损的目的;Angleys,Bhasker等主要从风室及风环结构的角度来研究磨煤机分离器出口气流及煤粉粒度的分布,Bhambare则进一步考虑了水分的蒸发及煤粉颗粒尺寸分布的不同等因素,他们都指出了风场分布的不均匀性是造成磨煤机出口气流及煤粉颗粒分布不均匀的主要因素;Shah等通过研究磨煤机煤粉分离器的结构,通过改变折向挡板的开度,寻求气流分布、磨煤机出口煤粉粒度分布及分离器效率的更优值;朱宪然等主要从石子煤物理特性及磨煤机内部流场的角度出发,研究中速磨煤机的石子煤排放问题;赵熙从磨辊及衬板磨损的角度,分析石子煤排放异常的原因;赵振宁研究了中速磨煤机制粉系统一次风的各个参数对锅炉效率、NOx排放等的影响,得出了一次风运行参数整体优化的方法;而针对中速磨煤机内部一次风与煤粉换热过程的研究则还未见到相关的报道。

针对上述不足,本文选取HP863碗式中速磨煤机作为研究对象,采用数值模拟与现场试验相结合的方法对中速磨煤机在不同出口温度时的一次风与煤粉的换热特性开展研究。本文的研究可以为调整中速磨煤机运行参数提供一定的参考。

在磨煤机内部,气相一次风所占的体积百分比要远高于固相煤粉颗粒,且煤粉是以离散颗粒的形态存在,故本文中采用离散相(DPM)模型模拟气固两相的流动。这一模型主要涉及气相湍流流动、煤粉颗粒的运动等,气相湍流流动采用对旋流流动计算有更高精度的 Realizable k-ε 模型,煤粉颗粒的运动采用颗粒随机轨道模型。同时,采用无反应的组分输运模型考虑水分的存在对风煤换热的影响,其中水分包括外在水分及可汽化的内在水分两部分。

根据HP863实际尺寸构建磨煤机模型,针对所研究的内容对模型进行简化,模型未包括磨煤机上部的分离器。模型由入口一次风道、一次风室、风环及磨煤机上部筒体组成,如图 1 所示。

磨煤机内一次风视为理想气体,定常湍流流动;设定一次风道入口为质量入口边界条件,磨煤机上部筒体出口面为模型出口,设为充分发展边界条件,磨煤机固体壁面均为绝热条件。在实际换热过程中,包裹着煤粉的外在水分及部分可汽化的内在水分先被一次风加热而汽化,因此在模型中设置cone型射入面,将煤粉与水分分别沿磨碗边沿均匀喷入磨煤机内部,这样风煤的换热过程与实际情况相接近。忽略石子煤排放,煤粉颗粒的粒径采用Rosin-Rammler 分布,更小颗粒粒径 1m,更大颗粒粒径300m,平均直径68m,分布指数1.56,煤粉颗粒初始温度 25℃,密度1400kg/m3,比热容1600J/(kg·K)。水分开始蒸发的温度设为10℃,沸点100℃。

本文模拟了原煤水分12%时,磨煤机出口温度分别为80、90、100℃共3 个工况。一次风量60t/h,一次风温度根据出口温度进行调节;给煤量30t/h,风煤比 2:1。计算迭代时,黎明行气相场计算获得一定收敛程度的流场,然后再进行固相场的计算,直至收敛,收敛标准为各项计算的残差小于 10-3。模拟得到的磨煤机进出口温度曲线如图2 所示,与热平衡计算结果基本一致,其中细微的差异主要是由于数值模拟只考虑汽化的水分,而热平衡计算还包括未汽化的内水。

以磨煤机出口温度80℃工况模拟结果为例。在该模拟工况条件下,磨煤机垂直截面关键参数场分布如图 3 所示。

从图3中可知,磨煤机内部激烈的热交换过程只集中在很小的一块区域,从风环上部的磨煤机拐角之后开始,整个磨煤机的温度水平趋于一致。一次风与煤粉接触之后,由于水分的蒸发,风煤混合物的温度迅速下降,接近控制的磨煤机出口温度值。

图4为不同磨煤机出口温度下,风煤换热关键区域的局部等温线图。从图4中可以看出,在一次风和煤粉开始接触后的一小块区域,等温线非常密集,在很短的距离内风煤混合物的温度就迅速下降并基本均匀;温度从更高值下降到接近出口温度值的距离约为200mm,而热风温度下降100℃的激烈换热距离仅约60mm,激烈换热时间约0.001s。

参考数值模拟得到的磨煤机内部风煤换热的关键区域并结合磨煤机实际结构,设计了中速磨煤机温度场测量装置如图5所示。装置共布置16个温度测点,从磨煤机的磨碗边沿下部10 mm开始,一直覆盖到磨煤机拐角之上的不同高度层上的关键换热位置。试验时连续采集稳定运行期间所有温度测点的温度值。

取试验期间磨煤机出口温度稳定时间段内各测点温度的平均值,如表2所示。通过数据可以看出,随着磨煤机出口温度的提高,各测点的温度值均呈现出了明显的上升趋势,但是不同温度测点的数值却有很大的差异。

更下层测点A位于磨碗出口下部,该位置由于部分煤粉颗粒下沉,因此温度已经远低于入口一次风温度(正常风煤比时下降50~70℃),到B层测点,这一温度差已达到100℃左右,因此可以认为换热更激烈区域在煤粉(较大粒径煤粉颗粒)与一次风接触面的薄层内。到距离磨碗上部 210 mm 的 E 层测点位置时,温度已经降低到控制的磨煤机出口温度值附近,并且随着高度的变化测点温度值基本保持稳定。

同时,从表2中可以看出,随着高度的增加同一层测点间的温度差值有所波动,但是这一温度波动范围是很小的,说明在这一区域的同一高度层内,磨煤机内部温度的分布相对是比较均匀的。

根据试验测量的磨煤机内部温度测点的温度值绘制的风煤换热关键区域的温度分布如图6所示。

由现场试验得到的不同工况下温度测点的温度分布可以知道,在风煤换热的关键区域内,在同一高度层,磨煤机内部的温度分布是比较均匀的,因此取现场试验和数值模拟测点所在高度层的各层温度平均值绘制的测点层温度分布如图7所示。

从图7中可以直观的看出,试验值与模拟值的变化趋势符合程度是很高的,所反映的风煤换热的过程是基本一致的,风煤混合初期的温度均呈现出快速下降趋势。无论数值模拟还是实际试验,风煤混合激烈换热均集中在C 层以下,即在磨碗出口上部60mm左右的距离以内,热风温度已迅速下降100℃以上,激烈换热时间仅0.001s左右。实际磨煤机内部风煤换热的时间略大于模拟值,其主要原因可能是数值模拟中煤的水分全部是简单混合的外水,而实际煤中的水分有内水和部分孔隙中的外水,因此在进一步的模拟中,可以考虑从磨煤机内部固相粒子即煤粉颗粒的角度出发,喷入含有一定量内水的颗粒,使得模型更加贴近实际。试验煤种的内水为4.21%,根据热平衡计算方法,有1.68%的内水汽化,会导致混合温度下降约19℃。所以试验得到的风煤换热过程呈现出明显的2个阶段的特征。

一般烟煤的CO析出温度在240~290℃,热风与含水分的煤接触瞬间其温度即大幅下降,远低于CO析出温度,数值模拟与试验结果为提高磨煤机出口温度的安全性评估提供了一定的理论参考。

针对HP863碗式中速磨煤机,采用数值模拟与现场试验相结合的方法,研究其内部一次风与煤粉的动态换热特性,得到如下结论:

1)中速磨煤机内部一次风与煤粉的换热过程是非常激烈的,几乎是瞬间完成的,且这一过程集中在风煤混合接触后很小的一块区域内。热风温度下降100℃的激烈换热距离仅约60mm,激烈换热时间约0.001s。 

2)从一次风与煤粉接触开始,在约240mm的距离内,中速磨煤机内部风煤混合物的温度迅速降低至接近控制的磨煤机出口温度值。 

3)一般烟煤的CO析出温度在240~290℃,热风与含水分的煤接触瞬间其温度即大幅下降,远低于CO析出温度,数值模拟与试验结果为提高磨煤机出口温度的安全性评估提供了一定的理论参考。

 

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