王實(shí)樸，李殿新，羅 偉，裘 星，于海鵬

(煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013)

0 引 言

近年來國內(nèi)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(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)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(diǎn)，國內(nèi)的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)經(jīng)過近十幾年的發(fā)展與探索，技術(shù)趨于成熟[1]。

工業(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)可分為11個(gè)子系統(tǒng)，其中煤粉燃料的供給單元(供料器)是煤粉儲供子系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其燃料輸送的穩(wěn)定性、均勻性，都會對下游燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生影響。螺旋輸送機(jī)作為常用的粉料輸送設(shè)備已廣泛應(yīng)用，而在工業(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)中，螺旋輸送機(jī)不僅可以當(dāng)做系統(tǒng)尾部固體粉狀廢料的輸送設(shè)備，并且通過精細(xì)化制造、局部改良后配合文丘里管，還可作為優(yōu)秀的工業(yè)煤粉鍋爐的燃料供給設(shè)備(螺旋供料器)[2]。中間倉是煤粉儲供系統(tǒng)的一部分，用于將儲倉排出的煤粉(進(jìn)入供料器前)松散化、流態(tài)化，并通過稱重實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行時(shí)煤粉的實(shí)時(shí)計(jì)量功能，保證供料器穩(wěn)定、均勻地接受煤粉，從而使供料器向下游輸送煤粉時(shí)更加穩(wěn)定均勻。

在工業(yè)煤粉鍋爐的燃料儲供系統(tǒng)中，螺旋供料器通常與中間倉(也叫緩沖倉)配合使用。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，螺旋供料器上游的稱重粉倉受料時(shí)，鍋爐內(nèi)煤粉燃燒波動增大，使鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性變差[3-4]。本文通過分析螺旋輸送機(jī)工作特征，以及物料在稱重倉內(nèi)的流動狀態(tài)，以能量守恒定律與動量定理為理論基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，尋求解決方案。

1 螺旋供料器的工作特征

在工業(yè)煤粉鍋爐的燃料儲供系統(tǒng)中，螺旋供料器采用螺旋桿拉(或推)送物料至一次風(fēng)管，為保證燃燒穩(wěn)定應(yīng)使混有煤粉的一次風(fēng)盡可能均勻,實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間、單位體積一次風(fēng)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(fēng)粉比的因素為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量、螺旋下料量的穩(wěn)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(nèi)，通過螺旋桿旋轉(zhuǎn)使物料沿螺旋桿方向運(yùn)動[5],螺旋葉片間物料的填充率是影響螺旋桿運(yùn)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(zhuǎn)速對螺旋桿吃料量的影響、物料運(yùn)輸過程的實(shí)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(rèn)為其轉(zhuǎn)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(tài)之間)。供料螺旋輸送能力按照J(rèn)B/T 7679—2008《螺旋輸送機(jī)輸送量計(jì)算方法》執(zhí)行，且保證終端填充系數(shù)達(dá)1.05～1.15。輸送量計(jì)算公式為

(1)

其中，G為螺旋輸送機(jī)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(shí)體螺旋S=0.8D，帶式螺旋S=D；n為螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；φ為煤粉填充系數(shù)，螺旋輸送機(jī)入口處填充系數(shù)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(jī)的傾鈄度系數(shù)，C=0.9(5°)、0.8(10°)、0.7(15°)。填充系數(shù)應(yīng)為計(jì)算所取螺旋葉片導(dǎo)程內(nèi)的填充系數(shù)，螺旋中任意段導(dǎo)程的輸送量理論上相等[6]。

由于細(xì)煤粉物料的物理特性，實(shí)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(chǎn)生影響。煤粉中間倉落料時(shí)，鍋爐燃燒波動較大，供料器透氣布袋振動明顯；推測落料時(shí)，由星型卸料閥卸出煤粉在中間倉內(nèi)做自由落體運(yùn)動，對中間倉底部煤粉產(chǎn)生沖擊，改變螺旋桿吃料堆密度，從而改變下游風(fēng)粉管道中的風(fēng)粉比，本文將這種現(xiàn)象稱為落料沖擊。

2 落料沖擊的模型及簡單計(jì)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(jìn)入螺旋供料器，如圖1所示。鍋爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上位機(jī)實(shí)時(shí)對中間倉整體稱重，設(shè)定倉內(nèi)煤粉上、下限，中間倉內(nèi)煤粉達(dá)到下限時(shí)開始由煤粉儲倉供料，達(dá)到上限時(shí)停止供料，整個(gè)過程中間倉底部持續(xù)通過鍋爐供料器排料[7-8]。

圖1 中間倉-供料器設(shè)備Fig.1 Intermediate storehouse-feeder equipment

根據(jù)動量定理有

mv=Ft(2)

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

式中，m為星型卸料閥每轉(zhuǎn)卸煤粉的質(zhì)量，kg；v為煤粉到達(dá)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(shí)間，s；g為重力加速度，m/s2；h為下落距離，m；

根據(jù)式(2)、(3)可得

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

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

受料開始時(shí)

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

受料結(jié)束時(shí)

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

中間倉開始受料時(shí)，物料面沖擊力為0～824 N，整個(gè)受料過程后減至698 N，此沖擊力向下傳導(dǎo)，導(dǎo)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(wěn)定燃燒。根據(jù)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(yùn)動完全轉(zhuǎn)化為煤粉到達(dá)底部時(shí)的動能，所以要減少煤粉對倉內(nèi)已有物料面的沖擊力。由式(4)可知，F(xiàn)與h、m正相關(guān)，因此，采用傘帽結(jié)構(gòu)來改善。

3 緩沖方式

在中間倉內(nèi)部沿煤粉下落路徑設(shè)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(zhuǎn)化為摩擦勢能消除，相當(dāng)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(shí)分散下落，減少了沖擊物料面每轉(zhuǎn)卸煤粉的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)了固定傘帽和旋轉(zhuǎn)傘帽。

3.1 固定傘帽

固定傘帽結(jié)構(gòu)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(tài)休止角及下落沖量，圓錐表面角度設(shè)計(jì)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(gè)過程煤粉經(jīng)過2次斜面(圓錐傘帽斜面和料倉錐斗內(nèi)壁斜面)，均可將煤粉下落的部分動能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of the fixed umbrella cap

圖3 旋轉(zhuǎn)傘帽Fig.3 Schematic of a revolving umbrella cap

3.2 旋轉(zhuǎn)傘帽

旋轉(zhuǎn)傘帽結(jié)構(gòu)如圖3所示。旋轉(zhuǎn)傘帽是在固定傘帽的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)帶動傘帽旋轉(zhuǎn)，利用傘帽斜面緩沖物料下落速度的同時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)將物料均勻散開，沿料倉內(nèi)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(zhuǎn)傘帽及固定傘帽的應(yīng)用

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

通過鍋爐控制室上位機(jī)獲得的爐膛負(fù)壓波動實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線發(fā)現(xiàn)，中間倉未加裝傘帽時(shí)，負(fù)壓波動存在2種不穩(wěn)定狀態(tài):① 存在約2 min的長周期有規(guī)律波動；② 在約30 s的短周期內(nèi)，振幅波動范圍12.5%～20.0%。中間倉加裝固定傘帽后，爐膛負(fù)壓短周期振幅波動沒有明顯改善；中間倉加裝旋轉(zhuǎn)傘帽后，爐膛負(fù)壓的長周期和短周期振幅波動均有所改善。由實(shí)際運(yùn)行時(shí)的爐膛負(fù)壓曲線判斷，中間倉加裝傘帽后，供料穩(wěn)定性確有改善，爐膛負(fù)壓波動減弱，且長周期內(nèi)波動范圍更穩(wěn)定，說明傘帽對供給鍋爐煤粉堆密度的穩(wěn)定起到了積極作用。

表1鍋爐運(yùn)行煤粉基本指標(biāo)
Table1Basicindexesofpulverizedcoalforboileroperation

指標(biāo)粒度Mt/%Vdaf/%Ad/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)w(St,d)/%煤灰熔融性軟化溫度/℃技術(shù)要求0.074 mm通過率98%≤5.0≥30.00≤15.00≥23.00≤0.6≥1 150試驗(yàn)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(shè)計(jì)時(shí)其最大直徑需小于中間倉內(nèi)徑600～700 mm。當(dāng)煤粉堆積高度達(dá)到固定傘帽時(shí)，由于粉體不能像液體一樣流動，物料無法進(jìn)入圓錐傘帽內(nèi)部而導(dǎo)致空間的浪費(fèi)，在鍋爐運(yùn)行過程中由于中間倉容積的減小導(dǎo)致卸料頻率增加，而傘帽無法完全消除落料沖擊現(xiàn)象，所以在長周期范圍內(nèi)增加了供料波動的不穩(wěn)定性。

煤粉在落到旋轉(zhuǎn)傘帽圓錐面之后，在離心作用下被甩到倉壁，使得倉內(nèi)空間被充分利用，相比固定傘帽對中間倉內(nèi)容積的影響較小。但從加工和使用角度，電機(jī)帶動傘帽旋轉(zhuǎn)，涉及到傳動體系的動平衡問題，傘帽圓錐體直徑約800 mm，轉(zhuǎn)動時(shí)錐體外沿線速度(轉(zhuǎn)速60 r/min)為2.5 m/s，如果傳動不穩(wěn)定，將會對傳動軸、軸承、密封等部件產(chǎn)生過量磨損，使得傳動系統(tǒng)不能長期穩(wěn)定運(yùn)行，增加維護(hù)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(zhì)量；② 若傘帽表面的突起、凹槽或開孔不均勻，轉(zhuǎn)動時(shí)會產(chǎn)生偏心。實(shí)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(jī)構(gòu)同時(shí)也增加了維護(hù)檢修的工作量，增加了隱含的故障點(diǎn)。

經(jīng)過加裝2種傘帽之后鍋爐運(yùn)行效果均有所改善，但減弱爐膛負(fù)壓波動效果有限，同時(shí)旋轉(zhuǎn)傘帽對加工精度、中間倉結(jié)構(gòu)及后期維護(hù)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(shí)降低制造維護(hù)成本，避免使用動設(shè)備，提出第3種方案，即固定傘帽加導(dǎo)流板，如圖4所示。

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

5 結(jié) 論

1)根據(jù)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(zhì)量決定，高差越小、單位物料質(zhì)量越小，物料下落對倉內(nèi)物料面的沖擊力越弱。在倉內(nèi)增加傘帽以減少煤粉物料下落的高差，同時(shí)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(zhì)量，使倉內(nèi)物料面受到的沖擊力減弱，有利于倉底排料堆密度的穩(wěn)定。

2)實(shí)踐證明，中間倉內(nèi)增加傘帽對穩(wěn)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(zhuǎn)傘帽雖然比固定傘帽的效果更佳，但綜合考慮實(shí)際制造以及維護(hù)成本，其性價(jià)比不高。固定傘帽由于其固定的高度導(dǎo)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(nèi)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(nèi)壁之間形成架拱。所以在固定傘帽的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，以減少傘帽直徑、增加流經(jīng)斜面的數(shù)量、設(shè)置不同高度的斜面以最大程度適應(yīng)不同高度的物料面為原則，提出固定傘帽加導(dǎo)流板的方案。

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