一次風量對煤粉分離器分離特性影響的研究

周念鑫，駱振福，何亞群，謝衛寧，王 帥

(中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

一次風量對煤粉分離器分離特性影響的研究

周念鑫，駱振福，何亞群，謝衛寧，王 帥

(中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

運用數值模擬與磨機工業采樣相結合的方法研究一次風量對煤粉分離器分離特性的影響。采用歐拉κ-ε湍流模型對運用結構化網格劃分的1/8分離器模型進行數值計算，結果顯示：隨著一次風速的增加，煤粉溢出分離器速度增加，未經分級作用而直接離開分離器的顆粒量增加；風速增加致使分離器分離比率降低，煤粉分離能力變差，并將導致循環倍率增加。對工業磨機進行開孔改造并完成2個風速條件下的采樣試驗，分析了風速對分離器入料、返料和合格煤粉粒度組成的影響。數質量平衡計算表明磨機循環倍率隨風速的增加而增加，與基于數值模擬的計算結果呈良好的相關關系。

煤粉分離器；風量；分離特性；數值模擬；采樣驗證

0 引言

煤粉分離器是燃煤電廠制粉系統控制合格煤粉細度以及中速磨煤機內循環負荷流量的關鍵設備。高效率運行的煤粉分離器不僅可降低粗顆粒混入合格煤粉的概率，確保鍋爐燃燒效率；而且可避免細顆粒返回磨盤再磨，優化顆粒破碎環境，提高破碎效率和磨機出力。但為確保合格煤粉細度符合燃燒要求，煤粉分離器以犧牲分級效率和降低分離粒度為代價，分級效率普遍小于50%，分級粒度在35～45 μm，僅為合格煤粉粒度上限(90 μm)的38%～50%[1-4]。因此，如何在提高分級粒度的同時，仍能保障合格煤粉細度是提高煤粉分離器分級效率的重點和關鍵。

目前國內電廠廣泛采用離心式煤粉分離器，且分離器位于中速磨煤機內部，顆粒分級與研磨過程相互連接形成封閉的回路[5]。中速磨煤機結構復雜，研磨后顆粒經錐形體和煤粉分離器分級后進入鍋爐燃燒或返回磨盤再磨。但受封閉黑箱工作環境限制，研究人員無法獲取煤粉分離器內各節點物料，因而針對煤粉分離器內氣固多相流和顆粒運動行為的研究多采用數值模擬的方法[6-8]。Grigoriadis等人采用代數求解雷諾平均方程獲得了旋風分離器內流場的二維數值解，通過計算顆粒的隨機軌道得到了旋風分離器的分離效率[9]。模擬實踐方面，Vuthaluru基于歐拉-歐拉方法模擬分離器內風粉混合，發現葉片結構的差異導致分離器內氣流存在不對稱性，不同粒徑煤粒的氣流跟隨性不同[10]。Bhambare等考慮水分蒸發及煤粉粒徑差異等因素，認為空氣流場的不均勻性是造成磨機出口氣流及煤粉顆粒分布不均勻的主要原因[11]。宋斐等人以煤粉分離器為研究對象，采用 CFX TASC Flow軟件包，數值模擬冷模試驗和實際設備改造，并以此評價分離器工作性能，確定分離器優化結構[12]。但上述研究對象多為獨立運行的分離器，與中速磨煤機內的煤粉分離器存在差異，其級效率受系統運行參數的影響較大。

因此，本文在前期研究粒度對煤粉分離器分級特性基礎上[13]，再次進行ZGM95型中速磨煤機的采樣試驗，獲取不同一次風量時煤粉分離器的入料和返料以及合格煤粉樣品。建立與采樣分離器結構參數相同的結構化網格模型，并對不同風量條件下煤粉在分離器內的運動規律進行模擬。通過數值模擬與采樣試驗相互驗證的方法研究不同風速條件下煤粉分離器分離比率的變化規律。

1 試驗研究和數值模擬

對某電廠的ZGM95中速磨煤機進行開孔改造以獲取分離器入料和返料的粒度組成。磨機采樣點設置和采樣過程示意如圖1所示。分離器入料使用取樣孔直徑為20 mm的平頭取樣槍，返料則為內外直徑相差10 mm的套管。分離器返料采樣時，套管從采樣孔伸入，觸碰落煤管后旋轉外管180°，使內管切掉部分口朝上截取分離器返料。采樣完成后把外管旋轉180°重新封住內管，最后將套管拉出。合格煤粉的采樣參照電力行業標準《直吹式制粉系統的煤粉取樣方法》執行。兩采樣工況時磨機的運行參數如表1所示。采樣完成后，對分離器入料、返料和合格煤粉樣品進行粒度分析，結合采樣時監測的合格煤粉流量和數質量平衡計算，獲得各采樣工況下循環倍率和煤粉分離器入料量[14]。

圖1 磨機采樣點設置和采樣過程示意圖

工況液壓加載力/MPa風量/t·h-1磨機入料量/t·h-111359.824.9621353.524.55

圖2 分離器實體模型縱剖圖

數值模擬對象靜態分離器的結構和尺寸參數與工業采樣試驗中磨機的分離器相同，利用Solidworks建立分離器實體模型(模型結構如圖2所示)。在對其進行網格劃分時發現以整體劃分難以生成網格，且網格質量較差；自動網格生成會存在大量非結構化網格，影響磨機計算精度。因此，本文選用結構化網格劃分模擬區域；為降低模擬計算量，基于煤粉分離器軸對稱的特性選擇1/8模型進行網格劃分，界面設置為周期性邊界。1/8實體模型劃分后的網格總數為281萬。

圖3為網格劃分后分離器模型界面、外壁以及分離器擋板處的網格模型。

模擬求解過程選用歐拉κ-ε(2eqn)湍流模型作為控制方程，模型如式(1)和式(2)所示。網格模型的分離器入口為速度入口，出口為壓力出口，壁面為相界面，其他邊界均為邊壁。模擬時分離器擋板開度為45%，入口煤粉體積分數為0.004 5%，分別進行風速為10 m/s，15 m/s，20 m/s和25 m/s時45 μm，90 μm和200 μm各單一煤粉顆粒在分離器內部的運動和分離比率。

(1)

2 數值模擬計算

2.1 風速對各粒級煤粉顆粒運動的影響

以90 μm物料為代表分析風速對煤粉分離器分離特性的影響規律。圖4分別為10 m/s,15 m/s,20 m/s，25 m/s風速時煤粉顆粒的Z向速度分布云圖。此圖顯示，隨著一次風速的增大，分離器內顆粒高速向下運動的區域逐漸較小，從煤粉出口溢出的顆粒速度逐漸變大；分離器擋板下的低速區域隨風速的增大而擴大。風速變大致使氣流經過分離器擋板后產生的旋轉力增強，煤粉顆粒的運動速度加快，其Z向速度也將增大。氣-固流能更順暢地深入分離器內部，形成短路并導致更多的煤粉顆粒未經分離而直接從合格煤粉出口離開分離器。

圖4 90 μm煤粉顆粒Z向速度云圖(a. 10 m/s； b. 15 m/s； c. 20 m/s； d. 25m/s)

2.2 風速對分離器分離比率的影響

對45 μm,90 μm和200 μm煤粉顆粒在4種不同風速下進行數值模擬，查看不同粒度時的模擬結果，獲得出口處煤粉體積分數，進而根據分離比率公式(3)計算出分離器的分離比率[15]。不同風速時分離器分離比率的計算結果見表2。

(3)

式中：f為分離器的分離比率(%)；f1和f2分別為分離器入口和出口的煤粉體積分數(%)。

由表2可知，風速增加致使分離器分離比率降低，對煤粉的分離能力減弱，循環倍率將增加。風速對煤粉分離比率的影響隨粒度的增加呈現減小后增加的趨勢，并在90 μm時達到極值。煤粉較細時，顆粒較輕并具有良好的氣體跟隨性，且此效應隨風速的增加愈加明顯，因此，不同風速時45 μm顆粒的分離比率相差較大；而粒度較粗顆粒的自身重力則不可忽視，模擬結果表明，不同風速時200 μm顆粒分離比率幾乎不變，說明本模擬所選擇的最大風速尚不能抵消顆粒自重產生的影響。風速為15 m/s和20 m/s時，不同粒度顆粒的分離效率差值較小，但當增加到25 m/s時，低粒度物料分離比率因氣體跟隨性的增強而急劇下降。

表2 風速對不同粒度顆粒出口煤粉體積分數及分離比率的影響

注：煤粉入口體積濃度均為0.004 5%，分離器擋板開度45%。

3 采樣試驗與數值模擬驗證

工況2的一次風量較工況1小6.3 t/h，因此工況2時中速磨煤機的一次風速相對較小。通常，一次風裹挾煤粉的能力隨風速的增加而增強，較粗的煤粉也將被一次風輸運至煤粉分離器分級；而風速較小時，一次風所攜帶的煤粉細度隨之降低。圖5為兩工況下分離器入料、返料和合格煤粉的粒度曲線。為確保鍋爐的燃燒效率，煤粉分離器需提供細度足夠的合格煤粉。雖然兩工況的一次風量不同，但煤粉粒度組成相似。一次風量較高的工況1的分離器入料粗顆粒含量比工況2多。為避免粗顆?；烊牒细衩悍?，分離器在工況1時分級粒度降低，分離器返料中的-90 μm煤粉含量低于工況2。

以工況2分離器入料的實際煤粉粒度進行數值模擬計算，根據煤粉的粒度組成計算不同風速的累積分離比率。表3為數值模擬計算結果與試驗結果，數值模擬結果顯示分離器分離比率隨風速的增大而降低，將引起分離器內循環倍率和入料質量增加；工業采樣試驗結果表明工況1的循環倍率與入料質量均高于工況2，與數值模擬結論吻合。數值模擬結論與試驗結果良好的線性相關關系證明數值模擬結論的準確性，并可據此通過調節一次風的風量優化磨機運行狀態。

圖5 兩工況條件下分離器入料、返料和煤粉的粒度曲線

表3 模擬結論與現場試驗結果對比

中速磨煤機內燃煤的研磨和分級是2個連續過程，因此，煤粉分離器分離特性會受到兩環節過程參數的綜合影響。文獻[9]26研究了粒度對分離器分離特性的影響，通過采樣試驗和數值模擬相結合的方法，揭示了不同粒度煤粉運動速度在煤粉分離器內的變化規律，發現分離比率隨顆粒粒度的增大而先減小后增加。進入煤粉分離器的煤粉粒度受煤種、磨輥的液壓加載力以及風量的綜合影響，因此上述分析是多種因素共同作用后的結果。而本研究中的煤種和液壓加載力相同，煤粉分離器分離行為僅受一次風量的影響，進而可避免其他參數對結果分析的干擾。

4 結論

(1)風速增加致使分離器內顆粒高速向下運動的區域減小，從合格煤粉出口離開分離器的顆粒速度逐漸變大；高風速還導致部分煤粉顆粒未經分級而直接離開分離器。

(2)風速增加致使分離器分離比率降低，分離不同粒度煤粉能力減弱，將使循環倍率增加。風速對不同粒度顆粒分離比率的影響先減小后增大，在90 μm時達到極值。

(3)一次風裹挾煤粉能力隨風速增加而增強，工況1因一次風量較高導致分離器入料粗顆粒含量比工況2多。為避免粗顆?；烊牒细衩悍郏蛛x器在工況1時分級粒度降低，分離器返料中的-90 μm煤粉含量低于工況2。數值模擬與工業采樣試驗均證實循環倍率隨風速的增加而增加，兩者具有良好的線性相關關系。

[1] LI H, HE Y Q, SHI F N, et al. Performance of the static air classifier in a Vertical Spindle Mill [J]. Fuel, 2016(177):8-14.

[2] 左蔚然. MPS磨煤機運行過程數學建模與優化[D]. 徐州: 中國礦業大學，2013.

[3] OZER C, WHITEN W J, LYNCH A J.A multi-component model for the vertical spindle mill[J].International Journal of Mineral Processing,2016,148(5):155-165.

[4] SHAH K V, VUTHALURU R, VUTHALURU H B. CFD based investigations into optimization of coal pulveriser performance: Effect of classifier vane settings [J]. Fuel Processing Technology, 2009, 90(9):1135-1141.

[5] 戴為，牛海峰，馬洪順. 中速磨煤機[M]. 北京: 機械工業出版社, 1998.

[6] 閆順林，王皓軒，韓韋，等. 旋轉煤粉分離器動葉結構數值優化研究[J]. 電力科學與工程，2016,32(10): 59-65.

[7] 呂太，丁帥，程超. 粗粉分離器擋板開度對煤粉粒子分離特性影響的數值研究[J]. 東北電力大學學報，2016, 36(2):39-44.

[8] 李永華，程學遠，魏杰儒. 旋轉煤粉分離器分離特性的數值研究[J]. 電力科學與工程，2013, 29(8): 46-49.

[9] 何亞群，周念鑫，左蔚然，等. 不同磨煤粒度條件下煤粉分離器分離特性研究[J]. 中國粉體技術，2012, 18(1): 61-65.

[10] VUTHALURU H B, PAREEK V K, VUTHALURU R. Multiphase flow simulation of a simplified coal pulveriser [J]. Fuel Processing Technology, 2005, 86(11):1195-1205.

[11] BHAMBARE K S, MA Z H, LU P S. CFD modeling of MPS coal mill with moisture evaporation [J]. Fuel Processing Technology, 2010, 91(5):566-571.

[12] 宋斐, 劉東明, 徐憲斌，等. 粗粉分離器性能的?；囼灱皵抵的M研究[J]. 熱能動力工程, 2001, 16(92): 191-195.

[13] GRIGORIADIS D, BARTZIS J G, GOULAS A. Efficient treatment of complex geometries for large eddy simulations of turbulent flows [J]. Computers & Fluids, 2004, 33(2): 201-222.

[14] 周念鑫. 煤粉分離器分離特性研究及數值模擬[D]. 徐州：中國礦業大學，2011.

[15] KOJOVIC T, SHI FN, BRENNAN M. Modelling of vertical spindle mills. Part 2: Integrated models for E-mill, MPS and CKP mills [J]. Fuel, 2015(143): 602-611.

Study on Effects of Airflow Rate on Separation Characteristics of Pulverized Fuel Classifier

ZHOU Nianxin, LUO Zhenfu, HE Yaqun, XIE Weining, WANG Shuai

(School of Chemical Engineering, China Univeristy of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In this paper, the numerical simulation and industrial sampling tests for pulverizer were applied to study the effect of the primary airflow rate on the separation process of classifier. The Eulerianκ-εturbulence model was utilized to conduct the numerical simulation of structural grid computing model of 1/8 classifier. Simulated results indicate that the overflow rate of pulverized fuel from the classifier increases with the primary airflow rate. Particles which leave the classifier without separation also see an increase. On the other hand, the segregation ratio decreases with the increase of airflow rate, which results in the lower separation efficiency for pulverized fuel and an increase of circulating ratio. Two industrial sampling tests, with different airflow rates, were made on the modified pulverizer, and the effects of airflow rate on the size composition of pulverized fuel, feed and reject of classifier are analyzed. Mass balance calculation indicates that the circulating ratio increases with the airflow rate, which shows a good liner relationship to the computed results based on numerical simulation.

pulverized fuel classifier; airflow rate; separation characteristics; numerical simulation； sampling validation

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.04.010

2016-12-13。

國家自然科學基金(51274196，51404267)。

TK212

A

1672-0792(2017)04-0055-05

周念鑫(1985-)，男，博士研究生，研究方向為氣固流態化過程模擬及干法分選。