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)
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。
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
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。