管道收縮角對管道旋流輸灰沖蝕特性研究

賴家祥，來永斌，王龍，張文龍

(安徽理工大學，安徽淮南，232001)

0 引言

當前我國發電中火電占全國總發電量的6成，火力發電過程中需要將煤炭燃燒產生的粉煤灰回收再利用。氣力輸灰是相當耗能的一個環節，旋流輸送因有將低能耗、降低粒臨界輸送氣流速度和降低氣力輸送管道堵塞風險的優點被國內外管道輸送專家研究。在國外研究中，日本學者H.Li和Y.Tomita[1～ 2]為獲得聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯化合物顆粒運動行為在各種管道旋流輸送建立了大量的數值分析和實驗研究。得出以下結論，與軸流氣力輸送相比旋流氣力輸送具有降低氣流臨界輸送速度、能耗小、總壓力損失小等優點，并解釋了旋流衰減特性。在國內，孫西歡[3]針對旋流的產生方式、水力特性以及固體顆粒在旋流場中的懸浮機理進行了理論分析和試驗研究，得到內螺旋起旋葉片參數與旋流場的關系、起旋器的阻力特性和起旋效率、旋流衰減規律及固體顆粒在旋流場內的運動軌跡。與已有研究不同，本文針對Hui Li[4]型起旋裝置安裝于收縮口前端旋流氣力輸送粉煤灰，進行數值模擬獲取氣動輸送中粉煤灰對管道的沖蝕影響，為實際管道輸送提供參考。

1 分析方法

1.1 顆粒與管壁磨損理模型

顆粒與管壁碰撞是一復雜的物理行為，國內外被廣泛采納的顆粒與管壁磨損數學模型包括Finnie、Oka、McLaury和Tabakoff[5]模型，其中Tabakoff是通過煤灰沖擊鋁和ANSY304、410獲得的反彈模型，在灰碰撞管壁中得到廣泛采納。

1.2 幾何模型和網格

如圖1所示為Hui Li起旋裝置，包括了葉片和固定葉片所需套環。如圖2所示為氣動輸送收縮口處放大圖，空氣由入口端進入，經由起旋裝置將部分軸流氣體起旋空氣，再經過收縮是口加速與入料口粉煤灰混合成氣固兩相旋流體。表1為流體域邊界條件和輸送管道流體域尺寸。

圖1 起旋裝置圖

圖2 管道收縮口示意圖

2 計算結果

2.1 流場分布

選用Realize k-ε流模型和QUICK格式計算收縮角25°多相流模型入口流速20/m?s-1；入口直徑D/146mm；輸送管徑D2/80mm；入料口質量流量0.26Kg2·s-1；粉煤灰直徑200um；獲得如圖3為旋流輸送縱截面流場圖。

圖3 旋流輸送流場云圖

由圖3可得：(1)高速氣流由入口進入后穿過A界面旋流器，因旋流器造型高速氣流被迫形成旋轉流體。同時空氣氣壓在A界面的下降，但因錐口收縮使流速通過收縮口時由20 m?s-1加速至 80 m?s-1。（2）在入料口處因入料口流速度遠小于被收縮口加速的其他，在空氣交界附近產生因旋流強烈的旋渦，有利于入料口落下的粉煤灰與高速氣體混合。

如圖4分別收縮角為8到25°選取5個工況管道沖蝕云圖。

由圖4可以看出在旋流的作用下高濃度的初始粉煤灰混合氣沖蝕管壁的路徑為：口邊緣沿旋流方法至底部，并且最大沖蝕率出現在輸送管距入料口200mm內。

圖4 沖蝕云圖

選取輸送管壁最大沖蝕率與收縮管的收縮角之間的關系作圖5。

如圖5所示為最大沖蝕率與收縮角的關系圖，由圖可看出收縮率會嚴重影響粉煤灰對管道的沖蝕程度。在收縮角8～ 25°之間最大沖蝕率的最大值是最小值1.5倍，變化趨勢為在收縮角在8～ 15°之間時最大沖蝕率與收縮角負相關，在15～ 25°之間則為正相關，于15°出現極小值為210-4Kg（m2·s）-1。所以在減少旋流輸送粉煤灰時減少粉煤灰二相流對管道的磨損應該收縮管角度應該選15°為適宜。

圖5 最大沖蝕率隨收縮角變化圖

3 結論

在旋流輸送粉煤灰中管道收縮角嚴重影響粉煤灰-空氣二相流沖蝕問題，主要有以下結論：（1）粉煤灰-空氣二相流與管壁發生沖蝕的軌跡為旋流的軌跡起始點為粉煤灰和高速氣流接觸點。（2）為減小旋流輸送粉煤灰的管道沖蝕問題收縮管的優選角度為15°。