中儲式制粉系統(tǒng)第一級煤粉分離器改造及數(shù)值模擬計算

展可法 姜毅偉

（1.中機中電設計研究院有限公司，北京100048；2.中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 研究概述

中儲式制粉系統(tǒng)中的第一級煤粉分離器的作用，就是將磨煤機磨制出來的煤粉依顆粒的大小進行分選，即把粒度小于某粒度級的細粉作為產(chǎn)品隨干燥氣流輸送至細粉分離器或直接進入爐膛，而把粒度大于這一粒度級的粗顆粒從氣流中分離出來，并返回磨煤機重新磨制。除此之外，還對煤粉細度具有調(diào)節(jié)能力，以便在煤種、磨煤機出力或通風量變化時保證一定的煤粉細度，從而提高制粉系統(tǒng)工作的經(jīng)濟性和鍋爐的燃燒效率。對于第一級煤粉分離器，很少有人應用數(shù)值模擬的方法來研究其內(nèi)部氣流流動規(guī)律和顆粒的運動軌跡。國內(nèi)外對氣固兩相流的研究主要集中在旋風分離器、循環(huán)流化床、葉輪機械及風機等。例如英國的F.Boysan等人[1]采用代數(shù)求解雷諾平均方程獲得了旋風分離器內(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分離器的分離效率。日本的Yamamoto[2]也曾用代數(shù)應力模型計算旋風分離器內(nèi)部的情況。

此次分離器改造方案擬增加導流錐體的最下級分離盤的直徑，延長外圈動葉片的長度并改變其偏角，對分離器原結構及改造后新結構進行CFD模擬，根據(jù)模擬結果，得到特征參數(shù)進行分析，得到分離器內(nèi)的氣流流場，為改造提供理論支持。

2 試驗內(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64萬個網(wǎng)格，網(wǎng)格采用非結構化網(wǎng)格，分離擋片處進行了網(wǎng)格密化，如圖2所示。湍流模型采用標準的K-ε模型，壓力—速度離散采用SIMPLE算法，對流相選取二階迎風格式離散，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法。

定義進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、導流錐體及分離動葉片設置為無滑移標準壁面。

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

將最下級分離盤直徑擴大700 mm（模型2），對變動后的模型進行單相模擬計算，阻力變?yōu)? 311 Pa，圖5為速度場，圖6為壓力場，明顯可以看出速度分布沒有原始結構有序，且在中間級和最下級分離盤之間出現(xiàn)渦流，順帶中部和上部出現(xiàn)一系列小的渦流，壓力梯度也因為結構的變化，不再規(guī)則分布。

圖1 模型圖

圖2 網(wǎng)格圖

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

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

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

圖3 模型1 Y=0截面的速度場

圖4 模型1 Y=0截面的壓力場

圖5 模型2 Y=0截面的速度場

圖6 模型2 Y=0截面的壓力場

圖7 模型3 Y=0截面的速度場

圖8 模型3 Y=0截面的壓力場

圖9 模型4 Y=0截面的速度場

調(diào)整模型，將外圈動葉片旋轉(zhuǎn)角度回縮，調(diào)至日常運行可能的位置40°（模型5）。將進口速度增加到17 m/s，進行氣相模擬計算，此時系統(tǒng)阻力的計算結果為1 462 Pa，圖11為速度場，圖12為壓力場。

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

通過以上幾組工況的對比可以看出，外圈動葉片的角度會對系統(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，同時阻力也隨著進口速度的增加而增大。

圖10 模型4 Y=0截面的壓力場

圖11 模型5 Y=0截面的速度場（17 m/s）

圖12 模型5 Y=0截面的壓力場（17 m/s）

圖13 模型5 Y=0截面的速度場（21 m/s）

圖14 模型5 Y=0截面的壓力場（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 結語

中儲式制粉系統(tǒng)第一級煤粉分離器內(nèi)部流場還是相對復雜的，通過改進結構，系統(tǒng)阻力的變化以及流場的變化相對明顯。增加最下級分離盤直徑700 mm后，局部產(chǎn)生了一些氣流漩渦，但并沒有對整個系統(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，同時加長外圈動葉片的長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。