ZG M型中速磨煤机内煤粉颗粒传热传质特性研究

2018-04-11白德龙邢景伟

山东电力技术 2018年3期

白德龙，邢景伟

（京能集团内蒙古岱海发电有限责任公司，内蒙古　乌兰察布　013700）

0　引言

中速磨煤机是大型火电机组常用的辅机设备，内蒙古岱海发电有限责任公司机组容量为4×600 MW，每台机组配备6台ZGM型中速磨煤机。CO是煤粉加热时析出的可燃气体，为研究CO的析出规律，控制磨煤机内CO的生成，需要对磨煤机内风粉混合物的传热传质过程深入分析。

实验研究表明，ZGM型中速磨煤机的循环倍率约为8，也就是说煤粉颗粒平均经过8次研磨，回粉量是落煤量的7倍。但煤粉与一次风接触后的干燥过程非常迅速，只需一次循环即可干燥完成所有的外水。所以回粉的含水量都极少。回粉与一次风接触后，由于含水量少，所以平衡温度较高，可能超过CO的析出温度，导致磨煤机出口存在CO。事实上原煤与回粉之间通过研磨换热，降低了回粉的温度，增加了回粉的水分。理论计算时按最极端情况考虑，不考虑原煤与回粉之间的传热干燥过程。

1　单煤粉颗粒传热干燥模型建立

空气（一次风）干燥煤粉颗粒是一个复杂的过程[1-2]，整个干燥过程包括气液固多相流动以及煤内部和煤表面烟气发生的复杂的传热、传质的过程[3-5]。而煤类似多孔介质的内部结构也是复杂的、多样的。由于干燥过程的复杂，以及煤性质复杂，建立完全根据实际干燥过程，依据烟煤的性质而建立数学模型，是很难实现的。

目前对于干燥过程数学模型的研究基本上都是基于以下的基本方法：根据基础理论，对实际情况做出一定的简化，得出干燥过程模型的基本方程。本章建立的数学模型也采用这一方法。首先根据质量守恒、动量方程和能量守恒关系建立烟煤粉颗粒传质和传热的基本方程。在建立一维干燥数学模型时，改变以往采用颗粒表面蒸发的假设，而考虑蒸发表面随着干燥进程的变化而变化，将煤内部进行干燥区域的划分，以煤蒸发界面为界，将煤粉颗粒分为蒸发界面外部的干区和蒸发界面内部的湿区两个不同区域。

在干区内，空气填充在多孔介质（煤粉颗粒）的间隙中，水分以气态形式（水蒸气）存在于空气中。在干湿区截面，空气处于饱和状态，此时的湿度最大为100%。随着半径的增大，湿度逐渐减少，最终与空气的湿度一致。正是由于湿度梯度（半径方向）的存在，水蒸气源源不断地从干湿区界面扩散到（颗粒外的）空气中。

而在湿区，多孔介质（煤粉颗粒）的间隙被液态水均匀填充。湿区内温度和液态水均匀分布，不存在湿度的概念。由于水蒸气不断扩散到（颗粒外的）空气中，所以湿区内的液态水越来越少、蒸发界面（即干湿区界面）逐渐向颗粒内部转移、湿区的半径也越来越小，如图1所示。

图1　煤粉颗粒干燥一维数学模型

当界面移到煤粉颗粒中心时，颗粒最终得以干燥。由于干区考虑传热传质，湿区只考虑传热，而且两区域共享的蒸发界面的位置随干燥过程不断向颗粒内部推进，因此干燥过程是湿区和干区通过动态蒸发边界相耦合的过程。

2　单煤粉颗粒传热干燥模型基本假设

通过上述对干燥过程的分析，针对干区、湿区的模型划分，同时基于空气干燥的特点，对整个单颗粒烟煤干燥过程的模型进行以下基本假设，以保证模型基本符合物理过程。

1）颗粒为各向同性的球体。

2）煤的水分均看作存在于多孔介质中的水分，水分在颗粒中呈自由状态。因而在煤蒸发过程中，煤的含水部分，即湿区可看作一个半径不断收缩的液滴，其界面因蒸发进行而不断内移。

3）空气与煤粉颗粒不反应。

4）湿区内温度和水分均匀分布。

根据上述的思想和假设提出算法，用MATLAB编写程序，计算不同工况下的空气和煤粉颗粒的温度历程。

3　不同工况下的温度历程结果

3.1　煤粉颗粒粒径对风粉温度历程的影响

图2表示在典型工况：风煤比为2∶1、颗粒初始温度100℃、空气初始温度300℃以及煤粉水分2%时，不同粒径的煤粉颗粒及对应空气的温度随时间变化的历程曲线。在该工况下，30 μm颗粒从与高温空气接触到风粉温度平衡时间只有不到2 ms；100 μm颗粒的风粉温度平衡时间为15ms左右；1 mm颗粒的风粉温度平衡时间约为1.4 s。在工况一定的情况下，颗粒粒径能影响风粉温度平衡的时间，但对最终的平衡温度无影响。

图2　不同粒径的煤粉颗粒在典型工况下的温度历程

图3表示3个典型粒径的风粉温度平衡所需时间，在横坐标为对数坐标情况下，时间与粒径成直线关系，也就是说，随着粒径的减小，风粉温度平衡所需时间成指数递减。

在中速磨煤机运行时风环处的平均粒径大于100 μm，按比较极端情况（磨煤机风环处平均粒径100 μm）进行计算，该粒径的风粉温度平衡时间只有约15 ms。相比颗粒在磨煤机内的停留时间，该时间可以忽略不计。所以认为在风粉接触瞬间即完成干燥和传热过程，后续的研究不再考虑该极短时间对CO析出的影响。

图3　风粉温度平衡时间与煤粉颗粒粒径的关系

3.2　初始风温对风粉温度历程的影响

计算的初始风温即对应磨煤机的入口一次风温。图4表示在典型工况下（风煤比为2∶1、颗粒初始温度为100℃、煤粉颗粒水分为2%及煤粉颗粒粒径为 100 μm），3个典型入口风温（280℃、300℃、320℃）时的风粉温度变化历程。图5表示3个典型入口风温所对应的平衡温度。可见，入口风温越高，平衡温度也越高。这是因为入口风温越高，总的热量越大，平衡前后的总热量是相等的，所以平衡后温度也越高。平衡温度与入口风温呈线性关系。

图4　不同入口风温对应风粉混合温度历程

图5　入口风温与平衡温度的关系

3.3　水分对风粉温度历程的影响

图6表示在典型工况下（一次风初始温度为300℃、煤粉颗粒初始温度为95℃、风煤比为2∶1及煤粉颗粒粒径为100 μm），3个典型煤粉颗粒水分（2%、10%、20%）时的风粉温度变化历程。图7表示3个典型煤粉颗粒水分所对应的平衡温度。煤粉颗粒水分越大，则干燥所需热量越多，平衡温度越低。平衡温度与煤粉颗粒水分成负线性关系。

从图7中还可以看出，在煤粉颗粒水分为20%时，其平衡温度并不是煤粉颗粒在整个传热干燥过程的最高温度。也就是说，煤粉颗粒经历先升温，后降温的过程。这是因为煤粉颗粒的水分含量高时，干燥过程结束时间晚于传热平衡时间，所以煤粉颗粒先被高温空气加热，随后由于剩余的水分蒸发，降低自身温度。