中速磨煤机的石子煤特性研究_朱宪然

第 30 卷 第 23 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol 30 No 23 Aug 15 2010 2010 年 8 月 15 日 Proceedings of the CSEE 2010 Chin Soc for Elec Eng 67 文章编号 0258 8013 2010 23 0067 06 中图分类号 TK 223 文献标志码 A 学科分类号 470 10 中速磨煤机的石子煤特性研究 朱宪然 赵振宁 张清峰 华北电力科学研究院有限责任公司 北京市 西城区 100045 Research on Pulverizer Rejects Characteristics for Medium Speed Mill ZHU Xian ran ZHAO Zhen ning ZHANG Qing feng North China Electric Power Research Institute Co Ltd Xicheng Distrct Beijing 100045 China ABSTRACT The characteristics of pulverizer rejects such as density calorific values and ash component were tested in the laboratory for the ZGM95 medium speed mill which indicates that the apparent and inherent characters of pulverizer rejects are quite different under different working conditions The inner flow fields in the medium speed mill were numerically simulated by employing the commercial code of FLUENT The results show that the static pressure and the flow rate at each nozzle ring are different from those of others due to the primary air entering the mill only from one side The simulation validates that the air velocity at the nozzle ring is the highest and is an important factor to affect the discharging of the pulverizer rejects In the range of simulated conditions more pulverizer rejects will be discharged when increasing the size or the density while few pulverizer rejects can be discharged when the pirmary air flow is quite large The reconstruction suggestions were provided for the medium speed mill according to the simulated results KEY WORDS medium speed mill pulverizer rejects laboratory test numerical simulation nozzle ring 摘要 对 ZGM95 型中速磨煤机排放的石子煤进行了密度 发热量和灰成分的实验室化验分析 发现不同工况下排放的 石子煤在外观和物性上都存在较大差别 利用 FLUENT 程 序对中速磨煤机内的流场进行模拟 结果显示 由于一次风 是从磨煤机一侧吹入 导致不同喷嘴环处的入口静压和流量 呈不均匀分布 模拟验证了喷嘴环处的风速最高且是影响石 子煤排放的一个重要因素 在模拟工况范围内 随着石子煤 粒径和密度的增大 石子煤的排放量也越来越多 而在风量 较大的情况下 石子煤的排量基本很少 根据数值模拟结果 对中速磨煤机目前存在的问题提出了若干改造建议 关键词 中速磨煤机 石子煤 实验室分析 数值模拟 喷 嘴环 0 引言 受到经济性和安全性的影响 石子煤排量一直 是困扰我国采用中速磨煤机直吹式制粉系统电厂 的一个问题 1 首先 由于我国电厂实际燃用的煤 种多变且与设计煤种有较大区别 石子煤的成分千 差万别 且其排放过多或过少往往引起磨煤机着火 或严重磨损等问题 2 3 其次 虽然我国电厂开展了 许多针对中速磨煤机喷嘴环的改造 4 7 但是由于现 有技术手段尚无法实现磨煤机内流场尤其是喷嘴 环处流场的测量 因此这些改造往往只依靠工程经 验而无法得到量化的精确结果 国外学者已经尝试 着使用数值模拟方法进行磨煤机内部流场的研究 如Vuthaluru 8 9 和Chatzilamprou等 10 利用FLUENT 软件 Bhasker 11 利用 TASCFlow 软件模拟了简化后 的中速磨煤机内的气固两相流场 然而这些研究仍 集中于煤粉的流动与分离过程 极少涉及到石子煤 的流动与排放 国内学者也将数值模拟在电厂诸多 方面进行了研究与应用 12 13 但尚未涉及到制粉系 统的模拟 因此 无论国内还是国外 石子煤成分 和排放特性的研究数据极其缺乏 给石子煤的排放 控制带来困难 本文针对上述研究不足 选取一台 ZGM95G 型中速磨煤机作为研究对象 采集了不同工况下的 石子煤样本并进行了详细的化验分析 填补了国内 石子煤研究数据的不足 利用 FLUENT 程序及离散 相模型进行了磨煤机内气 固两相流场的数值模拟 计算 得到了石子煤的排放规律 本文的研究可为 电厂中速磨煤机的运行和改造提供参考 1 石子煤化验分析 本文收集了我国华北某电厂同一机组 不同 68 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 ZGM95 型磨煤机在不同时段排放的大量石子煤试 样 经过初步筛选形成了 7 份较有代表性的石子煤 样本 从外观观察 7 份样本的粒径和质地都有较 大差别 直径约从几 mm 到几 cm 不等 有煤矸石 也有掺杂的石块 同时也有部分碾磨过的煤粉颗 粒 由于所选磨煤机的工况相差并不太大 而石子 煤样本从外观上就表现出如此大的区别 在一定程 度上说明由于我国国内电厂存在着煤质变动较大 较频繁等情况 石子煤已不再仅仅是传统认识上的 煤矸石 而是混杂了石块等多种物质 需对其重新 认识和探讨 本文对所采集的石子煤样本进行了密度 收到 基发热量及灰成分的实验室分析 由于真相对密度 反映了分子空间结构的物理性质 故本文化验的是 石子煤的真相对密度再换算为实际密度值 表 1 和 2 分别给出了具体分析结果 可以看到 不同工况 下排出的石子煤密度存在一定的差异 都高于通常 煤矸石的密度 一般在 2 000 kg m3以内 接近甚至 高于建筑用混凝土石子的密度 约 2 700 kg m3 这 表明磨煤机所排放的石子煤中乃至原煤中存在着 较多的石块 对磨煤机的运行会有较大影响 而石 子煤试样的低位发热量值都非常低 远远低于文 献 14 规定的排放值 6 27 MJ kg 但是根据采集时的 统计石子煤的排放量却均已远远超过了中速磨煤 机额定出力 0 05 的规定值 表 1 石子煤密度和发热量实验室分析结果 Tab 1 Densities and heating values of pulverizer rejects 样本编号真相对密度密度 kg m3 低位恒容发热量 MJ kg 1 2 52 2 520 2 43 2 2 62 2 620 2 55 3 2 65 2 650 2 10 4 2 69 2 690 2 16 5 2 92 2 920 2 06 6 3 06 3 060 1 83 7 3 36 3 360 2 26 表 2 石子煤灰成分实验室分析结果 Tab 2 Ash component analysis of pulverizer rejects 样本编号 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 SO3 P2O5 K2O N2O Aar FCar Var 1 53 84 32 71 7 16 1 50 0 65 0 86 0 90 0 10 0 81 0 15 78 79 5 04 15 47 2 46 06 30 78 12 87 2 68 1 26 1 00 1 94 0 20 0 76 0 16 77 92 5 08 16 50 3 47 78 31 69 10 52 2 64 1 04 0 98 1 92 0 19 0 74 0 18 79 59 4 15 15 66 4 47 07 24 01 14 62 4 02 2 15 0 82 2 24 0 27 1 12 0 68 79 42 4 37 15 60 5 50 82 21 90 13 66 3 64 2 08 0 78 2 26 0 29 1 48 0 99 82 21 3 22 13 97 6 38 34 19 81 26 98 3 79 1 94 0 64 3 78 0 26 0 90 0 28 78 48 3 02 18 10 7 33 82 17 09 33 47 3 59 2 00 0 48 4 18 0 28 0 79 0 26 77 53 3 33 18 75 从灰成分化验结果可以看出 石子煤中灰分的 质量百分比非常高 其中 SiO2 Al2O3 Fe2O3的含 量最高 这表明石子煤中乃至原煤中铁 铝的含量 较高 是石子煤密度和硬度均较高的主要原因 目 前许多电厂为了控制石子煤排放量 都采取直接减 小喷嘴环通流面积的方法 这些无法分离出来的石 子煤都将被最终磨成颗粒 铁含量的增多势必会增 加磨煤机的碾磨电耗 同时 如果此类石子煤进入 炉膛燃烧 对锅炉效率 除尘器和捞渣机性能等都 有一定影响 2 磨煤机数值模拟 2 1 数值模型 ZGM95G 型中速磨煤机内部结构较为复杂 本 文在建立中速磨煤机模型时进行了简化 如图 1 所 示 模型由入口一次风道 一次风室 喷嘴环及上 部的流通空间组成 为减少计算量 模型并未包括 磨煤机顶部的分离器 并对磨辊处的内部结构进行 入口风道 一次风入口 上部空间 出口 一次风室 喷嘴环 Z XY 图 1 ZGM 磨煤机数值模型 Fig 1 Numerical model of ZGM medium speed mill 了简化 模型的尺寸与磨煤机实际尺寸一致 其中 共有 36 个喷嘴环 根据位置将此 36 个喷嘴环编号 其中正对一次风入口方向的为 1 号喷嘴环 以俯视 磨煤机时顺时针方向依次为 2 36 号磨煤机 喷嘴 环模型和位置编号如图 2 所示 使用 Gambit 软件对模型进行三维多块网格划 分 由于喷嘴环处几何造型较为复杂 采用了混合 型网格并进行了加密处理 其他部分均使用 6 面体 网格 网格总数约为 160 万 由于在磨煤机内一次 第 23 期 朱宪然等 中速磨煤机的石子煤特性研究 69 1 号喷嘴环 18 号喷嘴环 27 号喷嘴环 9 号喷嘴环 一次风 入口 图 2 喷嘴环结构示意图 Fig 2 Sketch of nozzle rings 风与煤粉的混合和传热 传质过程基本上发生在喷 嘴环之上的位置 而本文的目的主要是研究喷嘴环 处的流场对石子煤排放的影响 故为简化计算 本 文的数值模型只进行磨煤机内的流动模拟 不进行 传热模拟 将磨煤机内的一次风流动视作不可压 缩 定常湍流流动 湍流模型采用了对近壁区处理 更为精确的RNG k 模型 近壁区的处理采用壁面 函数法 设定一次风道进口为入口边界 使用质量 流量边界条件 出口为上部筒体的向上出口面 出 口边界设为outflow条件 FLUENT中 离散相模型 discrete phase model DPM 用于模拟体积比例小于10 12 的固相流 动 在中速磨煤机内 气相一次风所占的体积百分 比要远高于固相石子煤的体积比 且固相是以离散 颗粒的形态存在 故本文采用DPM模拟石子煤的 排放情况 模拟时 先计算气相场即一次风的流动 再计算固相场即石子煤的流动 2 2 气相模拟结果 根据收集的磨煤机运行参数 本文选定中速磨 煤机具有典型性的60 80 100 出力3种运行 工况作为模拟研究工况 3种模拟工况的具体参数 及在FLUENT中设定的参数如表3所示 表 3 模拟工况参数 Tab 3 Parameters for simulated working conditions 工况 一次 风量 t h 适合 煤量 t h 一次 风压 Pa 一次 风温 一次风 密度 kg m3 工况 1 50 33 40 8 000 230 0 710 工况 2 60 30 33 9 000 230 0 714 工况 3 70 35 41 9 000 230 0 714 以工况2的模拟结果为例 图3给出了一次风 进入磨煤机后的典型流线 其中图3左侧的色柱图 代表磨煤机内一次风速度的大小 可以看到 一次 风进入磨煤机后首先在一次风室内均匀混合 然后 进入喷嘴环 由于喷嘴环形状为倾斜向上 因此一 次风在流过喷嘴环后呈现旋转上升的趋势 喷嘴环 处的流通截面积最小 故其位置处风速最大 如图 3所示 一次风室内的风速约为20 28 m s 而喷嘴 环处风速则高达75 m s左右 这表明喷嘴环处的风 速是影响中速磨煤机石子煤排放的一个主要因素 此结论与现场的运行经验相符 由于一次风是从磨 煤机一侧吹入 且由入口风道至一次风室的流动是 一个突扩的过程 因此 入口风道与一次风室相交 处左右2侧不可避免地出现了2个小型漩涡 如图 3中漩涡1和漩涡2所示 一次风从磨煤机一侧吹 入并由此产生的2个漩涡对磨煤机的性能影响很 大 因为这意味着一次风室内的一次风静压是不均 匀的 也即36个喷嘴环入口处的静压是不均匀的 图4给出了36个喷嘴环入口处的静压分布图 可 以明显地看到其不均匀分布 其中6号和31号喷 嘴环压力最低 在入口一次风压为9 kPa时 喷嘴 环入口静压基本处于7 8 kPa左右 压力较低的喷 嘴环区域也正是图3中漩涡1和漩涡2出现的位置 喷嘴环位置 漩涡 2 漩涡 1 一次风 入口 一次风速 m s 81 0 77 0 72 9 68 9 64 8 60 8 56 7 52 7 48 6 44 6 40 5 36 5 32 4 28 4 24 3 20 3 16 2 12 2 8 10 4 05 0 Z XY 图 3 磨煤机内一次风典型流线示意图 Fig 3 Sketch of typical streamlines in mill 18 号喷嘴环 静压 Pa 8 60 103 8 46 103 8 32 103 8 18 103 8 04 103 7 90 103 7 76 103 7 63 103 7 49 103 7 35 103 7 21 103 7 07 103 6 93 103 6 79 103 6 65 103 6 51 103 6 37 103 6 23 103 6 09 103 5 96 103 5 82 103 5 68 103 5 54 103 5 40 103 5 26 103 5 12 103 1 号喷嘴环 31 号喷嘴环 6 号喷嘴环 9 号喷嘴环 27 号喷嘴环 图 4 喷嘴环入口的静压分布 Fig 4 Pressure contours at nozzle ring inlet 由于喷嘴环入口的一次风静压分布不均匀 故 流经36个喷嘴环的一次风流量也各不相同 3个工 况下的模拟结果在流场分布和喷嘴环流量分布上 有相同的规律 图5给出了3个工况下36个喷嘴 环处流量的分布 可以看到 6号喷嘴环和31号喷 嘴环附近区域是2个低流量区 其他喷嘴环的流量 基本处于同一水平 而流量最小的喷嘴环其流量比 70 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 工况 3 工况 2 工况 1 0 60 0 50 0 40 0 30 0 4 8 12 1620 24 28 32 36 喷嘴位置号 质量流量 kg s 图 5 3 种工况下各喷嘴环质量流量分布 Fig 5 Mass flow distributions of nozzle rings under different working conditions 其他喷嘴环低1 3左右 对比图3中漩涡1和漩涡 2出现的位置 可以发现漩涡正是造成2个低流量 区的主要原因 低流量区的存在也意味着该区域一 次风携带煤粉和石子煤的能力较低 从这2个区域 落向一次风室的石子煤比其他区域更多 2 3 固相模拟结果 由于在磨煤机内石子煤占的体积比例极低 故 在利用DPM进行固相模拟时 并未考虑固体颗粒 与气相场之间的耦合关系 为了更为真实地模拟磨 煤机内的固相场 本文考虑了湍流脉动性对粒子轨 迹的影响 采用随机轨道模型跟踪颗粒的轨迹 在 DPM中设置固相射入面时 与实际情况相近 以 喷嘴环上方一个有一定锥度的环形面作为射入面 在DPM中该射入面为cone型 由于石子煤在磨煤 机内的运行随机性较强 难以精确描述某单个石子 煤颗粒的运动轨迹尤其是从哪个喷嘴环落入一次 风室 因此 在模拟过程中本文选取了足够多的固 体颗粒 观察其运动的统计规律 本文中固体颗粒 的数目选择为105 并将其简化为一定直径的球形 颗粒 如果颗粒能通过喷嘴环下落到一次风室内 则认为其属于被排出的石子煤 根据石子煤密度的 实验室分析结果 本文模拟时选用的石子煤密度为 2 5 103 3 5 103 kg m3 图6给出了部分固体颗粒在射入磨煤机后的典 型运动轨迹 图中颜色代表固体颗粒的编号 可以 看到 在喷嘴环后由于一次风为旋转向上 故固体 颗粒的运行趋势也是旋转向上的 多数固体颗粒在 射入磨煤机后很快即被一次风携带出磨煤机 有少 数则经过喷嘴环落入一次风室而成为石子煤 另 外 在喷嘴环上方的一个环形区域内 还有极少量 的固体颗粒长时间在此做周向的旋转运动 对比磨 煤机实际的内部结构 此区域大致对应磨煤机的回 煤导流环的位置 由于流场不均匀 此区域形成了 图 6 磨煤机内典型固相颗粒运行轨迹 Fig 6 Typical pathlines of solid particles in mill 一个类似于涡流区的往复流动 根据现场经验 中 速磨煤机回煤导流环上方筒体往往发生严重的磨 损现象 15 而模拟的结果表明此区域确实有少量固 体颗粒与筒体碰撞 磨损 验证了煤粉或石子煤是 此处发生实际磨损的主要原因 图7给出了3个工况下不同密度 不同直径的 1014182226 30 34 38 42 46 石子煤直径 mm a 一次风量为 50 t h 对应表 3 中的工况 1 石子煤排出比率 100 80 60 40 20 0 密度为 2 5 103 kg m3 密度为 2 8 103 kg m3 密度为 3 0 103 kg m3 密度为 3 3 103 kg m3 密度为 3 5 103 kg m3 1014182226 30 34 38 42 46 石子煤直径 mm b 一次风量为 60 t h 对应表 3 中的工况 2 石子煤排出比率 100 80 60 40 20 0 密度为 2 5 103 kg m3 密度为 2 8 103 kg m3 密度为 3 0 103 kg m3 密度为 3 3 103 kg m3 密度为 3 5 103 kg m3 1014182226 30 34 38 42 46 石子煤直径 mm c 一次风量为 70 t h 对应表 3 中的工况 3 石子煤排出比率 100 80 60 40 20 0 密度为 2 5 103 kg m3 密度为 2 8 103 kg m3 密度为 3 0 103 kg m3 密度为 3 3 103 kg m3 密度为 3 5 103 kg m3 图 7 3 种工况下石子煤排放率曲线 Fig 7 Discharging rates of pulverizer rejects under different working conditions 第 23 期 朱宪然等 中速磨煤机的石子煤特性研究 71 固体颗粒落入一次风室的比率 可以看出 在粒径 较小的情况下固体颗粒基本上都能被一次风携带 出磨煤机 而随着粒径的增加 排出石子煤的量也 逐渐增多 固体颗粒直径较大时 密度对石子煤排 放量的影响逐渐显著 此时密度越大 石子煤排出 的量越多 这表明 在研究中速磨煤机石子煤排放 的时候 有必要对石子煤的成分以及密度 粒径等 物理参数进行化验和检测 以便准确地评价和分析 石子煤的排量情况 2 4 中速磨煤机改造建议 本文的模拟可精确分析石子煤的排放 对中速 磨煤机的改造具有极为现实的指导意义 1 模拟结果显示 由于一次风是从磨煤机一 侧吹入且在一次风室内形成漩涡 故不同喷嘴环的 入口静压和流量均有不同 针对此问题则可对磨煤 机一次风入口进行改造 如改变由磨煤机一侧正向 吹入为由两侧或多侧沿磨煤机筒体的切向吹入 或 者是在一次风室内加装挡板等装置 以使流场均 匀 在进行减小喷嘴环面积的改造时 可优先考虑 封堵流量小的几个喷嘴环等 当然 具体的改造方 案还需由进一步的模拟优化结果确定 2 模拟结果显示 石子煤排放的多少不仅与 喷嘴环处的风速有重要关系 还与石子煤本身的物 理特性如密度 粒径等密切相关 由此可知 现场 进行石子煤排放优化控制时 在确定风量下 应注 意首先检测石子煤的物理特性 以便精确控制合适 的一次风量 再有针对性地开展喷嘴环通流面积改 造等工作 3 模拟结果显示 磨煤机内有易发生磨损的 部位 并指明了具体位置 根据结果可对磨煤机内 相应区域进行防磨处理 如加装防磨衬板等 3 结论 本文以ZGM95型中速磨煤机为对象 采集了 不同工况下的多个石子煤样本 并进行了实验室化 验分析 利用FLUENT程序及其DPM进行了磨煤 机内的一次风和石子煤模拟 通过化验分析和数值 模拟 可得到以下结论 1 由于国内电厂确实存在着煤质变动较大较 频繁等情况 所采石子煤样本无论外观还是化验分 析都存在较大差别 这表明目前国内电厂的石子煤 已不仅仅是传统认识上的煤矸石 而是混杂了石块 等多种物质 本文的石子煤实验室分析结果丰富了 我国石子煤研究的数据 2 由于一次风从磨煤机的一侧吹入 因此造成 36个喷嘴环处的入口静压和流量不均匀 流量最小 的喷嘴环的流量比其他喷嘴环低1 3左右 3 模拟结果表明喷嘴环处风速最高 验证了 喷嘴环处的风速是影响中速磨煤机石子煤排放的 一个主要因素 4 在粒径较小的情况下磨煤机内的固体颗粒 基本上都能被一次风携带出磨煤机 而随着粒径的 增加 排出石子煤的量也逐渐增多 石子煤直径较 大时 密度对石子煤排放量的影响逐渐显著 此时 密度越大 石子煤排出的量越多 5 根据数值模拟结果 可有针对性地对中速 磨煤机开展喷嘴环改造 风室改造以及防磨处理等 工作 以使磨煤机的石子煤排放更加合理 参考文献 1 王丽英 大型锅炉中速磨煤机运行的主要问题和对策 J 电站系 统工程 2002 18 1 11 15 Wang Liying Main problem and countermeasure of medium speed coal pulverizer for large boiler J Power System Engineering 2002 18 1 11 15 in Chinese 2 肖杰 HP 磨煤机出力过低的原因分析 J 华中电力 2008 2 46 48 Xiao Jie The investigation on the renson limited HP mills rate J Central China Electric Power 2008 2 46 48 in Chinese 3 籍文豪 李道林 王国华 RP 型碗式中速磨煤机石子煤特性试验 研究 J 发电设备 1991 9 6 12 Ji Wenhao Li Daolin Wang Guohua Experimental study on the pulverizer rejects characteristics of RP bowl medium speed mill J Power Equipment 1991 9 6 12 in Chinese 4 吴宝富 降低 HP 系列磨煤机石子煤排放率改造 J 华北电力技 术 2003 5 16 17 Wu Baofu Improvement for reducing gangue discharge rate in HP pulverizer J North China Electric Power 2003 5 16 17 in Chinese 5 沈天发 提高 RP 型中速磨出力和石子煤的排放 J 华东电力 1996 8 29 31 Shen Tianfa Increasing capacity of RP medium speed mill and discharging of pulverizer rejects J East China Electric Power 1996 8 29 31 in Chinese 6 肖永辉 高殿臣 MPS 255 中速磨煤机喷嘴环改造 J 热力发电 2007 36 12 90 91 Xiao Yonghui Gao Dianchen Retrofit of nozzle ring for MPS 255 medium speed coal mill J Thermal Power Generation 2007 36 12 90 91 in Chinese 7 李棋 华能福州电厂一期石子煤控制系统改造 J 电力设备 2006 7 12 82 84 Li Qi Retrofit of control system of rejected coal in Huaneng Fuzhou power plant 1st phase project J Electrical Equipment 2006 7 12 82 84 in Chinese 8 Vuthaluru H B Pareek V K Vuthaluru R Multiphase flow simulation of a simplified coal pulveriser J Fuel Processing Technology 2005 72 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 86 11 1195 1205 9 Vuthaluru R Kruger O Abhishek M et al Investigation of wear pattern in a complex coal pulveriser using CFD modelling J Fuel Processing Technology 2006 87 8 687 694 10 Chatzilamprou I G Youds M W Tierney M J et al Flow prediction in a pneumatically fed impact pulveriser C Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Indust