工業煤粉鍋爐中間倉落料沖擊現象分析及解決方案

王實樸，李殿新，羅 偉，裘 星，于海鵬

(煤科院節能技術有限公司，北京 100013)

0 引 言

近年來國內市場對于高自動化、低燃料消耗、低排放的燃煤鍋爐需求不斷增長。工業煤粉鍋爐系統具有啟停速度快、燃料消耗低、污染物排放低、自動化程度高等特點，國內的煤粉工業鍋爐系統經過近十幾年的發展與探索，技術趨于成熟[1]。

工業煤粉鍋爐系統可分為11個子系統，其中煤粉燃料的供給單元(供料器)是煤粉儲供子系統的核心設備之一，其燃料輸送的穩定性、均勻性，都會對下游燃燒系統產生影響。螺旋輸送機作為常用的粉料輸送設備已廣泛應用，而在工業煤粉鍋爐系統中，螺旋輸送機不僅可以當做系統尾部固體粉狀廢料的輸送設備，并且通過精細化制造、局部改良后配合文丘里管，還可作為優秀的工業煤粉鍋爐的燃料供給設備(螺旋供料器)[2]。中間倉是煤粉儲供系統的一部分，用于將儲倉排出的煤粉(進入供料器前)松散化、流態化，并通過稱重實現鍋爐運行時煤粉的實時計量功能，保證供料器穩定、均勻地接受煤粉，從而使供料器向下游輸送煤粉時更加穩定均勻。

在工業煤粉鍋爐的燃料儲供系統中，螺旋供料器通常與中間倉(也叫緩沖倉)配合使用。實踐發現，螺旋供料器上游的稱重粉倉受料時，鍋爐內煤粉燃燒波動增大，使鍋爐運行穩定性變差[3-4]。本文通過分析螺旋輸送機工作特征，以及物料在稱重倉內的流動狀態，以能量守恒定律與動量定理為理論基礎，結合實踐經驗，尋求解決方案。

1 螺旋供料器的工作特征

在工業煤粉鍋爐的燃料儲供系統中，螺旋供料器采用螺旋桿拉(或推)送物料至一次風管，為保證燃燒穩定應使混有煤粉的一次風盡可能均勻,實現單位時間、單位體積一次風與煤粉燃料的比例相等或減少其誤差為本文研究目的。影響風粉比的因素為風機供風量、螺旋下料量的穩定狀況。

螺旋桿拉送(推送)物料方式為:物料填充于螺旋葉片間隙內，通過螺旋桿旋轉使物料沿螺旋桿方向運動[5],螺旋葉片間物料的填充率是影響螺旋桿運送物料的主要因素。影響填充率的主要因素有:物料粒徑、螺旋桿轉速對螺旋桿吃料量的影響、物料運輸過程的實際堆密度。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，故可認為其轉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之間)。供料螺旋輸送能力按照JB/T 7679—2008《螺旋輸送機輸送量計算方法》執行，且保證終端填充系數達1.05～1.15。輸送量計算公式為

(1)

其中，G為螺旋輸送機的輸送能力，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，實體螺旋S=0.8D，帶式螺旋S=D；n為螺旋轉速，r/min；φ為煤粉填充系數，螺旋輸送機入口處填充系數參考值為0.7；ρ為煤粉容積密度，t/m3，煤粉密度為0.7 t/m3；C為螺旋輸送機的傾鈄度系數，C=0.9(5°)、0.8(10°)、0.7(15°)。填充系數應為計算所取螺旋葉片導程內的填充系數，螺旋中任意段導程的輸送量理論上相等[6]。

由于細煤粉物料的物理特性，實際煤粉堆密度無法保持0.7 t/m3。煤粉流動過程中，氣體流化、擠壓、沖擊、摩擦等都會對其堆密度產生影響。煤粉中間倉落料時，鍋爐燃燒波動較大，供料器透氣布袋振動明顯；推測落料時，由星型卸料閥卸出煤粉在中間倉內做自由落體運動，對中間倉底部煤粉產生沖擊，改變螺旋桿吃料堆密度，從而改變下游風粉管道中的風粉比，本文將這種現象稱為落料沖擊。

2 落料沖擊的模型及簡單計算

中間倉通過星型卸料閥接受來自煤粉儲倉的煤粉，并通過底部排出進入螺旋供料器，如圖1所示。鍋爐正常運轉時，上位機實時對中間倉整體稱重，設定倉內煤粉上、下限，中間倉內煤粉達到下限時開始由煤粉儲倉供料，達到上限時停止供料，整個過程中間倉底部持續通過鍋爐供料器排料[7-8]。

圖1 中間倉-供料器設備Fig.1 Intermediate storehouse-feeder equipment

根據動量定理有

mv=Ft(2)

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

式中，m為星型卸料閥每轉卸煤粉的質量，kg；v為煤粉到達物料面的速度，m/s；F為煤粉對物料面的沖擊力，N；t為煤粉與物料面接觸時間，s；g為重力加速度，m/s2；h為下落距離，m；

根據式(2)、(3)可得

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

在實際運行中，以DN350星型卸料閥為例，卸料閥轉速為24 r/min，排料量為0.58 m3/min，每轉卸料量0.024 m3，堆密度按0.7 t/m3計，每轉卸煤粉的質量m≈0.017 t=17 kg。中間倉上下限對應倉內料位距離受料口的距離h1、h2為0.86～1.22 m(倉內料位面為水平面)，星型卸料閥每轉卸煤粉經自由落體運動后，對物料面的沖擊力F(假設星型卸料閥每格煤粉呈固態塊狀均勻下落，與物料面接觸時間t=0.1 s)為

受料開始時

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

受料結束時

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

中間倉開始受料時，物料面沖擊力為0～824 N，整個受料過程后減至698 N，此沖擊力向下傳導，導致底部出料口煤粉堆密度不斷變化[9]，使供料誤差增加，不利于下游穩定燃燒。根據能量守恒定律，星型卸料閥每格卸出煤粉的重力勢能通過自由落體運動完全轉化為煤粉到達底部時的動能，所以要減少煤粉對倉內已有物料面的沖擊力。由式(4)可知，F與h、m正相關，因此，采用傘帽結構來改善。

3 緩沖方式

在中間倉內部沿煤粉下落路徑設置傘帽(圓錐形殼體)，可使煤粉落在傘帽表面，部分下落動能轉化為摩擦勢能消除，相當于減小了h；煤粉下落至傘帽表面后向周圍散開，離開傘帽時分散下落，減少了沖擊物料面每轉卸煤粉的質量。本文設計了固定傘帽和旋轉傘帽。

3.1 固定傘帽

固定傘帽結構如圖2所示。在入料口正下方置一圓錐體，綜合考慮煤粉靜態休止角及下落沖量，圓錐表面角度設計為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，整個過程煤粉經過2次斜面(圓錐傘帽斜面和料倉錐斗內壁斜面)，均可將煤粉下落的部分動能轉化為摩擦力做功，減速煤粉[10-12]。通過2次斜面后，減緩了煤粉對底部的沖擊力。

圖2 固定傘帽結構Fig.2 Schematic of the fixed umbrella cap

圖3 旋轉傘帽Fig.3 Schematic of a revolving umbrella cap

3.2 旋轉傘帽

旋轉傘帽結構如圖3所示。旋轉傘帽是在固定傘帽的基礎上，采用電機帶動傘帽旋轉，利用傘帽斜面緩沖物料下落速度的同時，通過旋轉將物料均勻散開，沿料倉內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 旋轉傘帽及固定傘帽的應用

山西保德選煤廠對煤粉儲供系統中的1臺中間倉安裝了固定傘帽與旋轉傘帽。供料對于鍋爐燃燒組織的穩定起著及其重要的作用，所以可通過系統正常運行時爐膛負壓的波動范圍來判斷供料的穩定程度。鍋爐運行煤粉基本指標見表1。

通過鍋爐控制室上位機獲得的爐膛負壓波動實時監測曲線發現，中間倉未加裝傘帽時，負壓波動存在2種不穩定狀態:① 存在約2 min的長周期有規律波動；② 在約30 s的短周期內，振幅波動范圍12.5%～20.0%。中間倉加裝固定傘帽后，爐膛負壓短周期振幅波動沒有明顯改善；中間倉加裝旋轉傘帽后，爐膛負壓的長周期和短周期振幅波動均有所改善。由實際運行時的爐膛負壓曲線判斷，中間倉加裝傘帽后，供料穩定性確有改善，爐膛負壓波動減弱，且長周期內波動范圍更穩定，說明傘帽對供給鍋爐煤粉堆密度的穩定起到了積極作用。

表1鍋爐運行煤粉基本指標
Table1Basicindexesofpulverizedcoalforboileroperation

指標粒度Mt/%Vdaf/%Ad/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)w(St,d)/%煤灰熔融性軟化溫度/℃技術要求0.074 mm通過率98%≤5.0≥30.00≤15.00≥23.00≤0.6≥1 150試驗方法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，固定傘帽在設計時其最大直徑需小于中間倉內徑600～700 mm。當煤粉堆積高度達到固定傘帽時，由于粉體不能像液體一樣流動，物料無法進入圓錐傘帽內部而導致空間的浪費，在鍋爐運行過程中由于中間倉容積的減小導致卸料頻率增加，而傘帽無法完全消除落料沖擊現象，所以在長周期范圍內增加了供料波動的不穩定性。

煤粉在落到旋轉傘帽圓錐面之后，在離心作用下被甩到倉壁，使得倉內空間被充分利用，相比固定傘帽對中間倉內容積的影響較小。但從加工和使用角度，電機帶動傘帽旋轉，涉及到傳動體系的動平衡問題，傘帽圓錐體直徑約800 mm，轉動時錐體外沿線速度(轉速60 r/min)為2.5 m/s，如果傳動不穩定，將會對傳動軸、軸承、密封等部件產生過量磨損，使得傳動系統不能長期穩定運行，增加維護成本。影響動平衡的因素有:① 卷制傘帽鋼板厚度的均勻性，卷制的圓錐圓度可控性，焊接質量；② 若傘帽表面的突起、凹槽或開孔不均勻，轉動時會產生偏心。實際加工過程中要做到均布公差精度要求比較困難；增加傳動機構同時也增加了維護檢修的工作量，增加了隱含的故障點。

經過加裝2種傘帽之后鍋爐運行效果均有所改善，但減弱爐膛負壓波動效果有限，同時旋轉傘帽對加工精度、中間倉結構及后期維護要求較高。因此，既要減弱煤粉下落對物料面的沖擊力，又不影響中間倉的容積，同時降低制造維護成本，避免使用動設備，提出第3種方案，即固定傘帽加導流板，如圖4所示。

圖4 固定傘帽加導流板結構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，物料經傘帽打散下落過程中，在下部再設置一個導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動行程，導流板與傘帽斜面之間相對垂直；當物料由一斜面流經另一斜面后可充分減速。并且在物料經過不同的導流板時，利用物料自身對導流板的沖擊使物料充分破散[13-15]。物料經小傘帽流出后下落至粉倉圓錐內壁上，可繼續沿斜面滑落。物料流經的導流板邊緣可設置尖刺或其他方式的破拱機構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部沒有物料填充，避免了空間的浪費。此方案成本增加少，不需要維護，且制作簡單。

5 結 論

1)根據動量定理，物料下落對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量決定，高差越小、單位物料質量越小，物料下落對倉內物料面的沖擊力越弱。在倉內增加傘帽以減少煤粉物料下落的高差，同時通過錐形面對煤粉的分散作用，減少了沖擊物料面的單位煤粉質量，使倉內物料面受到的沖擊力減弱，有利于倉底排料堆密度的穩定。

2)實踐證明，中間倉內增加傘帽對穩定供料有積極影響，但傘帽的形式需要綜合考慮制造與使用成本。旋轉傘帽雖然比固定傘帽的效果更佳，但綜合考慮實際制造以及維護成本，其性價比不高。固定傘帽由于其固定的高度導致其減少高差的效果有限，并且由于粉體的流動特性，使得煤粉垂直下落后對倉內空間的利用率不高，且如果直徑過大容易使煤粉在傘帽邊緣與倉內壁之間形成架拱。所以在固定傘帽的設計基礎上，以減少傘帽直徑、增加流經斜面的數量、設置不同高度的斜面以最大程度適應不同高度的物料面為原則，提出固定傘帽加導流板的方案。

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