粗粉分離器擋板開度對(duì)煤粉粒子分離特性影響的數(shù)值研究

呂　太，丁　帥，程　超

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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粗粉分離器擋板開度對(duì)煤粉粒子分離特性影響的數(shù)值研究

呂太，丁帥，程超

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：中速磨擋板調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度的主要手段，利用CFD模擬軟件對(duì)ZGM113G型磨煤機(jī)的粗粉分離器進(jìn)行建模，并模擬不同擋板開度下分離器內(nèi)部場(chǎng)變化和顆粒運(yùn)動(dòng)軌。分析了不同粒徑煤粉顆粒在不同擋板開度下的出粉率和不同擋板開度時(shí)分離器進(jìn)出口的壓差變化情況。結(jié)果表明：分離器的擋板開度設(shè)置在40°-45°區(qū)間是最合理的。模擬分離器內(nèi)部流動(dòng)為深入了解復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)以及粒子運(yùn)動(dòng)特性提供了很好的參考。

關(guān)鍵詞：粗粉分離器；擋板開度；數(shù)值模擬

能源是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要物資基礎(chǔ)之一。節(jié)約能源，降低能耗，是我國長期的基本國策[1]。在已知的各種能源資源中，我國煤炭的資源豐富，是我國最為重要的能源供應(yīng)源，長期以來一直占據(jù)我國能源生產(chǎn)以及消費(fèi)結(jié)構(gòu)中最大的一部分。以煤為主的能源供應(yīng)格局在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)難以改變，其中，電力行業(yè)的煤炭消耗量最大。

在燃煤電站中，粗粉分離器是制粉系統(tǒng)鍋爐燃燒系統(tǒng)重要的組成部分之一[2]，要保證良好的燃燒狀態(tài)，煤粉濃度和細(xì)度必須保持在與煤種相適應(yīng)的合理值并保證四角均衡，否則就會(huì)破壞正常的燃燒過程。對(duì)煤粉著火，煤粉的燃燼不利，影響燃燒效率[3]。粗粉分離器對(duì)煤粉細(xì)度具有調(diào)節(jié)能力，在煤種或磨煤機(jī)出力或通風(fēng)量變化時(shí)保證一定的煤粉細(xì)度，其主要作用是將磨煤機(jī)磨出的較粗的不合格煤粉分離出來，返回磨煤機(jī)重新進(jìn)行碾磨，合格煤粉則直接送入爐膛燃燒，保證鍋爐高效、穩(wěn)定地燃燒，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[4]。在制粉系統(tǒng)中，粗粉分離器運(yùn)行性能對(duì)煤粉的質(zhì)量又極大的影響，關(guān)系到整個(gè)鍋爐和機(jī)組的安全以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[5]。某電廠一期工程建設(shè)2×600 MW燃煤純凝汽式發(fā)電機(jī)組，鍋爐型號(hào)為SG-2023/17.5-M914，設(shè)計(jì)燃用神華萬里川煙煤；制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，每臺(tái)爐共配置6臺(tái)ZGM113G型中速輥式磨煤機(jī)；設(shè)有兩臺(tái)50%容量的一次風(fēng)機(jī)提供一次熱、冷風(fēng)輸送煤粉。生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)鍋爐飛灰和爐渣含碳量偏高的問題，是由于制粉系統(tǒng)煤粉細(xì)度超標(biāo)所導(dǎo)致。針對(duì)此問題，利用CFD軟件，建立了分離器的模型并進(jìn)行氣、固兩相模擬試驗(yàn)研究，得出分離器的分離特性曲線，可供同類型的磨煤機(jī)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中參考。

1模型及計(jì)算方法

1.1模型建立及邊界條件設(shè)定

以某電廠ZGM113G型磨煤機(jī)的分離器作為本文研究的對(duì)象，利用Gambit軟件進(jìn)行幾何模型的創(chuàng)建和網(wǎng)絡(luò)劃分。按照ZGM113G磨煤機(jī)分離器的實(shí)際尺寸在Gambit中分別創(chuàng)建擋板開度為35°，40°，45°，50°，55°的5組幾何模型，并采用四面體網(wǎng)格元素分別對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格劃分后幾何模型網(wǎng)格數(shù)約為53萬。

將磨煤機(jī)分離器底部內(nèi)外錐體間的環(huán)形區(qū)域視為模型的入口，其邊界條件設(shè)置為velocity-inlet，入口初速度為2.7m/s，模型頂部環(huán)形區(qū)域設(shè)置為出口，其邊界條件設(shè)置為outflow，其他表面設(shè)置為wall，噴射離散相與wall相交時(shí)為wall-jet邊界條件，壁面無滑移。定義煤粉顆粒密度1 200 kg/m3，空氣密度為1.225 kg，粘性為1.789 4 e5kg/(m·s)。

1.2數(shù)學(xué)模型

選用離散相模型(DPM) 進(jìn)行求解計(jì)算，忽略煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)連續(xù)相氣體產(chǎn)生的影響，只考慮煤粉顆粒的受力情況。離散相模型對(duì)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行直接求解，在氣固兩相流動(dòng)的模擬中，離散相模型能得到單個(gè)顆粒的位置、速度以及變形等參數(shù)。目前，它已經(jīng)成為粉體及顆粒研究領(lǐng)域的重要新方法[6]。

運(yùn)用離散顆粒軌道(DPM) 模型對(duì)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的流場(chǎng)進(jìn)行分析，模擬氣固兩相流動(dòng)。其中，輸送煤粉的空氣為連續(xù)相，煤粉顆粒作為離散的第二相處理，用此模型在拉氏坐標(biāo)下模擬連續(xù)流場(chǎng)中離散的第二相。

本文主要對(duì)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，故不考慮氣固兩相間的能量交換，并假定其內(nèi)部空氣流動(dòng)為不可壓縮、定常湍流流動(dòng)，采用更貼近實(shí)際，更適用于求解粗粉分離器的RNGk-ε模型[7]，RNG 模型在ε方程中增加一個(gè)條件，考慮到了湍流旋渦，提高了模型精度。氣相控制方程[8]如下：

連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

湍動(dòng)能方程

(3)

湍動(dòng)能耗散方程

(4)

上式：Gk為層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為在可壓縮湍流中，過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1、C2、C3分別為常量；ak和ae為k方程和e方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Se為用戶自定義。

2數(shù)值模擬結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1數(shù)值模擬結(jié)果

從圖1、圖2模擬計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)過分離器入口時(shí)氣流的流速較低，由于通過的區(qū)域截面不斷變窄，氣流被加速，通過分離器內(nèi)外錐體相接的擋板區(qū)域，最后通過分離器出口進(jìn)入輸粉管路。由于內(nèi)外錐體壁面及擋板的導(dǎo)流作用，氣流在內(nèi)錐體中產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，從而提高了離心分離的效果。在擋板上部空間的速度矢量分布情況也可以看出，速度明顯增大，而且?guī)в泻軓?qiáng)的旋流。

圖1 分離器縱截面速度示意圖圖2 分離器橫截面速度矢量圖

從圖3、圖4中可以看出，在分離器外錐體部分，氣流壓力較大，從分離器擋板區(qū)域至分離器內(nèi)錐體中心部分，壓力逐漸降低。氣體通過外錐體區(qū)進(jìn)入擋板區(qū)域時(shí)的氣體流速較低，由于擋板圓周直徑較大造成氣流通過區(qū)域截面積迅速變窄，氣流被加速；又由于進(jìn)入擋板后的速度較大，又存在擋板開度，而形成旋流氣流。氣流的壓力下降，速度矢量增加，氣體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并在分離器內(nèi)錐體的空間內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，通過離心力、拽力和重力的相互作用，煤粉顆粒會(huì)在內(nèi)錐體中分離，細(xì)顆粒隨氣流溢出，粗顆粒流回碾磨盤。

圖3 分離器縱截面壓力圖圖4 分離器橫截面壓力圖

表1　不同擋板角度逃逸粒子數(shù)統(tǒng)計(jì)表

煤粉顆粒受到氣流拽力的同時(shí)還受到氣流旋流的離心分離作用和重力作用，隨著顆粒直徑的增大；氣流對(duì)煤粉顆粒產(chǎn)生的曳引力將成平方倍數(shù)增大，而煤粉顆粒受到的離心力則成立方的倍數(shù)增大，隨顆粒直徑的增加，煤粉所受到的離心力的增長速度遠(yuǎn)大于其受到的氣流拽力的作用，直徑較大的粗顆粒就有可能由于拽力不夠而產(chǎn)生分離，在離心力的作用下最終沿著分離器內(nèi)錐體壁面流下，重新流回到碾磨盤進(jìn)行碾磨。粒子受力比較復(fù)雜，正是由于煤粉顆粒受到氣流拽力和離心力兩個(gè)主要力的不平衡作用才導(dǎo)致其產(chǎn)生了較好的分離效果。

磨煤機(jī)擋板角度調(diào)節(jié)是控制磨煤機(jī)出粉細(xì)度的主要手段[9]，是通過操作聯(lián)動(dòng)折向門來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)擋板開度的，擋板開度的有效調(diào)節(jié)范圍在45°-65°之間，正常運(yùn)行時(shí)的擋板開度約為45°，最佳的擋板開度需要進(jìn)行磨煤機(jī)試驗(yàn)來確定。

從表1的數(shù)據(jù)中分析可得知，分離器在很小粒子分布情況下，氣體的拽力起到了決定性的作用，重力和離心力的影響幾乎可以忽略不計(jì)。粒子可以隨氣流輕松流出出粉口，當(dāng)顆粒直徑繼續(xù)增大，顆粒的離心力作用有所加強(qiáng)，相對(duì)于離心分離，重力分離和慣性分離的作用要小得多，此時(shí)氣體拽力、分離作用力以及重力共同作用于顆粒，一部分粒子將隨氣體流出，另一部分則由于離心力、阻力和重力等影響而流回出粉口；當(dāng)顆粒直徑持續(xù)增大，此時(shí)顆粒所受到的氣體拽力已經(jīng)不能帶動(dòng)顆粒產(chǎn)生分離作用，這時(shí)對(duì)顆粒產(chǎn)生分離效果明顯的是顆粒的離心力和重力作用，此時(shí)大部分顆粒被分離出來，流回碾磨盤。

圖5 出粉率折線圖圖6 出粉率折線圖

通過對(duì)比相同粒徑顆粒在不同擋板開度條件下的逃逸顆粒數(shù)可以看出，隨著擋板開度減小，煤粉顆粒會(huì)更傾向于被分離出來，而且擋板開度越小，顆粒被分離出的傾向越明顯。通過分析可知，當(dāng)擋板開度較小時(shí)，氣流通過擋板區(qū)域時(shí)的截面積越小；在氣流流量一定時(shí)，氣流流速越快，煤粉顆粒所獲得的初速度也越大，離心力也就越大，所以更容易被分離出來。

圖5為35°-55°擋板開度下不同粒子直徑對(duì)應(yīng)的出粉率。從圖中可以看出，直徑在110 μm以下粒子的出粉率都在90%以上，此時(shí)氣流的拽力起到了決定性的作用，直徑在110 μm-200 μm粒子由于顆粒較大，受到的離心力較大，顆粒大多滯留于擋板上部空間隨氣流旋轉(zhuǎn)，一部分會(huì)因?yàn)轭w粒之間的相互作用逃逸出分離器，一部分會(huì)與分離器壁面發(fā)生碰撞作用而落下，相比較細(xì)顆粒而言，粗顆粒更容易被分離出來。200 μm以上的顆粒在自身重力的影響下，大部分的顆粒都不能通過擋板空間，會(huì)流回碾磨盤重新進(jìn)行碾磨。隨著擋板開度減小，相同粒徑的粒子就越容易被分離出來，粗顆粒越來越難以逃逸出粗粉分離器，分離效果也越好。當(dāng)擋板開度調(diào)到40°之后，分離器擋板開度以變化影響分離器的分離效率和分離器出口的細(xì)度特性；同時(shí)影響分離器阻力的變化。從圖6中可以看出，隨著擋板開度減小，分離器的進(jìn)出口壓差也隨之增大，這也意味著磨煤機(jī)的電耗也將隨之增加。

圖7　模擬數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

選取在90 t/h 通風(fēng)量，45°擋板開度工況下，對(duì)該電廠2 號(hào)爐B 制粉系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。調(diào)整保持磨煤機(jī)出力和通風(fēng)量不變(約為磨煤機(jī)額定出力和相應(yīng)的通風(fēng)量的80 %)，在該工況穩(wěn)定15 min左右之后開始試驗(yàn)；調(diào)節(jié)擋板開度為45°，穩(wěn)定15 min 左右開始測(cè)量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，每5 min記錄一次，同時(shí)用等速取樣裝置在分離器入口和出口采集煤粉樣。

經(jīng)過篩分分析：

在分離器入口處：R90=20.36%，R200=4.68%；出口處：R90=16.97%。

按照磨煤機(jī)細(xì)度特性一般關(guān)系式：Rx=f(x)，詳細(xì)內(nèi)容見文獻(xiàn)[10]。計(jì)算得到各組直徑范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見表2所示。

結(jié)合不同顆粒直徑對(duì)應(yīng)的逃逸率曲線，計(jì)算得到：擋板開度為45°時(shí)，分離器出口處R90=16.82%；與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明了模型的正確性與可適用性；同樣方法可得出擋板開度在35°、40°、50°、55°的情況之下，分離器出口處R90分別為0.83%、10.03%、19.55%和19.99%。

表2　各組直徑范圍內(nèi)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3結(jié)論

分離器的擋板開度對(duì)煤粉的分離性能有著至關(guān)重要的影響，調(diào)節(jié)擋板開度是電廠實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度的主要手段。在分離器中，煤粉隨氣流在內(nèi)錐體中旋轉(zhuǎn)，在重力、氣流拽力和離心力的作用下，一部分煤粉被分離出來并流回碾磨盤，另一部分煤粉則從出口流出。煤粉的粒徑越大，煤粉就越容易被分離出來，且隨著擋板開度減小，分離效果越明顯，但減小擋板開度會(huì)增大分離器內(nèi)部壓差，也就意味著磨煤機(jī)的單耗會(huì)增加。通過對(duì)模擬數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為將擋板開度設(shè)置在40°-45°的區(qū)間內(nèi)是較為合理的。

粗粉分離器是一個(gè)復(fù)雜的封閉幾何體，其內(nèi)部的流場(chǎng)復(fù)雜，無法通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到，通過數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)粗粉分離器的分離特性特性進(jìn)行研究并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行論證的方法是可行的。模擬的結(jié)果能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行起到一定程度上的指導(dǎo)作用，這種方法也為深入了解復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)以及運(yùn)行特性提供了一定的參考。

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Simulation Study on Separation Characteristics of Pulverized Coal Particle in Different Classifier Vane Setting

LV Tai1，DING Shuai2，CHENG Chao3

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：Medium speed mill classifier vane setting is one of main means to adjust the fineness of pulverized coal.The pulverized-coal classifier of ZGM113G type mill is modeled using CFD simulation software，and its internal flow state of the separator and internal particle motion trajectory is simulated.By analyzing line chart of powder escape rate and pressure difference between inlet and outlet of the separator in different classifier vane setting，it is shown that the classifier vane setting is most reasonable in 40-45 degrees.The results presented in the paper could prove valuable to designers for the optimization of airflow，which provides a very good reference for acknowledging the internal flow field and the operating characteristics of complex geometry.

Key words：Pulverized-coal separator；Classifier vane setting；Numerical simulation

收稿日期：2016-01-16

作者簡介：呂太(1957-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向：高納煤利用與脫鈉技術(shù).

文章編號(hào)：1005-2992(2016)02-0039-06

中圖分類號(hào)：TK223.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A