中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)第一級(jí)煤粉分離器改造及數(shù)值模擬計(jì)算

展可法 姜毅偉

（1.中機(jī)中電設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100048；2.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

1 研究概述

中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)中的第一級(jí)煤粉分離器的作用，就是將磨煤機(jī)磨制出來的煤粉依顆粒的大小進(jìn)行分選，即把粒度小于某粒度級(jí)的細(xì)粉作為產(chǎn)品隨干燥氣流輸送至細(xì)粉分離器或直接進(jìn)入爐膛，而把粒度大于這一粒度級(jí)的粗顆粒從氣流中分離出來，并返回磨煤機(jī)重新磨制。除此之外，還對(duì)煤粉細(xì)度具有調(diào)節(jié)能力，以便在煤種、磨煤機(jī)出力或通風(fēng)量變化時(shí)保證一定的煤粉細(xì)度，從而提高制粉系統(tǒng)工作的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的燃燒效率。對(duì)于第一級(jí)煤粉分離器，很少有人應(yīng)用數(shù)值模擬的方法來研究其內(nèi)部氣流流動(dòng)規(guī)律和顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。國(guó)內(nèi)外對(duì)氣固兩相流的研究主要集中在旋風(fēng)分離器、循環(huán)流化床、葉輪機(jī)械及風(fēng)機(jī)等。例如英國(guó)的F.Boysan等人[1]采用代數(shù)求解雷諾平均方程獲得了旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的二維數(shù)值解，通過計(jì)算顆粒的隨機(jī)軌道得到了旋風(fēng)分離器的分離效率。日本的Yamamoto[2]也曾用代數(shù)應(yīng)力模型計(jì)算旋風(fēng)分離器內(nèi)部的情況。

此次分離器改造方案擬增加導(dǎo)流錐體的最下級(jí)分離盤的直徑，延長(zhǎng)外圈動(dòng)葉片的長(zhǎng)度并改變其偏角，對(duì)分離器原結(jié)構(gòu)及改造后新結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，得到特征參數(shù)進(jìn)行分析，得到分離器內(nèi)的氣流流場(chǎng)，為改造提供理論支持。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

模型采用Gambit軟件繪制，忽略鎖氣器，如圖1所示。模型共劃分了約64萬個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，分離擋片處進(jìn)行了網(wǎng)格密化，如圖2所示。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型，壓力—速度離散采用SIMPLE算法，對(duì)流相選取二階迎風(fēng)格式離散，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法。

定義進(jìn)口邊界條件為速度入口（15.15 m/s），出口邊界條件為outflow，氣相介質(zhì)為空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789 4e-05 kg/m·s，固相介質(zhì)為煤粉顆粒，粒徑R-R分布，煤粉質(zhì)量流量為19.4 kg/s，外殼、導(dǎo)流錐體及分離動(dòng)葉片設(shè)置為無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面。

圖3為原始結(jié)構(gòu)（模型1）在Y=0截面的速度場(chǎng)，圖4為壓力場(chǎng)，系統(tǒng)阻力為115 6 Pa，從圖中可以看出，除動(dòng)葉片區(qū)域外速度分布和壓力分布規(guī)則而有序，動(dòng)葉片區(qū)域的流場(chǎng)比較復(fù)雜。

將最下級(jí)分離盤直徑擴(kuò)大700 mm（模型2），對(duì)變動(dòng)后的模型進(jìn)行單相模擬計(jì)算，阻力變?yōu)? 311 Pa，圖5為速度場(chǎng)，圖6為壓力場(chǎng)，明顯可以看出速度分布沒有原始結(jié)構(gòu)有序，且在中間級(jí)和最下級(jí)分離盤之間出現(xiàn)渦流，順帶中部和上部出現(xiàn)一系列小的渦流，壓力梯度也因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的變化，不再規(guī)則分布。

圖1 模型圖

圖2 網(wǎng)格圖

再將最下級(jí)分離盤直徑擴(kuò)大740 mm（模型3）后，阻力變?yōu)? 341 Pa，圖7為改動(dòng)后的速度場(chǎng)，圖8為改動(dòng)后的壓力場(chǎng)。

因此，將最下級(jí)分離盤直徑加大700 mm后，并不會(huì)引起系統(tǒng)阻力的較大變化，后續(xù)的加長(zhǎng)外圈分離葉片的研究也將在分離盤直徑加大700 mm的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

保持內(nèi)圈的分離葉片角度和形狀不變，外圈分離葉片的長(zhǎng)度由約500 mm增長(zhǎng)至約700 mm，同時(shí)旋轉(zhuǎn)角度由30°增大至55°（動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)最大極限位置，模型4），此時(shí)遮擋比例減小約10%。對(duì)改變外圈動(dòng)葉片的模型進(jìn)行氣相模擬，因動(dòng)葉片角度擴(kuò)大，因此旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度降低，系統(tǒng)阻力稍有降低，為1 272 Pa，圖9為此模型速度矢量圖，壓力場(chǎng)如圖10所示。

圖3 模型1 Y=0截面的速度場(chǎng)

圖4 模型1 Y=0截面的壓力場(chǎng)

圖5 模型2 Y=0截面的速度場(chǎng)

圖6 模型2 Y=0截面的壓力場(chǎng)

圖7 模型3 Y=0截面的速度場(chǎng)

圖8 模型3 Y=0截面的壓力場(chǎng)

圖9 模型4 Y=0截面的速度場(chǎng)

調(diào)整模型，將外圈動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)角度回縮，調(diào)至日常運(yùn)行可能的位置40°（模型5）。將進(jìn)口速度增加到17 m/s，進(jìn)行氣相模擬計(jì)算，此時(shí)系統(tǒng)阻力的計(jì)算結(jié)果為1 462 Pa，圖11為速度場(chǎng)，圖12為壓力場(chǎng)。

保持模型不變，繼續(xù)增加進(jìn)口速度至21 m/s，其余條件不改變，進(jìn)行氣相模擬計(jì)算，阻力增大至1 567 Pa，圖13為速度場(chǎng)，圖14為壓力場(chǎng)。

通過以上幾組工況的對(duì)比可以看出，外圈動(dòng)葉片的角度會(huì)對(duì)系統(tǒng)阻力產(chǎn)生一定的影響，旋轉(zhuǎn)角度越大，阻力越小，但變化不大，同時(shí)阻力也隨著進(jìn)口速度的增加而增大。

圖10 模型4 Y=0截面的壓力場(chǎng)

圖11 模型5 Y=0截面的速度場(chǎng)（17 m/s）

圖12 模型5 Y=0截面的壓力場(chǎng)（17 m/s）

圖13 模型5 Y=0截面的速度場(chǎng)（21 m/s）

圖14 模型5 Y=0截面的壓力場(chǎng)（21 m/s）

1、2、5三種模型的分離效果如表1所示。

表1 模型1、2、5煤粉分離效果比較

3 結(jié)語

中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)第一級(jí)煤粉分離器內(nèi)部流場(chǎng)還是相對(duì)復(fù)雜的，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)阻力的變化以及流場(chǎng)的變化相對(duì)明顯。增加最下級(jí)分離盤直徑700 mm后，局部產(chǎn)生了一些氣流漩渦，但并沒有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的阻力產(chǎn)生比較大的影響，且增加了大顆粒煤粉的碰撞頻次，分離性能得到提高，同時(shí)加長(zhǎng)外圈動(dòng)葉片的長(zhǎng)度也沒有較大地增加系統(tǒng)阻力，通過調(diào)整不同的旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)節(jié)遮擋面積，可增大調(diào)節(jié)范圍。