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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
1 前言
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厂的一个问题。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。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，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。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。
2 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2000kg/m3以内），接近甚至高于建筑用混凝土石子的密度（约2700kg/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，远远低于文献规定的排放值6.27MJ/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。
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。
3 磨煤机数值模拟
3.1 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，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。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RNGk-ε模型，近壁区的处理采用壁面函数法。设定一次风道進口为入口边界，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（discretephasemodel，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。
3.2 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。
4 结束语
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。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。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。
参考文献
[1]王赛.中速磨煤机的特点与运行分析[J].现代制造技术与装备，2018（09）：163+165.
[2]刘晨晓.中速磨煤机风环结构优化数值模拟研究[D].浙江大学，2017.
[3]陈理帅.中速磨煤机石子煤排放优化研究[D].浙江大学，2015.
[4]王晓霞，李继留，谢泽林，赵卫东.中速辊式磨煤机运行问题分析[J].能源工程，2014（04）：81-86.
[5]朱宪然，赵熙，赵振宁，张清峰.基于数值模拟方法的中速磨煤机石子煤排放研究[J].热力发电，2010，39（11）：37-40.
关键词：中速磨煤机；石子煤；实验室分析；数值模拟；喷嘴环
1 前言
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厂的一个问题。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。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，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。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。
2 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2000kg/m3以内），接近甚至高于建筑用混凝土石子的密度（约2700kg/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，远远低于文献规定的排放值6.27MJ/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。
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。
3 磨煤机数值模拟
3.1 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，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。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RNGk-ε模型，近壁区的处理采用壁面函数法。设定一次风道進口为入口边界，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（discretephasemodel，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。
3.2 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。
4 结束语
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。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。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。
参考文献
[1]王赛.中速磨煤机的特点与运行分析[J].现代制造技术与装备，2018（09）：163+165.
[2]刘晨晓.中速磨煤机风环结构优化数值模拟研究[D].浙江大学，2017.
[3]陈理帅.中速磨煤机石子煤排放优化研究[D].浙江大学，2015.
[4]王晓霞，李继留，谢泽林，赵卫东.中速辊式磨煤机运行问题分析[J].能源工程，2014（04）：81-86.
[5]朱宪然，赵熙，赵振宁，张清峰.基于数值模拟方法的中速磨煤机石子煤排放研究[J].热力发电，2010，39（11）：37-40.