風(fēng)粉混合器內(nèi)氣固兩相流動的模擬及試驗(yàn)研究

張 朝，崔豫泓，劉 羽，王鵬濤

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

氣固兩相流廣泛存在于各類工業(yè)生產(chǎn)中，煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中風(fēng)粉混合器內(nèi)一次風(fēng)與煤粉的混合屬于典型的氣固兩相流動工況[1]。風(fēng)粉混合器是實(shí)現(xiàn)煤粉與一次風(fēng)快速、均勻混合的關(guān)鍵設(shè)備，對不同風(fēng)粉混合器內(nèi)兩相流動力場的測量及分析對比，對于優(yōu)化風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化風(fēng)粉混合效率及提高一次風(fēng)粉的均勻穩(wěn)定供給具有重要意義[2-3]。

近年來隨著數(shù)值計(jì)算不斷發(fā)展，鍋爐領(lǐng)域煤粉與一次風(fēng)兩相流動的研究多以試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合而展開。楊姣等[3]采用湍流黏性離散相射流模型和SIMPLE算法針對鍋爐送粉管道氣固兩相流流動開展了數(shù)值計(jì)算，為改進(jìn)一次風(fēng)管縮孔提供了有益探索。潘衛(wèi)國等[4]采用基于擬流體假設(shè)的歐拉方法對彎曲圓管及復(fù)雜管線內(nèi)氣固兩相流動開展了數(shù)值計(jì)算研究，其中表征氣固兩相間相互作用的氣固曵力系數(shù)模型采用的是Syamlal-O′Brien模型，氣相湍流模型采用Standardk-ε模型，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，證實(shí)了兩相流模型及湍流模型的準(zhǔn)確性，以及商用CFD軟件Fluent是一種有效研究鍋爐系統(tǒng)一次風(fēng)氣固兩相流的手段。李紅文等[5]采用Fluent中氣固兩相流離散相模型(DPM)計(jì)算了文丘里管內(nèi)氣固兩相流場，在結(jié)合氣相流場分析與固相顆粒受力分析的基礎(chǔ)上，提出DPM模型優(yōu)化的4項(xiàng)措施。張濤等[6]同樣采用DPM優(yōu)化了管道復(fù)雜流場氣固兩相流。宗營營等[7]利用RNGk-ε湍流模型和拉格朗日離散相模型對燃燒器煤風(fēng)管道內(nèi)煤粉顆粒-空氣兩相流場進(jìn)行耦合數(shù)值模擬，研究了固體顆粒運(yùn)動對管道內(nèi)沖蝕磨損的影響。孫晨等[8]分析了氣固兩相流模型在流場分析中的研究進(jìn)展。但鮮見針對煤粉工業(yè)鍋爐中儲式風(fēng)粉供料器內(nèi)氣固兩相流開展相關(guān)研究。

本文以煤粉工業(yè)鍋爐中儲式風(fēng)粉供料器為研究對象，采用Fluent軟件，基于兩相流模型對風(fēng)粉混合器內(nèi)兩相流流場開展非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，分析不同結(jié)構(gòu)風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時間對顆粒濃度分布特征的影響；并采用德圖testo425熱敏風(fēng)速儀測定了2種風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化曲線，總結(jié)煤粉落料量對風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化的影響規(guī)律。

1 研究方法

1.1 理論模型

流理論模型包括多相連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型、基于統(tǒng)計(jì)分子動力學(xué)的分子動力學(xué)模型和建立在介觀層次上的格子-Boltzmann模型，其中多相連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型在工程中得到了廣泛應(yīng)用[9]。多相連續(xù)介質(zhì)模型又包括無滑移單流體模型、多(雙)流體模型、顆粒動力學(xué)模型及分散顆粒群軌跡模型。

無滑移單流體模型將多相合并為一特殊的單相流體，假定顆粒速度、湍流擴(kuò)散系數(shù)與當(dāng)?shù)貧怏w速度、湍流擴(kuò)散系數(shù)相同，而大多情況下懸浮體中的流體與顆粒之間存在速度差等，造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別較大，一般多適用于力度很小的固體沉積計(jì)算中[10]。顆粒動力學(xué)模型只考慮單個顆粒在已確定流場的連續(xù)相流體中的受力和運(yùn)動，即單相耦合；分散顆粒群軌跡模型中分散相與連續(xù)相可以交換動量、質(zhì)量和能量，即實(shí)現(xiàn)雙向耦合求解，但二者主要適用于體積分?jǐn)?shù)小于10%的多相流系統(tǒng)。基于歐拉框架建立的多(雙)流體模型將各相視為相互滲透、耦合但又保持各自運(yùn)動特征的連續(xù)介質(zhì)。相比于單流體模型，雙流體模型考慮了固相的湍流輸運(yùn)以及氣固兩相間相互滑移引起的阻力，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更加接近?；陲L(fēng)粉混合器內(nèi)固相體積占比及Fluent軟件自身特點(diǎn)，本文計(jì)算選用多相連續(xù)介質(zhì)模型中的Eulerian雙流體模型[11-12]。

1.2 基本方程

冷態(tài)雙流體模型基本方程由守恒方程和封閉方程構(gòu)成。冷態(tài)雙流體模型的守恒方程是由質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)和動量守恒方程組成。

1)連續(xù)性方程

以g代表氣相，s代表固相，則對于氣相連續(xù)性方程[13]可表示為

(1)

式中，αg為氣相體積分?jǐn)?shù)，無量綱數(shù)；ρg為氣相物理密度，kg/m3；vg,j為氣相速度，m/s。

將式(1)代表氣相的參數(shù)表示為固相即可得固相連續(xù)性方程,即

(2)

2)動量守恒方程

(3)

式(3)右側(cè)每項(xiàng)分別代表氣相靜壓力、壓力應(yīng)變張量、氣固曳力、體積力、升力和虛擬質(zhì)量力。本計(jì)算忽略升力和虛擬質(zhì)量力，則式(3)簡化為

(4)

將式(4)代表氣相的參數(shù)表示為固相，即可得固相動量守恒方程：

(5)

3)相間耦合

對于兩相流計(jì)算，相間耦合是關(guān)鍵部分，對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本計(jì)算針對冷態(tài)氣固兩相流模擬，因此僅考慮動量間耦合，即氣固曳力。

(6)

本文采用Schilller-Naumann模型表征氣固相動量之間的耦合，該模型中的曳力系數(shù)表達(dá)式[14]為

(7)

(8)

(9)

4)Eulerian雙流體模型封閉方程

αg+αs=1

(10)

(11)

(12)

1.3 計(jì)算方法及初始化

本文選用瞬態(tài)計(jì)算方法，對于煤粉-空氣兩相流動，采用相間耦合的SIMPLE算法[15-16]。對于氣相與固相，二者質(zhì)量流量、速度和體積分?jǐn)?shù)分別通過各自壓力進(jìn)行校正。

初始化是求解前重要的一步，對于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及收斂性具有重要影響。對于本計(jì)算，初始化包括2部分，第1部分為全流場的初始化，選取所有區(qū)域使邊界上設(shè)定的值計(jì)算出初始值完成對全部流場的平均初始化；由于本計(jì)算中初始狀態(tài)下風(fēng)粉混合器的上一部分為固相，因此還需對該區(qū)域的固相容積份額進(jìn)行初始化，故第2部分為固相區(qū)域的初始化，定義初始固相區(qū)域?yàn)榫嚯x風(fēng)粉混合器頂部50 mm的空間，且設(shè)定固相容積份額為0.9，最后完成固相區(qū)域的初始化。

1.4 幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算2種風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。2種結(jié)構(gòu)的長、寬、垂直高度以及出粉管直徑一致，且文丘里結(jié)構(gòu)出口直徑均為40 mm，文丘里伸入長度均為75 mm，區(qū)別在于豎直結(jié)構(gòu)的出粉管及文丘里中心高度為160 mm，而傾斜結(jié)構(gòu)的出粉管及文丘里中心高度為120 mm，傾斜角度為60°。

圖1 風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Structural dimension of air-powder mixer

采用ICEM軟件，基于幾何拓?fù)鋵W(xué)知識，將2種風(fēng)粉混合器劃分出了合適的塊，并對不同塊上的邊劃分了適宜的節(jié)點(diǎn)，最終生成三維網(wǎng)格，網(wǎng)格示意如圖2所示。

圖2 風(fēng)粉混合器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.2 Grid structure of air-powder mixer

改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邊上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以生成不同數(shù)量的網(wǎng)格，為了排除網(wǎng)格數(shù)量對風(fēng)粉混合器模擬結(jié)果的影響，還進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。本文劃分的網(wǎng)格數(shù)量為50萬、80萬、100萬。采用單相冷態(tài)模擬檢驗(yàn)的方式，選取風(fēng)粉混合器豎直段中心線上6個點(diǎn)，分析6點(diǎn)速度與網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系如圖3所示。結(jié)果表明50萬的網(wǎng)格與后兩者存在異一定差異，而80萬的網(wǎng)格可以實(shí)現(xiàn)與100萬網(wǎng)格相同的計(jì)算結(jié)果。因此，本文選用的網(wǎng)格數(shù)量為80萬。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下豎直風(fēng)粉混合器中心軸線處速度分布Fig.3 Velocity distributions at the central axis of vertical air powder mixer with different number of grids

1.5 物性參數(shù)及邊界條件

工業(yè)鍋爐風(fēng)粉混合器內(nèi)典型工況1.1 kg煤粉/kg空氣給定，煤粉密度設(shè)為2 500 kg/m3，黏度10 kg/(m·s)；空氣密度1.293 kg/m3，動力黏度等保持默認(rèn)設(shè)置。

風(fēng)粉混合器文丘里入口采用速度入口條件，風(fēng)粉混合器出粉管出口采用壓力出口，具體設(shè)置見表1。風(fēng)粉混合器頂部煤粉落料口附近對煤粉初始化邊界條件為局部煤粉容積份額0.95；壁面處空氣采用壁面函數(shù)法和無滑移邊界條件。

表1 邊界條件設(shè)置

2 風(fēng)粉混合器內(nèi)氣固兩相流動數(shù)值模擬

2.1 豎直混合器內(nèi)顆粒濃度分布特性

本文采用瞬態(tài)計(jì)算方法，顆粒在豎直風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時間從0增加至1 s時縱向截面流場顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖4所示。

圖4 不同時刻豎直風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度分布云圖Fig.4 Cloud chart of particle concentration distribution in the vertical air-powder mixer at different times

由圖4可知，隨著煤粉顆粒在風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時間由0增加至0.25 s時，風(fēng)粉混合器上半部分顆粒質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)逐漸減小并接近0，同時下半部分及文丘里管底部顆粒質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)逐漸增加，且當(dāng)停留時間由0.25 s增加至1 s時，底部顆粒沉積現(xiàn)象一直存在。這說明該風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)容易造成煤粉顆粒在底部積累，存在較大的顆粒流動死角，可能是造成風(fēng)粉混合器內(nèi)風(fēng)粉混合不均及供料波動的重要因素之一。

造成豎直風(fēng)粉混合器底部顆粒沉積嚴(yán)重的主要原因包括：① 出粉管距離底部偏高，易造成顆粒堆積；② 顆粒由風(fēng)粉混合器頂部垂直落入風(fēng)粉混合器內(nèi)，需在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)由垂直方向的運(yùn)動迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻倪\(yùn)動，且沒有外界導(dǎo)流部件，僅有水平方向的高速一次風(fēng)，故在風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒運(yùn)動容易受到不穩(wěn)定因素的干擾，而造成顆粒運(yùn)動軌跡混亂及流動死區(qū)的現(xiàn)象。

2.2 改進(jìn)的風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度分布特性

同樣采用瞬態(tài)計(jì)算方法得到顆粒在傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時間從0增加至1 s時縱向截面流場顆粒質(zhì)量濃度分布云圖，具體如圖5所示。

由圖5可知，隨著煤粉顆粒在風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時間由0增至0.3 s時，風(fēng)粉混合器上半部分顆粒質(zhì)量濃度逐漸減小并接近0，而此時下半部分及文丘里管底部顆粒質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)逐漸增加，當(dāng)停留時間由0.1 s增加至0.3 s時，底部顆粒濃度基本維持不變，而當(dāng)停留時間大于0.3 s時，風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度基本降至0。傾斜的風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)可以避免煤粉顆粒在底部積累，消除了顆粒流動死角，對于強(qiáng)化風(fēng)粉混合器內(nèi)風(fēng)粉混合及減小供料波動具有重要意義。

相比于豎直結(jié)構(gòu)，傾斜結(jié)構(gòu)降低了風(fēng)粉氣流流出管高度，且增強(qiáng)了風(fēng)粉混合器邊壁對顆粒的導(dǎo)流作用，同樣的顆粒垂直落料速度，后者由于傾斜邊壁的存在，為顆粒增加了水平方向的速度分量，更有助于顆粒在相同高度下，實(shí)現(xiàn)速度快速轉(zhuǎn)變。

3 風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

基于煤科院20 t/h煤粉工業(yè)鍋爐供料及一次風(fēng)系統(tǒng)，開展現(xiàn)場工程試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖6所示。本試驗(yàn)系統(tǒng)由羅茨鼓風(fēng)機(jī)(一次風(fēng)機(jī))、一次風(fēng)粉管道、煤粉塔(包括煤粉大儲倉、中間儲倉)、煤粉供料器、風(fēng)粉混合器、燃燒器及其余鍋爐系統(tǒng)組成。

圖5 不同時刻傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度分布云圖Fig.5 Cloud chart of particle concentration distribution in declining air-powder mixerat different times

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic diagram of test system

試驗(yàn)首先啟動羅茨風(fēng)機(jī)，吹掃風(fēng)粉管道，同時測量不供料時風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓值；然后正常啟爐，6 Hz啟動供料器，并按規(guī)定方法調(diào)節(jié)鍋爐相關(guān)設(shè)備，待鍋爐各項(xiàng)參數(shù)正常且爐膛負(fù)壓、排煙氧含量穩(wěn)定后，測量6 Hz供料量下風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化，測量時間約1 min，記錄測量時間段內(nèi)負(fù)壓變化上下值及平均值。此后按每增加3 Hz供料量為一個工況，采用上述相同方法測量負(fù)壓變化。

采用德圖testo425熱敏風(fēng)速儀，測量2種不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器在不同落料量下的負(fù)壓，測量點(diǎn)位于風(fēng)粉混合器頂部向下約50 mm的中心處。對比分析風(fēng)粉混合器內(nèi)氣固兩相流流場的穩(wěn)定性，間接判斷其供料的穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

豎直風(fēng)粉混合器及傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓上下限隨供料量的變化見表2。由表2可知，2種結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓均隨供料量的增大而逐漸降低，這主要是因?yàn)殡S供料量的增大，風(fēng)粉混合器內(nèi)煤粉物料占據(jù)空間增大，即可用于形成負(fù)壓的氣相空間減小，而文丘里結(jié)構(gòu)保持不變，故由文丘里高速引射造成的負(fù)壓值減小，造成風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓逐漸減小。但是對于傾斜結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器，相同的供料量下負(fù)壓均大于豎直結(jié)構(gòu)風(fēng)粉混合器，特別是高供料頻率下(供料大于18 Hz)，傾斜結(jié)構(gòu)負(fù)壓變化下限比豎直結(jié)構(gòu)負(fù)壓上限高，且傾斜結(jié)構(gòu)負(fù)壓上限比豎直結(jié)構(gòu)上限高約1 000 Pa。因此，傾斜結(jié)構(gòu)風(fēng)粉混合器具有較寬的供料適用范圍，且能保證煤粉物料的快速均勻混合。

豎直風(fēng)粉混合器及傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)不同供料量下負(fù)壓平均值變化如圖7所示。由圖7可知，試驗(yàn)范圍內(nèi)傾斜風(fēng)粉混合器負(fù)壓平均值均大于豎直結(jié)構(gòu)。豎直風(fēng)粉混合器在高落料量下，平均負(fù)壓偏小，幾乎接近正壓，且在測試過程中發(fā)現(xiàn)存在間斷正壓噴粉的現(xiàn)象，故該風(fēng)粉混合器在高落料量下負(fù)壓不足，是造成風(fēng)粉混合不理想，供料波動較大主要原因。而高落料量下傾斜風(fēng)粉混合器負(fù)壓平均值仍大于-1 000 Pa，且測試期間并無噴粉現(xiàn)象。綜上，針對該供料系統(tǒng)，傾斜風(fēng)粉混合器具有穩(wěn)定且較寬的負(fù)壓變化范圍，相比于豎直結(jié)構(gòu)，能較好克服供料波動大的現(xiàn)象。

圖7 不同落料量下豎直風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓平均值Fig.7 Average negative pressure in the vertical air-powder mixer under different blanking amount

2種風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)在21 Hz供料量下數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)測點(diǎn)處負(fù)壓值對比如圖8所示。由圖8可知，該供料量下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值非常接近，負(fù)壓相差小于30 Pa，誤差小于5%，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

圖8 21 Hz供料量下數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)測點(diǎn)處負(fù)壓值Fig.8 Numerical calculation and test negative pressure value under 21 Hz feed quantity

4 結(jié) 論

1)針對豎直及傾斜2種不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器，通過Fluent數(shù)值計(jì)算及工程試驗(yàn)，探究了風(fēng)粉混合器內(nèi)不同停留時間下顆粒濃度分布特征及不同落料量下風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化規(guī)律。停留時間由0.25 s增加至1 s時，傾斜風(fēng)粉混合器底部煤粉顆粒堆積，存在明顯的顆粒流動死角，是造成風(fēng)粉混合不均及供料波動的重要原因之一。

2)停留時間大于0.3 s時，傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度基本降至0，較好地避免了煤粉顆粒在底部積累，消除了顆粒流動死角，對于強(qiáng)化風(fēng)粉及減小供料波動具有積極作用。

3)工程試驗(yàn)表明，高落料量下豎直結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓偏低，且存在間斷的噴粉現(xiàn)象，而傾斜結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器仍能保持較高的負(fù)壓，對于克服供料波動具有較好的效果。