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行业知识

生物质燃烧机出口磨损数学模型的建立及其应用

生物质燃烧机出口磨损数学模型的建立及其应用

摘要:生物质燃烧机出口磨损速度决定着其使用寿命。在研究了生物质燃烧机内高速煤粉流对壁面磨损情况后,建立了具有普遍意义的生物质燃烧机磨损预测模型。进一步研究模型得出:生物质燃烧机出口磨损主要与煤粉流量、煤风速度、煤粉粒径、壁面温度、壁面煤粉浓度、出口收缩角、壁面温度等参数及出口材质等因素有关,降低上述参数值及增加出口材质耐磨性等方法能有效减少磨损。由该模型计算出的回转窑生物质燃烧机寿命与实际使用寿命基本吻合,这证明了模型的可靠性。某厂用该模型指导现有生物质燃烧机工作参数的优化,便平均寿命增加了300多天。

引  言

    生物质燃烧机是水泥工业回转窑煤粉燃烧设备,对旋窑正常运行和能耗有决定性影响。近年,在生物质燃烧机结构与性能上做了大量研究,获得了一些具有优良燃烧恃性的多通道生物质燃烧机,满足了窑炉燃烧技术需要‘1.副。由于煤粉气流速度、煤灰含量及出口温度大幅增加,新型生物质燃烧机磨损尤其是出口磨损大幅增加,使用寿命大为缩短。相类似原因,磨损加速同样存在于小型炉的单通道生物质燃烧机上。虽然新型多通道生物质燃烧机,节能显著,然而产品牌,因未对其结构和工作参数优化,加之选材耐磨性较差,致其使用寿命远低于进口产品。生物质燃烧机工作时间过短就更换,经济性降低;过长,则可能磨穿管壁造成停炉。因此,在确保良好燃烧特性同时,通过优化生物质燃烧机结构和工作参数来减少磨损量,以及较准确地预测生物质燃烧机工作寿命,已成为必须解决的技术难题。在材料磨损机理、减磨及提高抗磨性方面做了许多研究,取得了显著成效。关于磨损建模研究,主要集中在机械零件润滑条件下及脆性陶瓷材料、陶瓷瞎粒磨损方面,国内生物质燃烧机磨损研究主要集中在磨损机理和抗磨性能上,偶有模型研究报道,鲜见有较全面定量研究生物质燃烧机磨损预测报道。囚此,研究燃烧器磨损机理,建立其寿命预测模型,有效降低其磨损是十分必要的。

2  生物质燃烧机磨损模型的建立

2.1  Grant&Tabakoft模型及修正

    检查发现,生物质燃烧机出口、底侧部、煤粉人生物质燃烧机连接处磨损相当严重,其它地方磨损较小。研究表明,燃烧器磨损主要由冲蚀磨损、磨粒磨损和表面疲劳磨损综合作用引起,磨粒磨损起主要作用。

    生物质燃烧机磨损量计算十分复杂,它涉及到物理学、物理化学、固体力学、流体力学、传热学、材料力学、金属材料工艺学等学科分支,覆盖表面物理、表面化学、表面力学和流变学等学科,目前尚无完整统一的数学模型对这一现象进行描述‘15.”,比较适合流动煤粉粒子冲击磨损计算的是Grant和Tabakoff提出的磨损模型‘141:在煤粉流量不变条件下,生物质颗粒燃烧机磨损速度随着煤风速度‰增加而增加,其增加速度随喷煤量增大而加快。艿。与‰之间存在非线性关系8芘(‰)‘,喷煤量较小时,厅较小,计算结果与文献[13]结论一致。图2(b)反映了煤粉流量对生物质颗粒燃烧机口磨损影响。随着煤粉流量增加,磨损速度几乎成直线增加,且其增幅随煤风速度增加而加大。出现以上结果的主要原因是由于煤粉速度和浓度增加导致了煤粉颗粒对壁面冲蚀动量加大。由图2(c)知:生物质颗粒燃烧机磨损量随着出口半收缩角妒增加成直线增加。原因是随着妒增加,颗粒与出口璧面碰撞角度增加,有效冲蚀磨损增加。由图2(d)知,生物质颗粒燃烧机磨损量随着煤粉粒径增大而增大

    实际生产中,连续测试生物质颗粒燃烧机壁面磨损厚度随时间变化的数据是比较困难的,可通过测量更换后的燃烧器磨损厚度来间接验证模型的可靠性。模型计算工作寿命步骤如下:(l)多点测量更换下来的生物质颗粒燃烧机磨损厚度。为保证测量数据的可靠性和有代表性,应对测点数据进行必要的数学处理,舍弃不合理数据后,求出平均磨损厚度;(2)根据生物质颗粒燃烧机磨损模型计算磨损速度;(3)根据平均磨损厚度和磨损速度,计算更换时模型寿命。图4是某厂回转窑生物质颗粒燃烧机统计寿命和模型计算寿命比较图。图中统计寿命是指扣除停窑时间后的实际运行时间,模型寿命是根据几何设计参数和正常工作参数(咖=30.G= 4000kg/h,t,。= 60m/s,d,=75 Lcm.D= 200mm)计算得到的。图4中二者最大寿命误差为6.36%,平均误差为3.96%,模型计算值和实测值吻合较好。造两者误差的可能原因是实际工作时生物质颗粒燃烧机工怍参数波动所致。当然模型本身也存在一定误差。

4  提高生物质颗粒燃烧机寿命的途径

4.1  降低生物质颗粒燃烧机出口煤粉喷出速度

    图2(a)所示,在煤粉流量G=4000kg/h条件下,通过增大管径或减少一次风量,将煤风速度从60m/s降至40m/s,生物质颗粒燃烧机磨损速度从艿。=2.4732mm/s降至艿。=0. 73318mm/s,计算寿命增至3.37倍。对单通道生物质颗粒燃烧机而言,煤风速度下降,势必带来人窑后的煤粉气流与高温气流混合速度的减慢,影响煤粉的着火燃烧。多通道生物质颗粒燃烧机成功地解决抗磨性和混合效果之间的矛盾。图5所示的四通道生物质颗粒燃烧机,煤风低速输送煤粉,高速净风(内风、内旋风、外风)起混合、调节作用,这种类型的生物质颗粒燃烧机具有良好的燃烧特性和抗磨损特性。

4.2  降低煤粉颗糙粒径

    减少煤粉颗粒直径能有效地减少生物质颗粒燃烧机出口磨损。图2(d)条件下,粒径由lOOpm降至50 hun,生物质颗粒燃烧机庸掼速虞由3.3417 x10 -7mm/s降至1.6713×10 -7mm/s,磨损速度减少l倍实际生产中在筛余量控制相同情况下,采用闭路粉磨工艺制备煤粉,不仅能有效减少煤粉平均粒径,而且还能显著降低煤的粉磨电耗。粒径控制太小,虽能减少磨损量,但却极大地增加了煤的粉磨电耗。生产中应根据煤的成份、性质及工艺要求,将煤粉粒径控制在合理范围。

4.3增大生物质颗粒燃烧机的直径

    由式(13)知,因d。<_D,磨损速度6。与生物质颗粒燃烧机出口平均直径D成反比,增大直径能有效减少磨损速度,却增加了制造费用,应按经济直径确定。

4.4降低生物质颗粒燃烧机工作温度

    材料硬度随温度增加而降低的特性,导致材料的耐磨性随温度升高而降低。生物质颗粒燃烧机出口因长期受炉内高温气流辐射,裸露的壁端面最高温度可达900—llOO℃[9】,在如此高的温度下,出口磨损速度必将增加,为此,应设法降低出口材料温度。由图3看出,当司太立特N021合金温度从600C降至IOOQC,硬度由200 HRC增至300 HRC,材料的耐磨性增加0.5倍。对生物质颗粒燃烧机出口采用水套冷却和耐火保温浇注料包覆,均能有效降低生物质颗粒燃烧机出口工作温度,增加其使用寿命。因高速喷射的煤粉气流在出口处停留极短及多层结构的热屏蔽作用,煤粉气流降温很小。实际上为避免爆炸,生物质颗粒燃烧机内煤粉气流温度一般控制在150℃以下。

4.5增加材料硬度

    由公式(13)看出,生物质颗粒燃烧机出口材料硬度与生物质颗粒燃烧机寿命成正比。增加出口材料硬度,能有效增加生物质颗粒燃烧机寿命。对生物质颗粒燃烧机进行渗碳、渗硼及渗碳化钨等增加硬度及抗磨性处理,易磨处采用可更换耐磨件设计,均熊有效增加生物质颗粒燃烧机磨损寿命。

4.6减少收缩角

    减少收缩角能有效减少磨损速度。图2(c)所示条件下,当收缩角由60降至30,磨损量由5.3729×10。7mm/s降至2.4732×10'7 mm/s,磨损量减少500/0以上。现在使用的多通道喷煤管,因煤粉气流喷出后与高温气流混合的任务由净风完成,生物质颗粒燃烧机出口收缩角减小甚至扩张,道理就基于此。

4.7选用具有较大弹性模量的材料

    生物质颗粒燃烧机出口耐磨性与材料的综合弹性模量平方成正比。由综合弹性模量表达式知,弹性模量、泊松比增加,综合弹性模量增加。设法增加材料弹性模量和泊松比,能有效增加其耐磨性。例如,当出口材弹性模量和泊松比增加50%时,由模型计算得出,生物质颗粒燃烧机出口寿命增加4.56倍。(煤粉Ei=65MPa,".=0.3,出口材料的E2= 210MPa.叱=0.2)

4.8减少出口煤粉的附璧浓度

    生物质颗粒燃烧机出口抗磨性与其壁面上的煤粉浓度成反比。在出口壁面上设置环风气幕,能有效降低附壁煤粉浓度,提高其耐磨性。该项技术已成功应用高风温无油点火生物质颗粒燃烧机的防磨损、防结焦上[29]。

5  应用实例

    湖南某水泥厂新型干法预热窑使用郑州某机械制造公司生产的某型四通道煤粉生物质颗粒燃烧机,表现出了优良的穷质煤燃烧性能,为企业节省了大量的燃料费用,然而因其抗磨性能欠佳,实际使用寿命只有400多天,后以模型计算寿命和生物质颗粒燃烧机燃烧效率(仿真计算值)为自变量,以最佳经济效益为目标函数,通过对燃烧特性优化设计获得的多组参数进行耐磨性优化设计后,将原燃烧设计获得的工作参数(煤风20一38m/s,内风120 ~170m/s.外风130一350m/8,中=30)调整为双重优化设计下的工作参数范围(煤风20一32m/s,内风:120—240m/s,外风:160—250m/s,币=20并辅之其它抗磨措施,生物质颗粒燃烧机实际使用寿命由.400多天增加到700多天。

6  结  论

    (l)在前人基础上建立了更加全面、实用的生物质颗粒燃烧机出口磨损计算模型,模型的预测寿命与实际使用寿命基本吻合。模型的可靠性和实用性较高。

    (2)由磨损模型分析和应用验证得出:减少风口壁面粉煤颗粒浓度、减少粉煤粒径、降低煤风速度、降低出口半收缩角,加强生物质颗粒燃烧机出口绝热和冷却,提高出口材质硬度和综合弹性模量、减少附壁煤粉浓度等措施能有效减少生物质颗粒燃烧机出口磨损速度;

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点击次数:  更新时间:2017-08-28 20:37:38  【打印此页】  【关闭