一次風(fēng)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(wèi)寧，王 帥

(中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

一次風(fēng)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(wèi)寧，王 帥

(中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

運用數(shù)值模擬與磨機工業(yè)采樣相結(jié)合的方法研究一次風(fēng)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的1/8分離器模型進行數(shù)值計算，結(jié)果顯示：隨著一次風(fēng)速的增加，煤粉溢出分離器速度增加，未經(jīng)分級作用而直接離開分離器的顆粒量增加；風(fēng)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(dǎo)致循環(huán)倍率增加。對工業(yè)磨機進行開孔改造并完成2個風(fēng)速條件下的采樣試驗，分析了風(fēng)速對分離器入料、返料和合格煤粉粒度組成的影響。數(shù)質(zhì)量平衡計算表明磨機循環(huán)倍率隨風(fēng)速的增加而增加，與基于數(shù)值模擬的計算結(jié)果呈良好的相關(guān)關(guān)系。

煤粉分離器；風(fēng)量；分離特性；數(shù)值模擬；采樣驗證

0 引言

煤粉分離器是燃煤電廠制粉系統(tǒng)控制合格煤粉細度以及中速磨煤機內(nèi)循環(huán)負荷流量的關(guān)鍵設(shè)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(yōu)化顆粒破碎環(huán)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(guān)鍵。

目前國內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，研磨后顆粒經(jīng)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(huán)境限制，研究人員無法獲取煤粉分離器內(nèi)各節(jié)點物料，因而針對煤粉分離器內(nèi)氣固多相流和顆粒運動行為的研究多采用數(shù)值模擬的方法[6-8]。Grigoriadis等人采用代數(shù)求解雷諾平均方程獲得了旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的二維數(shù)值解，通過計算顆粒的隨機軌道得到了旋風(fēng)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(nèi)風(fēng)粉混合，發(fā)現(xiàn)葉片結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致分離器內(nèi)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(fā)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(shù)值模擬冷模試驗和實際設(shè)備改造，并以此評價分離器工作性能，確定分離器優(yōu)化結(jié)構(gòu)[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(nèi)的煤粉分離器存在差異，其級效率受系統(tǒng)運行參數(shù)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(chǔ)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(fēng)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(jié)構(gòu)參數(shù)相同的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，并對不同風(fēng)量條件下煤粉在分離器內(nèi)的運動規(guī)律進行模擬。通過數(shù)值模擬與采樣試驗相互驗證的方法研究不同風(fēng)速條件下煤粉分離器分離比率的變化規(guī)律。

1 試驗研究和數(shù)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(shè)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(nèi)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(zhuǎn)外管180°，使內(nèi)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(zhuǎn)180°重新封住內(nèi)管，最后將套管拉出。合格煤粉的采樣參照電力行業(yè)標準《直吹式制粉系統(tǒng)的煤粉取樣方法》執(zhí)行。兩采樣工況時磨機的運行參數(shù)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(jié)合采樣時監(jiān)測的合格煤粉流量和數(shù)質(zhì)量平衡計算，獲得各采樣工況下循環(huán)倍率和煤粉分離器入料量[14]。

圖1 磨機采樣點設(shè)置和采樣過程示意圖

工況液壓加載力/MPa風(fēng)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(shù)值模擬對象靜態(tài)分離器的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)與工業(yè)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(jié)構(gòu)如圖2所示)。在對其進行網(wǎng)格劃分時發(fā)現(xiàn)以整體劃分難以生成網(wǎng)格，且網(wǎng)格質(zhì)量較差；自動網(wǎng)格生成會存在大量非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，影響磨機計算精度。因此，本文選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模擬區(qū)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(wǎng)格劃分，界面設(shè)置為周期性邊界。1/8實體模型劃分后的網(wǎng)格總數(shù)為281萬。

圖3為網(wǎng)格劃分后分離器模型界面、外壁以及分離器擋板處的網(wǎng)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(wǎng)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(shù)為0.004 5%，分別進行風(fēng)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(nèi)部的運動和分離比率。

(1)

2 數(shù)值模擬計算

2.1 風(fēng)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(fēng)速對煤粉分離器分離特性的影響規(guī)律。圖4分別為10 m/s,15 m/s,20 m/s，25 m/s風(fēng)速時煤粉顆粒的Z向速度分布云圖。此圖顯示，隨著一次風(fēng)速的增大，分離器內(nèi)顆粒高速向下運動的區(qū)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(qū)域隨風(fēng)速的增大而擴大。風(fēng)速變大致使氣流經(jīng)過分離器擋板后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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(nèi)部，形成短路并導(dǎo)致更多的煤粉顆粒未經(jīng)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(fēng)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(fēng)速下進行數(shù)值模擬，查看不同粒度時的模擬結(jié)果，獲得出口處煤粉體積分數(shù)，進而根據(jù)分離比率公式(3)計算出分離器的分離比率[15]。不同風(fēng)速時分離器分離比率的計算結(jié)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(shù)(%)。

由表2可知，風(fēng)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(huán)倍率將增加。風(fēng)速對煤粉分離比率的影響隨粒度的增加呈現(xiàn)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(yīng)隨風(fēng)速的增加愈加明顯，因此，不同風(fēng)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(jié)果表明，不同風(fēng)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(fēng)速尚不能抵消顆粒自重產(chǎn)生的影響。風(fēng)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(fēng)速對不同粒度顆粒出口煤粉體積分數(shù)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(shù)值模擬驗證

工況2的一次風(fēng)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(fēng)速相對較小。通常，一次風(fēng)裹挾煤粉的能力隨風(fēng)速的增加而增強，較粗的煤粉也將被一次風(fēng)輸運至煤粉分離器分級；而風(fēng)速較小時，一次風(fēng)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(fēng)量不同，但煤粉粒度組成相似。一次風(fēng)量較高的工況1的分離器入料粗顆粒含量比工況2多。為避免粗顆粒混入合格煤粉，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(shù)值模擬計算，根據(jù)煤粉的粒度組成計算不同風(fēng)速的累積分離比率。表3為數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果顯示分離器分離比率隨風(fēng)速的增大而降低，將引起分離器內(nèi)循環(huán)倍率和入料質(zhì)量增加；工業(yè)采樣試驗結(jié)果表明工況1的循環(huán)倍率與入料質(zhì)量均高于工況2，與數(shù)值模擬結(jié)論吻合。數(shù)值模擬結(jié)論與試驗結(jié)果良好的線性相關(guān)關(guān)系證明數(shù)值模擬結(jié)論的準確性，并可據(jù)此通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)的風(fēng)量優(yōu)化磨機運行狀態(tài)。

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(jié)論與現(xiàn)場試驗結(jié)果對比

中速磨煤機內(nèi)燃煤的研磨和分級是2個連續(xù)過程，因此，煤粉分離器分離特性會受到兩環(huán)節(jié)過程參數(shù)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(shù)值模擬相結(jié)合的方法，揭示了不同粒度煤粉運動速度在煤粉分離器內(nèi)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)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(fēng)量的綜合影響，因此上述分析是多種因素共同作用后的結(jié)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(fēng)量的影響，進而可避免其他參數(shù)對結(jié)果分析的干擾。

4 結(jié)論

(1)風(fēng)速增加致使分離器內(nèi)顆粒高速向下運動的區(qū)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(fēng)速還導(dǎo)致部分煤粉顆粒未經(jīng)分級而直接離開分離器。

(2)風(fēng)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(huán)倍率增加。風(fēng)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(fēng)裹挾煤粉能力隨風(fēng)速增加而增強，工況1因一次風(fēng)量較高導(dǎo)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?，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。數(shù)值模擬與工業(yè)采樣試驗均證實循環(huán)倍率隨風(fēng)速的增加而增加，兩者具有良好的線性相關(guān)關(guān)系。

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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(xué)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(tài)化過程模擬及干法分選。