高水分褐煤流动性离散元数值模拟

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23145

高水分褐煤流动性离散元数值模拟

刘佳¹, 孙佰仲², 高梓维²

1.国能宝清煤电化有限公司运行部，黑龙江省双鸭山市 155600

2.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省吉林市 132000

Discrete Element Numerical Simulation of Fluidity of High Moisture Lignite

LIU Jia¹, SUN Baizhong², GAO Ziwei²

1.Operation Department of Guoneng Baoqing Coal and Electric Chemical Co. , LTD. , Shuangyashan 155600, Heilongjiang Province, China

2.School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132000, Jilin Province, China

收稿日期: 2023-11-13 修回日期: 2024-02-08

基金资助:

吉林省自然科学基金项目. 20210101072JC

Received: 2023-11-13 Revised: 2024-02-08

作者简介 About authors

刘佳(1991)，男，工程师，主要从事锅炉运行、锅炉燃烧调整，gzw13732810461@163.com；

孙佰仲(1973)，男，博士、教授，主要研究方向为生物质及污泥的热转化技术、清洁能源供热技术、能源高效转化及利用技术，本文通信作者，sunbaizhong@126.com；

高梓维(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为生物质燃料燃烧，934985127@qq.com。

摘要

目的由于火电厂实际运行下使用的均为高水分褐煤，输送煤的过程中经常会发生堵塞以及黏附等问题。因此，利用EDEM软件对该问题进行数值模拟分析。方法通过对现场煤样考察分析，模拟过程中主要对煤的粒径、水分以及流动总量进行分析，并探究其对煤的流动性的影响。数值模拟分析后，将流动速度以及颗粒之间作用力进行对比，得到各项因素对煤流动的影响。结果造成堵塞的主要原因如下：首先，煤的粒径过大或过小导致在仓体流动过程中其自身颗粒与颗粒之间发生相对作用；其次，煤在仓体流动过程中，随着煤量增加，其流动状态由整体流动转变为中心流动；最后，煤的含水率是最主要的因素，其不仅影响自身黏附性，还会引起自重的增加，所以水分过大会引起流动缓慢，进而发生堵塞。结论研究结果可为解决燃煤电厂堵煤问题提供理论支持。

关键词： 火电厂 ; EDEM仿真 ; 煤流动性 ; 堵煤 ; 水分 ; 粒径

Abstract

Objectives Due to the fact that the actual operation of the thermal power plant uses high moisture lignite, problems such as blockage and adhesion often occur during coal transportation. Therefore, this article uses EDEM software for numerical simulation analysis based on these problems. Methods Through the investigation and analysis of on-site coal samples, in the simulation process, the particle size, moisture content, and total flow of coal were mainly analyzed, and its impact on the fluidity of coal was exploved. After numerical simulation analysis, the effects of various factors were compared using flow velocity and forces between particles. Results The main reasons for blockage are as follons: firstly, the relative interaction between coal particles during the flow process in the silo is caused by the coal particle size being too large or too small; Secondly, as the amount of coal increases, the flow state of coal in the warehouse changes from overall flow to central flow; The last and most important factor is the moisture content of coal, which not only affects its own adhesion but also increases its own weight. Therefore, excessive moisture can cause slow flow and blockage. Conclusions The research results can provide theoretical support for solving the problem of coal blockage in coal-fired power plants.

Keywords： thermal power plant ; EDEM simulation ; coal flowability ; coal blockage ; moisture content ; particle size

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本文引用格式

刘佳, 孙佰仲, 高梓维. 高水分褐煤流动性离散元数值模拟. 发电技术[J], 2024, 45(5): 969-974 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23145

LIU Jia, SUN Baizhong, GAO Ziwei. Discrete Element Numerical Simulation of Fluidity of High Moisture Lignite. Power Generation Technology[J], 2024, 45(5): 969-974 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23145

0 引言

在火电厂的实际运行中，由于煤质等因素常常会造成堵煤现象，进而引发输煤系统瘫痪，降低安全性，严重时可导致锅炉停机，造成不必要的损失。其主要影响因素是原煤颗粒粒径、温度、水分等^[1]。煤在输送的过程中会处于多种运动状态，不同因素对其影响也各不相同，所以可将煤的流动性作为指标研究煤堵塞的问题^[2]。由于燃煤锅炉原煤仓的材质往往是由厚重的金属制成，特别是其在工作中，仓体总是处于饱和状态，堵煤现象随时可能发生^[3]。

目前国内对颗粒的数值模拟研究比较广泛，但是大多是以简单的颗粒模型进行研究，与真实情况相比有一定的出入。针对这些不足，本文以电厂实际工作中煤仓堵塞为背景，通过对实际煤质进行考察分析，了解相关数据，最后通过EDEM软件对其内部颗粒的状态进行分析^[4-7]，进而得出影响煤颗粒流动的主要因素。

1 EDEM数值计算理论基础

1.1 离散元素法与EDEM软件基本原理

1.1.1 离散元素法基本原理

离散元素法(discrete element method，DEM)是分析与求解复杂离散系统动力学问题的一种新型数值分析方法，其在1971年被首次提出并应用于岩土力学的研究^[8]，主要通过建立固体颗粒模型，对颗粒模型进行相关数据的输入，对近似真实状态下的模拟颗粒进行分析，这样就可以为颗粒、结构、流动状态等一些其他复杂的行为提供一个相对容易的研究路径^[9-13]。其原理是将颗粒散体作为离散单元的集合，通过牛顿第二定律建立每个单元的运动方程，通过迭代求解，不仅可以求出其整体的状态形式，还可以模拟其每个单元间的相互作用，进而优化出更好的方式。

1.1.2 EDEM软件基本原理

EDEM软件是基于离散元法进行模拟分析^[14]，主要由前处理器、求解器与后处理器3个部分组成。前处理器的主要作用是建立几何模型、颗粒模型，以及其他一些全局变量，该阶段属于基础阶段；求解器的主要作用是进行颗粒与其他物体之间的动力学分析计算以及各项指标的计算，该阶段属于运行阶段；后处理器的主要作用是进行最后的分析与整理输出，主要包括图表数据输出以及图片与动画生成^[15-17]，该阶段属于总结分析阶段。

1.2 EDEM模型建立

1.2.1 设置全局变量

首先设置颗粒物质之间的接触模型，主要包括颗粒内部之间以及颗粒与外部之间的关系。采用Hertz-Mindlin(no slip)模型，设置相关的物料属性，取重力加速度为9.81 m/s，由于仓体模型方向为z轴方向，所以重力加速度方向设置为z轴的负向。添加颗粒及几何体的物料参数，具体添加项目类型见表1。添加颗粒与颗粒，颗粒与外部仓体间的接触参数，主要包括一些相关的系数，具体见表2。

表1 材料属性

Tab. 1 Material properties

种类	泊松比	剪切模量/MPa	密度/(kg/m³)
煤	0.3	2.5	750
钢	0.3	10 000	7 850

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表2 材料接触属性

Tab. 2 Material contact properties

接触材料	恢复系数	静摩擦因数	动摩擦因数
煤-煤	0.6	0.5	0.05
煤-钢	0.5	0.4	0.05

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1.2.2 定义颗粒体

在设置完基础参数后，建立颗粒模型。由于实际生活中煤颗粒的形状多变，在软件中建立模型十分繁琐。为了简化计算，采用球形颗粒模拟煤散料颗粒。原型颗粒是由1个或多个球面来定义颗粒的几何特征。本模型把煤颗粒近似为球体，添加多个球体组成新形态，之后可以根据第一步中所设置的颗粒密度计算出各颗粒的质量、体积以及惯性矩，最后在该基础模型的外部生成大的轮廓后，通过向轮廓模型中添加颗粒，使颗粒充满该模型内部，这样通过EDEM软件自身的计算功能可以得出相关的数据与参数。

1.2.3 定义几何体

首先，需要在EDEM的Geometry面板中导入几何模型，如图1所示。其中主要组成部分有仓体、颗粒生成面。根据实际煤仓的设计参数，仿真仓体上侧为8 500 mm方形柱体，中间仓体部分是方形锥体，下侧位置为圆台形体，其收口部分是直径为1 000 mm的圆形，总体高度约为18 900 mm。该仓体结构属性按表1中钢参数进行创造，通过对其输入参数使其具有特有性质，达到实际模拟效果。

图1

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图1 煤仓三维模型示意图

Fig. 1 Schematic diagram of three-dimensional model of coal bunker

1.2.4 创建颗粒工厂

颗粒工厂动态产生颗粒的计数方式有无限个颗粒、颗粒总数量和颗粒总质量3种。本文设置生成的颗粒粒径呈正态分布，半径均值为50 mm。

1.2.5 仿真计算

设定时间步长为14.174 2%，仿真总时间为8 s，其数据每0.01 s输出1次。仿真计算是将仿真区域划分为许多小网格进行的，定义仿真网格尺寸为3倍的颗粒半径，通过输入具体数据为接下来的仿真计算进行铺垫，方便进行数据的计算与提取。

2 结果及堵塞机理分析

通过建立模型、数据输入对其进行仿真计算后，得到煤在流动中的相关规律。如图2所示，仓体内部颗粒的流动状态大致分为2种：一种表现出整体流动状态；另一种表现为中心流动状态。整体流主要体现在下落的过程中，仓内无静止的颗粒，所有煤粒同时向下移动，颗粒与仓壁间也存在相对运动，越靠近仓口的颗粒越早流出，因此，这种整体流动方式的优点就是没有颗粒在煤仓内停留过长时间，但是这样流动容易引起壁面的压力值急剧增加，对仓壁磨损较严重。

图2

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图2 煤仓流动状态示意图

Fig. 2 Schematic diagram of coal bunker flow state

由于本文所研究煤种为高水分褐煤，含水量较高情况下可导致煤自身质量较高，又会增加其黏性程度，所以也会导致在下落过程中产生黏结现象。煤流动除了受本身的动力黏度值的影响外，还受到颗粒与壁面产生的摩擦影响，而产生的摩擦力直接影响到内部颗粒的流动状态，摩擦力在由小变大的过程中，煤流动状态也由整体流动向中心流动转化。通过对卸料过程的模拟分析，由图2可以看出，随着颗粒增加，其主要产生3个状态的流动部分：流动区、滞留区、黏结区，如图3所示，而产生这种分布以及堵塞的原因主要有以下3点：

图3

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图3 煤仓流动状态示意图

Fig. 3 Schematic diagram of coal bunker flow state

1）细粒物料表现出黏结性，并容易形成黏结性料拱，所以可以利用流动函数来表示其流动性能。通过数值模拟分析，当流动函数(flow function，FF)<2时，颗粒散料表现为不易流动；当2<FF<4时为散料，主要体现出黏性的影响；当FF>10时散料的黏性影响较小，表现出自由流动。电厂中的原煤颗粒较细碎，在模拟过程中设置粒径也相对较小，所以当小尺寸颗粒增多时，会使颗粒与颗粒之间的流动性能降低，而靠近仓体表面的一侧更容易发生黏结，如图4所示，所以这也是形成结拱的主要原因。

图4

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图4 颗粒流动结拱示意图

Fig. 4 Schematic diagram of coal flow arching

2）随着颗粒增加，颗粒之间作用力变大。主要体现在模拟过程中，颗粒的增加引起仓内颗粒的高度发生变化，如图5所示，随着时间的增加，颗粒逐渐增多，在其自身重力的影响下，颗粒之间的压缩力也逐渐增大，这种压缩力主要体现在法向力与切向力两方面，由图5可以看出力的变化趋势。而也正是因为这种力的增加，使其颗粒之间出现结拱现象，颗粒之间的相互作用导致发生挤压，当力方向与拱的方向一致时就会发生堵塞的现象，根据模拟过程来看主要位置在仓口附近。

图5

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图5 颗粒流动过程中颗粒之间力的变化

Fig. 5 Variation of force between particles during particle flow

3）相比于普通煤来说，本文所研究煤种为高水分褐煤，通过对实际的原煤进行水分测定，原煤含水量约为46.7%，所以为了方便研究，将含水量设置为40%、45%、50%三个组别进行对照分析，其余条件均不变。如图6所示，通过数值模拟可以看出，在刚进行下落时水分含量较高的颗粒相对速度较快，这是由于水分含量高的颗粒质量较大，在刚开始下落时还未产生大面积接触挤压。随后在颗粒逐渐下落发生聚集后，会有一个明显降速的过程，这主要是由于颗粒之间发生挤压产生的摩擦以及与壁面的摩擦导致降速，但是由于水分对其黏结性的影响迫使降速的效果不一样，所以，在水分含量较高的情况下，其速度减慢的程度也相对较大，也会使颗粒自身重力加大。水分对流动状态的影响主要体现在：1）含水量的提高导致颗粒黏结性发生变化；2）含水量较高的颗粒自身质量也很大，导致压力增大。因此，含水量既可直接导致堵塞，也可以间接导致堵塞。

图6

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图6 不同含水量颗粒下落中速度的变化

Fig. 6 Changes in velocity of particles falling with different water contents

3 结论

根据离散元法，利用EDEM软件，通过构建煤仓的3D模型对煤仓中煤颗粒流动性进行研究，得出以下结论：

1）由于颗粒粒径过小或者过大，导致在仓体流动过程中其自身颗粒与颗粒之间发生相对作用，产生结拱现象进而影响流动。

2）颗粒在仓体流动过程中，颗粒间的压缩力随时间增加，这也是堵塞的重要原因之一。

3）不同含水量对煤黏附性影响较大，加上含水量高也会使煤的自身重力加大，所以在高水分褐煤下落状态下极易发生堵塞现象。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

宋刚

．

中心给料机在煤仓治堵中的应用与研究

[D]．北京：中国矿业大学，2019．