燃煤清潔化落料系統的研究與應用

摘要：燃煤轉運通常包括取料、運輸、落料、導料及堆料幾大過程，在這些過程中會產生環境污染、設備損耗、成本提升等問題。文章以國能九江發電有限公司（簡稱九江電廠）燃煤轉運現場為研究對象，針對傳統落料系統中噴粉撒料、粉塵污染等問題，利用三維流體控制技術（CFT）對三期煤倉間轉運站進行燃煤清潔化升級，優化落料系統結構，從粉塵污染的源頭進行治理，取得了良好的效果。

關鍵詞：落料系統；三維流體控制技術；燃煤清潔化；曲線落煤管

中圖分類號：TM621"""""""""" ""文獻標識碼：A"""""" 文章編號：1674-0688（2024）03-0123-04

0 引言

面對清潔能源快速發展的市場環境，燃煤行業亟需轉型。在轉型過程中，燃煤企業應重點關注提高燃煤轉運系統的可持續性，減少煤炭運輸過程中的環境污染。目前，大多數電廠的燃煤轉運皮帶機系統的落煤管、導料槽均設計成方正直筒形，煤料在幾乎垂直的方形頭罩和落煤管里呈無序狀下落至接料皮帶，其速度、沖擊力和方向都無法得到有效控制，導致皮帶粘煤和跑偏、撒料漏煤、粉塵污染以及設備壽命縮短等問題。當前，業界針對燃煤轉運系統的頭部漏斗、三通分料器、落料管和給料匙等落料環節已有部分研究和應用。王冕［1］圍繞燃煤電廠輸煤系統粉塵治理現狀，針對輸煤系統的粉塵來源，提出將傳統落煤管改為曲線落煤管，降低原煤下落速度，防止因撞擊產生更多的粉塵。楊傳銘［2］對曲線落煤管的構成及原理進行研究，提出通過綜合治理的辦法提升粉塵治理的效果 。杜學亮［3］改進傳統落煤管設計，通過“料磨料”減少煤流對設備的磨損。這些研究成果推動了曲線落煤管技術在落料轉運過程中的應用，但受限于技術條件與科技水平，目前的落料轉運系統仍然缺乏技術性變革。隨著燃煤成本的逐年提升，燃煤摻配、降本增效變得越發重要，針對曲線落煤管的燃煤清潔化轉運研究與應用迫在眉睫。本文以國能九江發電有限公司九江電廠燃煤轉運系統的燃煤清潔化升級為例，研究如何提高煤炭的運輸效率、減少煤炭在運輸過程中的損失和粉塵污染。旨在提能降本的同時，確保工作人員的健康。

1 九江電廠燃煤轉運系統現狀分析

燃煤轉運過程中產生大量粉塵和撒煤，不僅造成環境污染，還加大了現場運維的工作量。按照現有的維護工作量，每年對#307皮帶機和碎煤機進行巡檢、清掃工作產生的費用為20萬元，每年檢修皮帶、落煤管、托輥等備件的費用合計30萬元，而且清理頭部滾筒粘煤及搭設腳手架時還存在安全風險。根據現場實地考察和調研，發現如下問題：①原有落煤管、導料槽等設備的設計形式無法滿足輸送系統安全轉運的要求，現場經常堵煤，嚴重影響生產和設備運行的安全性，并且設備腐蝕生銹情況嚴重，已達更換年限；②原有落煤管磨損腐蝕嚴重，造成漏粉、揚塵等現象，污染現場環境；③頭部漏斗、鎖氣器等設備受損嚴重，已多次翻修和整改，設備安全性受到影響；④頭部清掃效果不佳，灑落嚴重，不能達到環保要求；⑤導料槽整體密封性差，特別是尾部密封不嚴，阻尼簾磨損嚴重，出口風速大。

1.1 燃煤轉運過程中揚塵產生的原因

燃煤轉運過程中產生揚塵的主要原因是頭部護罩設計不合理，缺乏有效的抑塵阻尼措施。燃煤從頭部滾筒以一定的速度拋出，料流撞擊護罩內壁的角度較大，伴隨燃煤碎落與碎煤回彈，形成爆炸性揚塵。揚塵與料流產生的高壓誘導風混合后從頭部護罩進料口快速擴散至外部空間，導致輸煤現場粉塵污染嚴重。落料管道呈方正直筒形，具有較大的垂直落差，料流幾乎以自由落體的運動形式砸落而下，在落料點以較大的速度沖擊膠帶，產生大量揚塵與誘導風，撞擊還使膠帶與導料槽出現縫隙，導致揚塵泄漏。在燃煤轉運過程中，煤流顆粒由于長時間的碰撞變得細碎，容易被揚起，而落煤管、導料槽等設備缺乏有效的密封設計，當落料點靠近導料槽尾部且落差較大時，高速的含塵誘導風會從導料槽尾端大量溢出，細碎的揚塵容易進入現場空間［4］。

1.2 落料系統磨損與漏粉產生的原因

由于煤流沖擊時間長，落煤管出現磨損性擊穿，導致落料系統出現磨損與漏粉的問題。傳統落煤管道通常呈方、直型，主要材質為鑄鋼，煤流在落煤管中高速沖撞，對管道內壁產生較大的沖擊，主要接觸部位受到長期、持續地沖擊后，極易導致管道破損，造成粉料與揚塵外泄。同時，具有較大沖擊量的煤流沖擊下方的接料皮帶，使皮帶產生大幅度波動，與導料槽裙板產生間隙，導致漏粉；長時間的沖擊還容易導致皮帶磨損甚至被擊穿，嚴重影響燃煤輸送的進度。此外，由于煤流在落煤管道內缺乏有效的約束，落料不正，極易造成燃煤從皮帶側方撒落。

1.3 輸煤皮帶跑偏與撒料產生的原因

導致輸煤皮帶跑偏的原因比較多，例如：皮帶磨損撕裂、負載運行時截面寬度不一致、皮帶與托輥和滾筒接觸的摩擦力不同，均可導致皮帶跑偏；皮帶硫化導致接頭不平直，高速運轉時皮帶受力不均勻，導致皮帶跑偏；煤流量變化，托輥、滾筒、機架發生故障，導致皮帶跑偏。但是，這些都不是引起皮帶頻繁跑偏和撒料的主要原因，主要原因是傳統落煤管道以方正直筒形為主，料流以近似自由落體的運動形式無規律地拋向輸煤皮帶，鎖氣器配置的鎖氣擋板雖然能在一定程度上約束料流，但是其材質的耐沖擊性和耐磨性不夠，受長時間沖刷后便失去作用，料流落在皮帶的位置不再集中，重心偏移，導致皮帶跑偏，并且跑偏情況嚴重，引發從皮帶側方撒料的風險。

2 燃煤清潔化落料系統研究

九江電廠三期煤倉間轉運站落差高達12 m，落料系統在運行中從#306皮帶頭部落煤管下落的煤對#307皮帶產生很大的沖擊力，此沖擊力加快了#307皮帶的磨損速度；同時，因高速沖擊造成的落煤管磨損速度快、粉塵外溢、皮帶跑偏、噪聲大等現象突出。為緩解三期煤倉間轉運站大落差對#307皮帶帶來的沖擊影響以及由此造成的撒料和粉塵污染，電廠與廈門三燁清潔科技股份有限公司合作，共同研究利用三維流體控制技術（CFT）對落料系統進行燃煤清潔化升級，升級后的燃煤清潔化落料系統（以下簡稱CFT落料系統）可以減輕煤流對整個落煤管的沖擊磨損，最大限度地減少煤流攜帶的誘導風產生的粉塵污染，避免接料皮帶被煤流沖擊損傷，消除堵煤和撒煤現象。

2.1 通過煤流速度控制緩解揚塵

雖然揚塵產生的主要原因是料流沖擊和誘導風攜帶，但是皮帶輸煤產生的誘導風是固定的，因此揚塵治理的主要工作是減少產生燃煤沖擊的環節。雖然理論上落料、接料時料流速度越小越不容易產生沖擊揚塵，但是落煤管狹長且無法自動清料，料流速度過低容易導致落煤管堵塞；因此，合理控制料流速度能在保證輸煤作業穩定運行的同時，最大限度地減少料流沖擊產生的揚塵。CFT落料系統對物料的控制主要集中在對煤流速度的控制上，煤流速度決定了誘導風的大小，因此系統從頭部護罩開始進行設計，控制煤流速度。煤流速度的控制是一個復雜的計算過程，利用CFT落料系統中3款軟件的強大計算能力，結合設計人員的經驗，最終制定出頭部護罩和落煤管的曲線形式。

2.2 減少沖擊損耗與優化耐磨防堵功能

沖擊損耗和管道破損的主要影響因素是料流的沖擊點速度與沖擊角度。沖擊角是指燃煤顆粒運動方向與沖擊處切面方向的夾角，理論上，沖擊角越小越好，因為沖擊角越大對設備和耐磨板的沖擊力就越大，燃煤反彈現象越嚴重，而且過大的沖擊角度不僅對落煤管內部的襯板造成巨大的磨損，還容易造成濕煤堆積和板結，最終引起堵煤現象的發生。燃煤沖擊點速度是指燃煤與落煤管、接料皮帶等接觸瞬間的速度，該速度越小，沖擊力就越小，對相關設備尤其是接料皮帶的沖擊破壞就越小，理論上，該速度越接近皮帶運行速度，燃煤在著陸時與皮帶的相對摩擦力越小，對皮帶的損傷就越小。CFT系統最大的優勢是曲線技術對煤流在轉彎處的處理和控制，以此延長落煤管和膠帶的使用壽命，減少材料消耗。

2.3 根除皮帶跑偏與撒料的源頭

皮帶跑偏與撒料產生的主要影響因素是料流沖擊位置和沖擊角度，即燃煤著陸點與沖擊著陸方向。著陸點越接近皮帶中心越好，可以避免皮帶因落煤點不正而發生跑偏。最理想的沖擊著陸方向是順著皮帶運行的方向，如此，皮帶機消耗的電能最小。通過CFT技術模擬物料運行的軌跡，不僅可以精確控制落料點的位置，保證皮帶受力均勻、不跑偏，還可以較好地控制煤流的沖擊速度與著陸方向，使煤流著陸時與皮帶相對靜止，消除煤流墜落的沖擊，減少出現皮帶跑偏和撒料的問題。合理規劃曲線結構還能消除落煤管的死角，避免沖擊性堵煤的發生。經過CFT技術模擬后，將落煤管進入導料槽部位的鎖氣器更換為更高效的三維集流給料匙，給料匙的過流面采用“U”形結構，下部為收口擴容設計，設計曲線符合平拋運動規律，可以確保煤流被卸載到皮帶運行的中間位置，并且減小煤流對皮帶及相關設備的沖擊。

3 CFT曲線落煤管仿真計算與模擬

3.1 CFT技術原理

CFT技術即對流動物料進行控制的技術，包括兩個核心要素：一是對物料的路徑進行有效控制，讓物料下落在設計好的通道中；二是對物料下滑速度進行有效控制，這需要對無數成束狀高速下滑的顆粒進行計算，而這樣的計算是海量的，涉及物料的摩擦力、剪切力、堆積角、安歇角和重力加速度等參數，缺一不可。在CFT落料系統里，落煤管是物料控制的關鍵環節，物料在頭部集流罩里經過初步收集后，呈束狀進入落煤管，落煤管必須柔性接納到達的物料流。CFT技術清潔化轉運設計包括以下3個階段。

（1）第一階段是測試輸送物料的特性以及計算與皮帶和構造材料有關的界面摩擦值，以確定物料特征及其在物料輸送系統中的表現。在工作中，應對皮帶和物料進行測試，以提供設計需要的數據。這些數據的采集可以幫助設計人員確定本次改造的落煤管的基本曲線軌跡，為3D圖的初步設計奠定基礎。物料特性測試可以幫助決定轉運槽的角度以及在轉運槽內部使用的耐磨材料。

（2）第二階段是把已經成型的3D設計圖的相關參數導入曲線設計軟件Muitsurf，此軟件的功能是對導入的參數進行校驗，其中，對相關沖擊角度和沖擊點速度的檢驗至關重要。在Muitsurf軟件可以清楚、直觀地看到物料在不同沖擊點中的形狀、速度和沖擊角度等主要參數（見圖1），如果發現沖擊角不對，可以及時修正。

（3）第三階段是對現場尺寸和初步設計尺寸的驗證。采用DEM（離散元）技術模擬出一套二維設計圖，并利用3D軟件精準再現轉運槽的三維圖形。將第一階段計算得到的參數用于構建轉運槽系統的3D離散元模型，同時，使用DEM模型方法驗證物料的流動特性。

3.2 軌跡分析與仿真計算

物料軌跡設計決定了曲線落煤管的結構形式，具體的曲線設計計算采用含有參數的泰勒展開式求解，其計算公式為

[x方向：x=3 150×t;y方向：y=500-4 900×t2y方向：x=3 150×t;y方向：y=670-4 900×t2;][t∈（0，2）]""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （1）

其中：[x]為物料運行方向；[y]為垂直物料運行下方向；[t]為物料運動時間；[t∈]（0，2）表示t在0～2 s范圍內。

將公式（1）結合拋物線的參數方程，可以得到沖擊點位置與最小沖擊角，設計最小沖擊角是緩解磨損和杜絕積煤的必要途徑。結合CFT技術的仿真設計，可以計算出物料運動時的角度與軌跡曲線。

落煤管的流通面積可以通過以下公式計算得出：

[A=Q×kγ×v]""""""""""""""""""""""""""" （2）

其中：A為橫截面積，Q為流率，k為轉換因數，γ為散料密度，v為橫截面處的平均物料速度。以#306皮帶輸送機為例，煤流密度為800 kg/m3，皮帶每小時承載1800 t煤流，以每秒鐘4 m的速度運行，轉換因數k=0.278，可計算出煤流的橫截面面積：[A=Q×kγ×v=1 800×0.278800×4.0=0.16（m2）]。連續性計算決定了料流的橫截面，對于確定理想的落煤管尺寸非常重要，有利于將轉運槽制造成本控制在合理范圍內。根據行業標準《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》（DL/T 5121—2000）和CEMA（Conveyor Equipment Manufacturers Association，美國輸送設備制造商協會）的標準，轉運槽的大小應該至少是任何運輸物料的橫截面積的4倍。

3.3 結構設計與仿真模擬

CFT曲線落煤管設備的頭部集料斗及落煤管通過Solidworks 3D軟件設計出合理的空間曲線和異形截面形式，能夠起到有效匯集料流的作用。料流不再像在傳統落煤管中那樣沒有約束，而是緊貼落煤管側壁，充分利用物料之間、物料與設備之間的作用力，控制料流的運動速度，避免料流在落煤管中因堆積、降速掛料而產生堵料現象。給料匙處的料流從落煤管傳遞到輸送帶的瞬間，物料速度與帶速持平，保證平穩落帶，消除了對輸送帶和托輥的沖擊。將給料皮帶參數導入Muitisurf軟件進行初步模擬，再利用DEM軟件詳細分析物料狀態，研究物料粒子的彈性、黏性、塑性、形變等級、流動性以及滑動和膨脹的情況，結合皮帶機的運行參數進行模擬仿真（見圖2）。考慮到實際運行時，煤種多為貧瘦煤及含水量為25%的煤，設計時需針對不同煤種計算出不同物料的參數（堆密度、含水量、黏性等），進行不同物料的仿真模擬驗證，保證落煤管設計截面、下落坡度、轉角角度等設計參數符合2種煤質的物料輸送需求，料流必須平穩，不粘料，不堵料。根據仿真模擬的物料運動軌跡、運動速度、沖擊角度、分布情況，對曲線落煤管3D圖進行相應的修整，修整后再次導入DEM軟件進行仿真模擬，直至DEM仿真模擬結果符合要求。

3.4 CFT曲線落煤管的特點與優勢

CFT曲線設計是很好的物料控制方式，曲線軌跡由電廠的工況和煤流的性質決定，CFT曲線落煤管就是對煤流速度和運動軌跡控制的結果。基于CFT技術設計的3D曲線落煤管技術具有以下優勢：①曲線設計降低了煤流沖擊產生的揚塵，從根源上緩解棧橋工作環境的粉塵污染；②削減了煤流沖擊產生的誘導風，避免高壓誘導風帶起粉塵溢出密封設備；③減少了對管道內壁、輸送帶及導料槽等設備的沖擊和磨損，延長了設備的使用壽命，降低了人工維護成本；④拋物軌跡的設計思路使物料在輸送帶實現相對靜止的安全著陸，避免因沖擊造成皮帶劇烈震蕩及撕裂；⑤集束設計能保障料流對中著陸，避免皮帶出現重載而跑偏，同時避免料流在輸送時從側向撒落；⑥合理的曲線軌跡能保證料流的沖擊速度，避免落煤管道出現沖擊掛煤堵塞和料流緩慢堵塞［3］。

4 結語

本文通過對九江電廠三期煤倉間轉運站進行調研與分析，總結出一套高效、穩定、持久的燃煤清潔化轉運方案。CFT技術的應用使燃煤清潔化落料系統運行的連續性得到保證，實現了穩定、順暢地輸煤，降低了系統的維護成本及生產損失，每年為電廠節約材料費、人工維護費等費用約55萬元。CFT落料系統運行后，電廠現場的粉塵排放量大大降低，在環保要求日益嚴格的大環境中，為電廠綠色、環保發展以及保護職工安全和健康提供了強有力的保障，有助于企業樹立“安全高效、節能環保、價值創造”的綜合能源智慧典范。燃煤清潔化落料系統在行業內具有借鑒意義。

5 參考文獻

［1］王冕.燃煤電廠輸煤系統粉塵治理的研究與探索［J］.內蒙古煤炭經濟，2022（19）：49-51.

［2］楊傳銘.輸煤系統粉塵綜合治理研究［J］.大眾標準化，2023（17）：95-97.

［3］杜學亮.三維曲線落煤管在輸煤系統中的應用［J］.中國高新科技，2022（2）：102-103.

［4］樊艷紅，樊斌，沈廣輝.帶式輸送機效率最優控制［J］.煤礦機械，2010，31（5）：66-69.

【作者簡介】黃天健，男，江西九江人，工程師，研究方向：燃煤系統清潔化運輸；黃曉明，男，江西九江人，工程師，研究方向：燃煤系統清潔化運輸；李旭，男，江西九江人，工程師，研究方向：燃煤系統清潔化運輸。

【引用本文】黃天健，黃曉明，李旭.燃煤清潔化落料系統的研究與應用——以國能九江發電有限公司燃煤落料系統為例［J］.企業科技與發展，2024（3）：123-126.