周 旋，靳智平，谷沁洋

（山西大學(xué)動(dòng)力工程系，山西太原 030013）

褐煤鍋爐中速磨制粉系統(tǒng)干燥出力計(jì)算

周 旋，靳智平，谷沁洋

（山西大學(xué)動(dòng)力工程系，山西太原 030013）

褐煤是我國火力發(fā)電的常用燃料，常選擇中速磨煤機(jī)進(jìn)行磨制。為保證中速磨煤機(jī)有較好的干燥出力，根據(jù)熱力學(xué)第一定律建立磨煤機(jī)磨制煤粉時(shí)的熱平衡方程式，并計(jì)算某種褐煤在不同負(fù)荷下的磨煤機(jī)熱平衡，得到磨煤機(jī)干燥出力的主要影響因素為進(jìn)入磨煤機(jī)的干燥劑流量及溫度，并對(duì)選擇的兩種不同磨煤機(jī)進(jìn)行干燥出力對(duì)比，計(jì)算結(jié)果表明干燥劑初溫與風(fēng)煤比呈現(xiàn)為近線性關(guān)系，根據(jù)結(jié)果擬合得到的曲線可為磨煤機(jī)干燥出力及爐膛煤粉燃燒調(diào)整提供依據(jù)，具有較為實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

高水分褐煤；制粉系統(tǒng)；熱平衡；干燥出力

0 引言

我國能源結(jié)構(gòu)富煤少油，近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及人民生活水平的提高，人均電力及能源消費(fèi)等都有大幅提升，2014年我國原煤開采量達(dá)到38.6億t，其中用于發(fā)電的原煤比例達(dá)到66%。盡管目前新能源發(fā)展較為迅速，可以減緩化石能源的使用壓力，但依據(jù)目前能源使用狀況及發(fā)展趨勢(shì)，在今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位不會(huì)動(dòng)搖[1-2]。

褐煤是我國火力發(fā)電較為常用的燃料，儲(chǔ)量豐富，其特點(diǎn)為收到基水分高、含硫量不均、揮發(fā)分較高、發(fā)熱量多為中低熱值、灰熔融點(diǎn)高等[3-4]，因此磨煤機(jī)在磨制褐煤時(shí)要考慮煤粉的干燥。

目前，磨煤機(jī)根據(jù)磨煤部件的轉(zhuǎn)速分為：低速磨煤機(jī)、中速磨煤機(jī)、高速磨煤機(jī)[5-6]。燃用褐煤的鍋爐制粉系統(tǒng)有兩種配置方式，一是風(fēng)扇磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，二是中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，應(yīng)用較為廣泛的是中速磨煤機(jī)[7-8]。常用的中速磨煤機(jī)的型式有輥盤式磨煤機(jī)、輥碗式磨煤機(jī)、輥環(huán)式磨煤機(jī)以及球環(huán)式磨煤機(jī)，這4種磨煤機(jī)的磨煤原理基本類似，最主要區(qū)別就是研磨部件的結(jié)構(gòu)各不相同。

1 中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡

某鍋爐為超臨界直流爐，單爐膛，π型布置，尾部雙煙道，配有7臺(tái)中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)1層燃燒器，燃燒器切向布置，燃用煤種為褐煤。

磨煤機(jī)只能起到磨制煤粉的作用，其不具備干燥能力，但送入到磨煤機(jī)的高溫氣體可以干燥煤粉，因此干燥出力主要由熱風(fēng)來實(shí)現(xiàn)。通過建立磨煤機(jī)的熱平衡，計(jì)算分析干燥劑出口的溫度，判斷該中速磨煤機(jī)的干燥出力是否達(dá)到要求[9]。熱平衡的建立方法是磨煤機(jī)工作時(shí)煤粉和熱空氣輸入系統(tǒng)的熱量與最終出口帶走的熱量及消耗熱量保持一致。對(duì)于不同的中速磨，熱平衡的建立原則都是相同的，區(qū)別在于磨煤機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱不同[10]。本文利用中速磨煤機(jī)的熱平衡計(jì)算公式[11-12]，分析該制粉系統(tǒng)磨制褐煤時(shí)是否滿足煤粉干燥要求。逐個(gè)分析進(jìn)入到磨煤機(jī)的熱量以及磨煤機(jī)出口風(fēng)、粉帶走的熱量，建立熱平衡關(guān)系式。

1.1 輸入磨煤機(jī)的熱量

磨煤機(jī)輸入的熱量包括原煤物理熱、熱空氣帶進(jìn)去的熱量、密封風(fēng)的熱量、磨煤機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。計(jì)算時(shí)所取公式中關(guān)于熱量的計(jì)算都是單位質(zhì)量工質(zhì)的熱量。輸入磨煤機(jī)的總熱量計(jì)算公式

式中：qazj——熱空氣的熱量，kJ/kg；

qmac——磨煤機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱，kJ/kg；

qm——密封風(fēng)的熱量，kJ/kg；

qc——原煤的熱，kJ/kg。

qazj、qmac、qm、qc的計(jì)算公式分別為

式中：qazj——干燥劑的比熱容，kJ/（kg·℃-1）；

t1——干燥劑的初始溫度，℃；

g1——干燥劑的流量，kg/kg。

式中：Kmac——磨煤機(jī)熱損耗；

e ——磨煤機(jī)單位耗電量，kW·h/t。

式中：cm——密封風(fēng)的比熱容，kJ/（kg·℃-1）；

tm——密封風(fēng)的初始溫度，℃；

Qm——密封風(fēng)流量，kg/kg。

式中：cc——煤粉的比熱容，kJ/（kg·℃-1）；

tc——煤粉的初始溫度，℃；

BM——煤粉燃燒量，kg/s。

1.2 最終工質(zhì)帶走及消耗的熱量

磨煤機(jī)最終狀態(tài)輸出熱量包括：蒸發(fā)原煤水分時(shí)水分吸收的熱量、熱空氣以及煤粉帶走的熱量、設(shè)備的散熱損失。最終狀態(tài)帶走及消耗的熱量計(jì)算

式中：qev——蒸發(fā)原煤中水分時(shí)消耗的熱量，kJ/kg；

qaz2——干燥劑帶走的熱量，kJ/kg；

qc2——煤粉帶走的熱量，kJ/kg；

q5——設(shè)備散熱損失，kJ/kg。

qev、qaz2、qc2、q5的計(jì)算公式為別為

式中：cH2O——水蒸氣的比熱容，kJ/（kg·℃-1）；

tc——煤粉的初始溫度，℃；

ΔM——煤粉干燥蒸發(fā)的水蒸氣量kg/kg。

式中：caz2——干燥劑的干燥煤粉后比熱容，kJ/（kg·℃-1）；

t2——干燥劑的終溫度，℃。

式中：cc2——煤粉干燥后的比熱容，kJ/（kg·℃-1）；

t2——煤粉干燥后溫度，℃；

BM——煤粉燃燒量，kg/s。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，上文分析得到的輸入熱量及輸出熱量應(yīng)滿足式（11）。

由式（11）可算出進(jìn)入磨煤機(jī)的干燥劑即熱空氣的流量及溫度、一次冷風(fēng)及熱風(fēng)的配比等，同時(shí)還應(yīng)綜合考慮中速磨運(yùn)行時(shí)的安全性、經(jīng)濟(jì)性等要求。磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度太高容易發(fā)生爆炸事故，出口溫度太低則煤粉干燥不夠，不易點(diǎn)燃。通過磨煤機(jī)干燥出力的計(jì)算，制定合理、安全的磨煤機(jī)出、入口工質(zhì)溫度。

2 制粉系統(tǒng)干燥出力計(jì)算分析

對(duì)于褐煤鍋爐中速磨直吹式制粉系統(tǒng)而言，影響制粉系統(tǒng)出力的因素較多，包括磨煤機(jī)出力、煤粉細(xì)度、磨制后煤粉的水分、磨煤機(jī)入口干燥劑溫度等等。本文主要為了分析褐煤鍋爐制粉系統(tǒng)干燥出力的影響因素，在計(jì)算中所用的褐煤全水分為34%，空干基水分含量為14.98%，設(shè)定煤粉細(xì)度R90取35%，這樣可以保證良好燃燒。本文計(jì)算在不同負(fù)荷下兩種磨煤機(jī)的干燥出力，分別為帶靜態(tài)分離器的碗式磨煤機(jī)，名義直徑代號(hào)120，帶3個(gè)磨輥（下文簡(jiǎn)稱“HP1203型磨煤機(jī)”）和輥盤直徑為2 250 mm的引進(jìn)型輥盤式磨煤機(jī) （下文簡(jiǎn)稱“MPS225HP-II型磨煤機(jī)”），計(jì)算結(jié)果如下。

圖1為2臺(tái)磨煤機(jī)干燥劑溫度與風(fēng)煤比關(guān)系變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)這兩種型式的磨煤機(jī)在不同負(fù)荷下都呈現(xiàn)出隨著風(fēng)煤比的增大干燥劑溫度降低的變化趨勢(shì)，兩者變化關(guān)系近似線性關(guān)系。為了使磨煤機(jī)出口溫度滿足設(shè)定的要求值，可以調(diào)節(jié)干燥劑的溫度以及流量大小。因此影響制粉系統(tǒng)干燥出力的主要因素就是干燥劑溫度與干燥劑流量。

圖1 HP1203型和MPS225HP-II型磨煤機(jī)干燥劑溫度與風(fēng)煤比關(guān)系曲線

圖2 HP1203型和MPS225HP-II型磨煤機(jī)干燥劑溫度與空預(yù)器出口溫度比較

圖2為2臺(tái)磨煤機(jī)干燥劑溫度與空預(yù)器出口溫度比較?？梢钥闯鯤P1203型磨煤機(jī)的各工況點(diǎn)的溫度差距都較明顯，其中最小也達(dá)到了7℃，考慮到熱風(fēng)從空預(yù)器出口到磨煤機(jī)入口有一定的溫降，當(dāng)保溫措施做好以及調(diào)節(jié)冷風(fēng)流量，7℃的溫降是在可控范圍之內(nèi)。相比之下MPS225HP-II型磨煤機(jī)的溫差都不到3℃，實(shí)現(xiàn)起來難度和成本較大，因此通過熱平衡計(jì)算，HP1203型磨煤機(jī)的干燥出力明顯優(yōu)于MPS225HP-II型磨煤機(jī)。

3 結(jié)論

建立中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡的計(jì)算公式，根據(jù)公式分別計(jì)算HP1203型和MPS225HP-II型這兩種型號(hào)的磨煤機(jī)在不同負(fù)荷下運(yùn)行不同臺(tái)數(shù)時(shí)的磨煤機(jī)出力，分析計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論。

a）影響制粉系統(tǒng)干燥出力的主要因素是干燥劑流量及溫度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬合得到的曲線可以為調(diào)整磨煤機(jī)干燥出力提供理論依據(jù)。

b） 計(jì)算兩種不同型號(hào)的磨煤機(jī)的干燥出力，通過計(jì)算結(jié)果的比較，來選擇較為合適的磨煤機(jī)，在保證磨煤機(jī)安全的前提下，調(diào)整干燥劑的溫度以及流量，從而達(dá)到磨煤機(jī)磨制褐煤時(shí)的干燥要求。

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Analysis on the Orying Capacity of Medium Speed Coal Pulverized System for Lignite-fired Boilers

ZHOU Xuan,JIN Zhiping,GU Qinyang

(Power Engineering Department,Shanxi University,Taiyuan,Shanxi 030013,China)

Lignite is the common fuel for power plant in our country and it is usually pulverized bymedium speed coal pulverizer. Toensure themedium speed pulverizer tohavebetter drying capacity,thermalbalanceequation isestablished according to the first law of thermodynamics.A certain kind of lignite thermalbalance under differentpulverizer load is calculated.The resultsshow that the important factors influencing the drying capacity are the desiccantquality entering the pulverizer and its initial temperature.Two kinds of pulverizer are compared in termsofdrying capacity and it is found that the initial temperature of the desiccanthas linear relationship with the air/coal ratio.Based on the trend between desiccant temperature and air/coal ratio from the results,the furnace can adjust combustion situation for more efficiency.

highmoisture lignite;coalpulverizingsystem;thermalbalance;drying capacity

TK223.25

A

1671-0320（2016）03-0057-04

2016-01-28，

2016-04-13

周 旋（1984），女，吉林長(zhǎng)春人，2013年畢業(yè)于重慶大學(xué)動(dòng)力工程與工程熱物理專業(yè)，碩士，助教，從事火電廠優(yōu)化調(diào)整教學(xué)工作；

靳智平（1962），男，山西太原人，1983年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)熱能動(dòng)力裝置專業(yè)，碩士，教授，從事電廠汽輪機(jī)以及潔凈煤技術(shù)的教學(xué)和研究工作；

谷沁洋（1988），男，山西太原人，2013年畢業(yè)于重慶大學(xué)動(dòng)力工程與工程熱物理專業(yè)，碩士，助教，從事火電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及優(yōu)化調(diào)整教學(xué)工作。