燃煤电厂制粉系统提效及磨机内矿物质返料控制对节能减排的协同作用

Coal was and is going to be a main energy in our primary energy consumption, especially in the power production of China. In fire power generation, about 5%-10% of total power generated in our country is consumed by power generators themself. The fuel pulverizing system contributes the most of the fraction. In addition, pyrite and other mineral matters, which continuously circulate and accumulate inside the mill, not only cause energy lose as well, but affect the mill wearing, make slag formation on the boiler liner, and produce SO2 emission. The applied program will conduct the fundamental research of laboratory tests of coal breakage properties, execute the coal grinding and energy saving experiments on a pilot scale mill system, investigating the law of mineral matters' accumulation and migration inside the mill, carry out the sampling and analysis on the samples taken on-line from a commercial scale mill to study the mill processing and to set up the mathematical models, as well, deal with the gas-solid multi-phase fluid dynamics and the numerical simulation of the mill. The energy saving and emission reduction of the fire power plant will be studied by this project. The coordinating action on improving efficiency of grinding and removing the minerals from the system will be theoretically accomplished.

在我国能源消费结构中，特别是电力生产中煤炭将长期占据主导地位。燃煤电厂发电过程中，约有5%-10%的总发电量被其自身设备消耗，其中制粉系统的破碎性能对能耗影响最大。此外，制粉系统磨机中不断循环、积累的黄铁矿等矿物质成分不仅也造成能量损失，还造成磨机研磨部件的磨损、锅炉内衬结渣，以及增加SO2等污染气体的排放量。2010年我国火电厂平均发电耗煤335克/千瓦时，高于300克/千瓦时的发达国家平均水平，火电机组SO2等污染气体排放量也高于世界平均水平。本课题通过实验室煤炭破碎特性及磨机破碎性能基础研究、半工业性装置煤炭研磨降耗试验和煤粉中矿物质成分积累迁移规律研究、工业性磨机实时采样分析及煤炭研磨破碎过程数学建模，以及磨机内流场气-固多相流体动力学研究与数值模拟，研究电厂制粉系统节能与减排机理，探讨燃煤电厂提高效率及磨机中矿物质成分控制对节能减排的协同作用。

近年，煤炭占我国一次能源消费总量的70%左右，其中超过50%煤炭用于发电。制粉系统约消耗2%的燃煤电厂总发电量；黄铁矿等矿物质的循环研磨使其面临磨辊磨损、构件腐蚀、污染气体排放和系统能耗偏高等问题。2015年我国燃煤电厂平均发电煤耗为315克/千瓦时，较世界先进水平的280克/千瓦时还存在一定差距；单位电量的二氧化硫等污染气体排放高于世界平均水平。为提高制粉系统效率，降低能量消耗和环境污染，本课题旨在通过煤炭破碎特性和分级行为的基础研究，颗粒粉碎过程的降耗试验，煤粉分离器内复杂气固多相流数值模拟，工业磨机开孔采样试验，追踪矿物质累积迁移规律并探讨循环负荷控制对节能减排的协同作用。项目执行期间，借助实验室自制辊磨装置和煤粉分离器，完成了颗粒研磨和分级特性的基础研究。建立了包含颗粒粒度、灰分参量的破碎模型，分析了矿物成分从研磨初始到稳定期间在各粒级产物中的累积和迁移规律；研究了燃煤破碎能量效率对粒度和灰分的响应，揭示了煤与矿物质的混合研磨机理，优化破碎模型并建立了计算混合破碎中各相分配能量的数学模型。基于双欧拉法的两相流模型和基于欧拉-拉格朗日法的离散相模型模拟煤粉分离器内部流场参数分布和颗粒运动轨迹，得到了与实验室分离器分离结果相匹配的流场参数。全面探索了不同粒度、密度颗粒分离效率随风量变化的响应机制。通过全粒级实验，明确了颗粒的密度性质对分离效率影响的显著性。在国际上首次完成了对工业MPS型中速磨煤机开孔改造和内部节点物料的采集。在数质量平衡基础上，揭示了矿物质在磨机内的累积迁移规律，发现了煤粉在分离器分级中的“鱼钩效应”现象，探索了各操作条件对煤粉分离器分级行为和磨机运行效率的影响。基于模拟装置试验的和工业E型、MPS型磨机采样试验，提出了对比分析两类磨机能量效率的数学模型。制定了研磨—分级—分选一体化制粉工艺；综合运用了主动脉动气流等干法分选工艺去除循环负荷中的矿物质，研究揭示了矿物质去除后循环负荷灰分以及循环倍率降低对降低能量消耗，提高破碎效率的影响；并评估了黄铁矿等有害矿物质去除对减少二氧化硫排放的环境效益。