本发明属于燃煤发电技术领域，涉及燃褐煤电站锅炉的制粉系统与燃烧系统领域，尤其涉及一种褐煤干燥管具体长度确定方法。
背景技术：
褐煤是一种储量丰富的化石能源，约占世界煤炭资源总储量的40％，且往往具有埋藏深度浅、开采成本低的优点。我国的褐煤资源储量丰富，分布广泛，但受制于褐煤的高水分，对褐煤资源的利用程度相对较低。高水分含量不仅严重降低了褐煤的热值、增加了运输费用，而且给褐煤的应用带来了诸多的问题。因此，使用褐煤前需要对其进行干燥提质处理，去除其中60～70％的水分，提高其单位质量的热值，改善其燃料特性。但由于褐煤同时具有挥发分含量高的特点，在褐煤的干燥过程中，如果干燥过度，挥发分成分可能会发生大量析出，产生制粉系统爆炸的危险。为了高效和安全地利用褐煤资源，解决褐煤的干燥脱水问题是基本的必要前提条件。
在燃煤电力机组中，煤炭的干燥过程主要是在制粉系统内完成的。在我国，燃用褐煤的电厂大多采用风扇磨煤机对煤粉进行研磨，相应配备有三介质干燥系统对煤粉进行干燥，属于典型的封闭式系统。我国《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》(DL/T 5145—2005)中规定：当采用高水分褐煤，宜采用高(低)温烟气与热风混合的二介质或三介质作为干燥剂。其中，三介质干燥系统是指用高温炉烟、低温炉烟和热风作为干燥介质，对经过风扇磨煤机研磨的褐煤颗粒进行干燥的系统。这一系统对各干燥介质的温度范围有一定的要求：高温烟气一般在1050～1155℃，热风温度一般在250～350℃，低温烟气一般在80～170℃。从炉膛顶端抽出的高温烟气和尾部烟道抽出的低温烟气和热风在混合罐中进行混合，褐煤从给煤机的输煤皮带输送至下行干燥管，干燥介质在下行干燥管内同向对褐煤进行干燥。干燥过程中，由于褐煤的含水量不同，干燥介质温度也要随之调整，高低温炉烟和热风所占的比例也就不同。
褐煤中水分存在形式可分为三种：外表水、毛细水和结合水。褐煤中水分的脱除和煤的粒度组成、煤种、煤岩组成等因素有重要关系，干燥介质和干燥物料间的顺流和逆流运动对干燥速率会产生影响，干燥介质本身的性质如温度、流速以及煤样的厚度等都会对干燥速率产生影响。
目前我国国内的锅炉相关标准及研究文献中，均未对风扇磨三介质干燥系统下行干燥管长度设计方法予以详细介绍，导致一直以来对于下行干燥管长度的设计基本都是以经验作为依据，而没有一个明确的设计标准。但褐煤颗粒在下行干燥管中的干燥过程与系统的安全性和可靠性严重相关：若下行干燥管设计过长，容易使褐煤干燥过度，不但煤炭会灰化，而且挥发分会大量析出，容易发生爆炸；如果下行干燥管设计过短，则褐煤干燥不充分，影响锅炉整体热效率，会降低经济性。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种褐煤干燥管具体长度确定方法，能够得到准确的褐煤干燥所需管长，提高精度，防止褐煤干燥不完全或者过度干燥导致挥发分析出。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：
一种褐煤干燥管具体长度确定方法，包括以下步骤：
步骤一：建立褐煤颗粒在干燥管中干燥过程模型；
步骤二：获得褐煤颗粒物性参数以及干燥介质参数；
步骤三：根据步骤二中的参数，由能量守恒计算出干燥用热烟气量和干燥管出口烟气含湿量；
步骤四：由步骤二、三确定在干燥管不同阶段的褐煤颗粒速度；
步骤五：确定干燥平衡时间与粒径之间的经验公式，得到褐煤颗粒在干燥管中的停留时间；
步骤六：根据步骤四得出的不同阶段速度和步骤五得出的时间，得出计算下行干燥管管长的公式，计算干燥管管长。
进一步，所述步骤一干燥过程模型包括预热干燥段模型、恒速蒸发干燥段模型和降速蒸发干燥段模型。
进一步，所述步骤三中由能量守恒计算出干燥用热烟气量和出口烟气含湿量，其中能量守恒包括物料守恒和热量平衡，通过下式求解干燥用热烟气量和干燥管出口烟气含湿量：
G0(ω1-ω2)＝L(Y2-Y1)；
LI1-G0(cm+4.186ω1)tm1＝LI2-G0(cm+4.186ω2)tm2
其中，G0表示煤粉质量流量，单位为kg/h；I1，I2表示进出干燥管气体热焓，单位为kW/(m3·k)；L表示干燥用热烟气体量，单位为kg/h；cm表示比热容，单位为kJ/(kg·℃)；ω1，ω2表示煤粉进出干燥器的含湿量，单位为％；tm1，tm2表示煤粉进出干燥器时温度，单位为℃；Y1，Y2表示进出干燥器空气湿含量，单位为kg/kg。
进一步，所述步骤五中干燥平衡时间与粒径之间的经验公式为：
其中T为温度，τ为时间,T1为初温，T0为平衡温度，A为由实验确定的常数，不同粒径下A的数值基本不变，为3.3，d为颗粒粒径。
进一步，所述步骤四中干燥管各段的速度，具体如下：
颗粒在预热段的速度：从热平衡方程计算出物料温度从tm1提高到湿球温度tw所需要烟气热量Q1；
Q1＝G0(cm+4.186ω1)(tw-tm1)；
其中：tw表示煤粉颗粒湿球温度，单位为℃，从Q1求预热带结束气体温度t，求出该段内气体平均温度tave，进而计算出雷诺数Re，Q1＝L×cp×(t1-t)；
其中，t1，t2表示空气进出干燥气体温度，单位为℃；Re表示雷诺数；ρ表示密度，单位为kg/m3；dp表示煤粉颗粒直径，单位为m；vm表示物料的初始速度，取vm＝0。
代入由积分得出的气固两相间传热关联式，从而反推在要求给热量Q1时有雷诺数Re到Re’的数值；
其中：Ar表示阿基米德准数；A表示干燥器体积中颗粒所具有的传热表面积，单位为m2/m3；λ表示热导率，单位为kW/(m·K)；μ表示动力粘度，Pa·s；
由得相应颗粒速度vg；
颗粒在恒速蒸发段(表面蒸发)的速度：根据实际运行的经验确定降速蒸发段物料含湿量由w到w，间所需要的热量Q’2，利用气流干燥分段计算，以每段出口条件作为下一段入口条件；
L1·cp·(t-t′)＝G0(w1-w)[qm+1.88(t′-tm)]
其中，qm为在tm时的汽化潜能，t’为在湿含量w时空气的温度，单位为℃；
从Q’2求出物料含湿量为w时相应气体温度t，进而得到该段内平均气温tave，及平均湿度Yave，由此可确定气体物性数据，求出该段起始点雷诺数Re数值；
其中(△t)m为传热平均温度差，单位为℃；
式子中的Vm即为褐煤颗粒恒速蒸发段速度；
颗粒在降速蒸发段的速度：根据实际运行的经验确定降速蒸发段物料含湿量由w到w’间所需热量Q3’，由Q3’求气体在该段内平均气温tave，和平均湿度Yave，确定气体物理常数，得出该段沉降雷诺数Ret和速度vt；
L1·cp·(t-t′)＝G0(w-w′)[r+1.88(t′-tm)]
其中vt为煤粉颗粒沉降速度。
进一步，所述步骤六中下行干燥管的长度，由步骤五中得出的干燥时间和每段的颗粒沉降速度来确定
本发明褐煤干燥管具体长度确定方法，通过建立干燥管内褐煤干燥模型；获取褐煤颗粒物性参数以及干燥介质参数；由能量守恒算出干燥用热烟气量和出口烟气含湿量；推算出褐煤颗粒在下行干燥管各段的速度；考虑干燥平衡时间与粒径的平方之间的线性关系，得出褐煤颗粒在干燥管中的停留时间；计算针对不同煤种的下行干燥管具体管长，通过干燥管长度确定公式，能够得到准确的褐煤干燥所需管长，提高精度，防止褐煤干燥不完全或者过度干燥导致挥发分析出。
附图说明
图1本发明的流程图
图2本发明褐煤干燥过程分段曲线图
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
如图1所示，本发明褐煤干燥管具体长度确定方法，包括以下步骤：
步骤一：建立褐煤颗粒在干燥管中干燥过程模型；
褐煤颗粒干燥过程模型为：(1)预热干燥段(2)恒速蒸发干燥段(3)降速蒸发干燥段；
步骤二：获得褐煤颗粒物性参数以及干燥介质参数；
步骤三：根据步骤二中的参数，由能量守恒算出干燥用热烟气量和出口烟气含湿量；
能量守恒包括物料守恒和热量平衡：
G0(ω1-ω2)＝L(Y2-Y1)；
LI1-G0(cm+4.186ω1)tm1＝LI2-G0(cm+4.186ω2)tm2
其中，G0表示煤粉质量流量，单位为kg/h；I1，I2表示进出干燥管气体热焓，单位为kW/(m3·k)；L表示干燥用热烟气体量，单位为kg/h；cm表示比热容，单位为kJ/(kg·℃)；ω1，ω2表示煤粉进出干燥器的含湿量，单位为％；tm1，tm2表示煤粉进出干燥器时温度，单位为℃；Y1，Y2表示进出干燥器空气湿含量，单位为kg/kg。
步骤四：由步骤二、三确定在干燥管不同阶段的褐煤颗粒速度；
颗粒在预热段的速度：从热平衡方程计算出物料温度从tm1提高到湿球温度tw所需要烟气热量Q1；
Q1＝G0(cm+4.186ω1)(tw-tm1)；
其中：tw表示煤粉颗粒湿球温度，单位为℃，从Q1求预热带结束气体温度t，求出该段内气体平均温度tave，进而计算出雷诺数Re，
Q1＝L×cp×(t1-t)；
其中，t1，t2表示空气进出干燥气体温度，单位为℃；Re表示雷诺数；ρ表示密度，单位为kg/m3；dp表示煤粉颗粒直径，单位为m；vm表示物料的初始速度，取vm＝0。
代入由积分得出的气固两相间传热关联式，从而反推在要求给热量Q1时有雷诺数Re到Re’的数值。
其中：Ar表示阿基米德准数；A表示干燥器体积中颗粒所具有的传热表面积，单位为m2/m3；λ表示热导率，单位为kW/(m·K)；μ表示动力粘度，Pa·s；
由得相应颗粒速度vg。
颗粒在恒速蒸发段(表面蒸发)的速度：根据实际运行的经验确定降速蒸发段物料含湿量由w到w，间所需要的热量Q’2，利用气流干燥分段计算，以每段出口条件作为下一段入口条件。
L1·cp·(t-t′)＝G0(w1-w)[qm+1.88(t′-tm)]
其中，qm为在tm时的汽化潜能，t’为在湿含量w时空气的温度，单位为℃。
从Q’2求出物料含湿量为w时相应气体温度t，进而得到该段内平均气温tave，及平均湿度Yave，由此可确定气体物性数据，求出该段起始点雷诺数Re数值。
其中(△t)m为传热平均温度差，单位为℃。
式子中的Vm即为褐煤颗粒恒速蒸发段速度。
颗粒在降速蒸发段的速度：根据实际运行的经验确定降速蒸发段物料含湿量由w到w’间所需热量Q3’，由Q3’求气体在该段内平均气温tave，和平均湿度Yave，确定气体物理常数，得出该段沉降雷诺数Ret和速度vt。
L1·cp·(t-t′)＝G0(w-w′)[r+1.88(t′-tm)]
其中vt即煤粉颗粒沉降速度。
步骤五：确定干燥平衡时间与粒径之间的经验公式，得到褐煤颗粒在干燥管中的停留时间；
考虑干燥平衡时间与粒径的平方之间的线性关系，具体为：
其中T为温度，T1为初温，T0为平衡温度，A为参数，d为颗粒粒径。
步骤六：根据步骤四得出的不同阶段速度和步骤五得出的时间，得出计算下行干燥管管长的公式，计算管长。
下行干燥管管长的公式，具体为：
其中，L表示下行干燥管长度，m；η表示煤颗粒脱水率，单位为％；Mout表示收到基外水含量，单位为％；Mt表示收到基全水含量，单位为％；R1表示当量直径大于1mm的颗粒比例，单位为％；R3表示当量直径大于3mm的颗粒比例，单位为％。
在干燥过程中，由于物料总是具有一定的几何尺寸大小，即便煤粉很细，从微观也可看成是有一定尺寸的颗粒，实际中传热传质过程在热气流与物料颗粒之间和物料颗粒内部的机理不同，在干燥理论上就将传热传质过程分为热气流与物料表面的传热传质过程和物料内部的传热传质过程。由于这两种过程的不同而影响了物料的整个干燥过程，两者在不同干燥阶段起着不同的主导和约束作用，导致了一般湿物料干燥时前一阶段总是以较快且稳定的速度进行，而后一阶段则是以越来越慢的速度进行。如图2所示，根据物料的脱水规律，将整个脱水过程分为了预热段、恒速蒸发段和降速蒸发段，各段之间物料含水量的分界点分别是Xin、Xa和Xb。图2表示了褐煤颗粒在整个干燥脱水过程中，随着干燥管长度的增加物料的含水量和温度之间的关系。
以上所述是本发明的优选实施方式，通过上述说明内容，本技术领域的相关工作人员可以在不偏离本发明技术原理的前提下，进行多样的改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。