ZG M型中速磨煤機內煤粉顆粒傳熱傳質特性研究

2018-04-11 06:39:57白德龍邢景偉

山東電力技術 2018年3期

白德龍，邢景偉

（京能集團內蒙古岱海發(fā)電有限責任公司，內蒙古　烏蘭察布　013700）

0　引言

中速磨煤機是大型火電機組常用的輔機設備，內蒙古岱海發(fā)電有限責任公司機組容量為4×600 MW，每臺機組配備6臺ZGM型中速磨煤機。CO是煤粉加熱時析出的可燃氣體，為研究CO的析出規(guī)律，控制磨煤機內CO的生成，需要對磨煤機內風粉混合物的傳熱傳質過程深入分析。

實驗研究表明，ZGM型中速磨煤機的循環(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，導致磨煤機出口存在CO。事實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。理論計算時按最極端情況考慮，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）干燥煤粉顆粒是一個復雜的過程[1-2]，整個干燥過程包括氣液固多相流動以及煤內部和煤表面煙氣發(fā)生的復雜的傳熱、傳質的過程[3-5]。而煤類似多孔介質的內部結構也是復雜的、多樣的。由于干燥過程的復雜，以及煤性質復雜，建立完全根據(jù)實際干燥過程，依據(jù)煙煤的性質而建立數(shù)學模型，是很難實現(xiàn)的。

目前對于干燥過程數(shù)學模型的研究基本上都是基于以下的基本方法：根據(jù)基礎理論，對實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)學模型也采用這一方法。首先根據(jù)質量守恒、動量方程和能量守恒關系建立煙煤粉顆粒傳質和傳熱的基本方程。在建立一維干燥數(shù)學模型時，改變以往采用顆粒表面蒸發(fā)的假設，而考慮蒸發(fā)表面隨著干燥進程的變化而變化，將煤內部進行干燥區(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)界面內部的濕區(qū)兩個不同區(qū)域。

在干區(qū)內，空氣填充在多孔介質（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)界面擴散到（顆粒外的）空氣中。

而在濕區(qū)，多孔介質（煤粉顆粒）的間隙被液態(tài)水均勻填充。濕區(qū)內溫度和液態(tài)水均勻分布，不存在濕度的概念。由于水蒸氣不斷擴散到（顆粒外的）空氣中，所以濕區(qū)內的液態(tài)水越來越少、蒸發(fā)界面（即干濕區(qū)界面）逐漸向顆粒內部轉移、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)學模型

當界面移到煤粉顆粒中心時，顆粒最終得以干燥。由于干區(qū)考慮傳熱傳質，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部推進，因此干燥過程是濕區(qū)和干區(qū)通過動態(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

通過上述對干燥過程的分析，針對干區(qū)、濕區(qū)的模型劃分，同時基于空氣干燥的特點，對整個單顆粒煙煤干燥過程的模型進行以下基本假設，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)可看作一個半徑不斷收縮的液滴，其界面因蒸發(fā)進行而不斷內移。

3）空氣與煤粉顆粒不反應。

4）濕區(qū)內溫度和水分均勻分布。

根據(jù)上述的思想和假設提出算法，用MATLAB編寫程序，計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果

3.1　煤粉顆粒粒徑對風粉溫度歷程的影響

圖2表示在典型工況：風煤比為2∶1、顆粒初始溫度100℃、空氣初始溫度300℃以及煤粉水分2%時，不同粒徑的煤粉顆粒及對應空氣的溫度隨時間變化的歷程曲線。在該工況下，30 μm顆粒從與高溫空氣接觸到風粉溫度平衡時間只有不到2 ms；100 μm顆粒的風粉溫度平衡時間為15ms左右；1 mm顆粒的風粉溫度平衡時間約為1.4 s。在工況一定的情況下，顆粒粒徑能影響風粉溫度平衡的時間，但對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個典型粒徑的風粉溫度平衡所需時間，在橫坐標為對數(shù)坐標情況下，時間與粒徑成直線關系，也就是說，隨著粒徑的減小，風粉溫度平衡所需時間成指數(shù)遞減。

在中速磨煤機運行時風環(huán)處的平均粒徑大于100 μm，按比較極端情況（磨煤機風環(huán)處平均粒徑100 μm）進行計算，該粒徑的風粉溫度平衡時間只有約15 ms。相比顆粒在磨煤機內的停留時間，該時間可以忽略不計。所以認為在風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間對CO析出的影響。

圖3　風粉溫度平衡時間與煤粉顆粒粒徑的關系

3.2　初始風溫對風粉溫度歷程的影響

計算的初始風溫即對應磨煤機的入口一次風溫。圖4表示在典型工況下（風煤比為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個典型入口風溫（280℃、300℃、320℃）時的風粉溫度變化歷程。圖5表示3個典型入口風溫所對應的平衡溫度。可見，入口風溫越高，平衡溫度也越高。這是因為入口風溫越高，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。平衡溫度與入口風溫呈線性關系。

圖4　不同入口風溫對應風粉混合溫度歷程

圖5　入口風溫與平衡溫度的關系

3.3　水分對風粉溫度歷程的影響

圖6表示在典型工況下（一次風初始溫度為300℃、煤粉顆粒初始溫度為95℃、風煤比為2∶1及煤粉顆粒粒徑為100 μm），3個典型煤粉顆粒水分（2%、10%、20%）時的風粉溫度變化歷程。圖7表示3個典型煤粉顆粒水分所對應的平衡溫度。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線性關系。

從圖7中還可以看出，在煤粉顆粒水分為20%時，其平衡溫度并不是煤粉顆粒在整個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。這是因為煤粉顆粒的水分含量高時，干燥過程結束時間晚于傳熱平衡時間，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。