基于PC-CFB的磨煤機(jī)分離器產(chǎn)品細(xì)度數(shù)值模擬

尚曼霞，姚禹歌，柯?，|，周托，黃中

(清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084)

為助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我國(guó)提出要構(gòu)建適應(yīng)新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)[1]，然而新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全構(gòu)成巨大沖擊。因此，煤電的定位將由電量型向調(diào)節(jié)型轉(zhuǎn)變，以保證電網(wǎng)的安全。循環(huán)流化床實(shí)現(xiàn)了劣質(zhì)煤的高效清潔利用，在中國(guó)的煤電裝機(jī)容量中占比約為10%，也是未來(lái)參與電網(wǎng)深度調(diào)峰的主力。然而，循環(huán)流化床鍋爐在負(fù)荷調(diào)節(jié)速率、深度低負(fù)荷及低負(fù)荷下的NOx排放控制、受熱面磨損等方面，還有較大的改善空間[2-3]。研究和工業(yè)驗(yàn)證表明[4-5]，降低循環(huán)流化床鍋爐給煤粒度能夠提高鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)速率、降低NOx的原始排放等，改善鍋爐運(yùn)行特性?；谇叭说难芯砍晒罢n題組多年的探索積累，本文提出了粉煤循環(huán)流化床(powdered coal-circulating fluidized bed, PCCFB)燃燒技術(shù)[6]，通過(guò)將流化床給煤粒度由傳統(tǒng)的0～10 mm 寬篩分分布降低為0～1 mm 的窄篩分分布，降低床料粒度，提高床質(zhì)量[7]；通過(guò)流態(tài)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)，強(qiáng)化低氮燃燒需要的還原性氣氛，并為延長(zhǎng)細(xì)顆粒石灰石在爐內(nèi)的停留時(shí)間提供了保證，同時(shí)燃料顆粒的反應(yīng)表面積得到提高，有利于燃燒性能的改善。

制粉是實(shí)現(xiàn)PC-CFB技術(shù)的核心，采用中速磨煤機(jī)實(shí)現(xiàn)粉煤的制備。其中，磨煤機(jī)頂部分離器是決定產(chǎn)品細(xì)度的關(guān)鍵，學(xué)者們對(duì)其開(kāi)展了眾多的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究。茍琮琦等[8]對(duì)某電廠ZGM95G型中速磨煤機(jī)進(jìn)行了分離器轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)、磨煤機(jī)通風(fēng)量試驗(yàn)等，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化得出了新的磨煤機(jī)出力與分離器轉(zhuǎn)速及磨煤機(jī)風(fēng)量對(duì)應(yīng)等曲線，改善了磨煤機(jī)煤粉細(xì)度；李紅[9]利用按4∶1 比例縮小的實(shí)驗(yàn)室煤粉分離器，開(kāi)展了變風(fēng)量的煤粉分離試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)綜合分離效率在中間風(fēng)量(150 m3/h)時(shí)，達(dá)到最大值(約為40%)，并隨著風(fēng)量的增大而保持平穩(wěn)。由于工業(yè)型磨煤機(jī)占地大，實(shí)驗(yàn)操作較為困難且成本高，因此許多學(xué)者利用數(shù)值模擬手段開(kāi)展了相關(guān)研究。VUTHALURU 等[10]利用Euler-Euler 方法對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算，獲得了流場(chǎng)及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡；呂太等[11]采用離散相模型(discrete phase model, DPM)和RNG 模型(re-normalization group model)對(duì)不同擋板開(kāi)度下分離器內(nèi)部氣體流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)分離器擋板開(kāi)度越小，分離效果越好，但同時(shí)內(nèi)部阻力也會(huì)增大，最終確定了最佳擋板開(kāi)度區(qū)間；LIU等[12]采用DPM和RNG模型對(duì)磨煤機(jī)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了計(jì)算，并探討了擋板形狀、數(shù)量等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)和分離器分離效率的影響，優(yōu)化了擋板設(shè)計(jì)。

但前人研究中的產(chǎn)品粒度均為0～200 μm 的常規(guī)產(chǎn)品粒度范圍，不滿足PC-CFB 技術(shù)的制粉要求，且采用的計(jì)算模型未考慮顆粒對(duì)流體的作用以及顆粒間的相互作用。為此，本文作者以一臺(tái)工業(yè)型磨煤機(jī)為對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算精度更高的稠密離散相模型(dense discrete phase model, DDPM)和顆粒流動(dòng)力學(xué)理論(kinetic theory of granular flow,KTGF)的四向耦合方法，對(duì)拆除擋板后的工業(yè)型磨煤機(jī)分離器內(nèi)部的氣固流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值研究，以期提高產(chǎn)品煤粉細(xì)度，滿足PC-CFB技術(shù)對(duì)入爐煤粒度的要求。

1 磨煤機(jī)分離器數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象為ZGM80 型磨煤機(jī)分離器，其幾何模型如圖1所示。

圖1 磨煤機(jī)分離器幾何模型Fig. 1 Geometric model of vertical spindle mill separator

采用ICEM CFD 軟件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，取Y=1.2 m 截面與X=1.5 m 截面交界線上的切向速度進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖2(a)所示。由圖2(b)可知：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從54萬(wàn)個(gè)變?yōu)?96萬(wàn)個(gè)時(shí)，切向速度變化范圍在5%以內(nèi)，考慮到計(jì)算成本，最終選取的網(wǎng)格數(shù)為54 萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格劃分情況如圖2(c)所示。

圖2 磨煤機(jī)分離器網(wǎng)格Fig. 2 Grids of vertical spindle mill separator

1.2 數(shù)學(xué)模型

煤粉由氣流攜帶自下向上進(jìn)入分離器內(nèi)部，粗顆粒煤粉在離心力的作用下被甩到分離器壁面附近，并在重力作用下返回到磨機(jī)內(nèi)部繼續(xù)研磨；細(xì)顆粒煤粉則由氣流攜帶經(jīng)分離器頂部出口作為產(chǎn)品排出。分離器內(nèi)部的流動(dòng)為帶有旋流的湍流，對(duì)這類流動(dòng)描述較為準(zhǔn)確的有大渦模擬(large eddy simulation, LES)、雷諾應(yīng)力模型(reynolds stress model, RSM)等，考慮到計(jì)算成本及時(shí)間，采用RSM模型[13-14]。

對(duì)煤粉顆粒的追蹤采用DDPM 模型計(jì)算。該方法考慮了顆粒對(duì)流體的作用以及顆粒間的相互作用，引入“parcel”的概念將顆粒“打包”計(jì)算，并將顆粒相群體的特性映射到歐拉網(wǎng)格計(jì)算連續(xù)顆粒應(yīng)力場(chǎng)，在計(jì)算精度和計(jì)算成本上都具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[15-18]。

1.2.1 氣相控制方程

磨煤機(jī)分離器內(nèi)的氣體流動(dòng)可視為等溫流動(dòng)，氣相的質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程如下。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中：εg為氣相體積分?jǐn)?shù)；ρg為氣相密度，kg/m3；vg為氣相速度，m/s；p為混合相壓力，Pa；τg為氣相的應(yīng)力張量；g為重力加速度，m/s2；Kgp為每個(gè)網(wǎng)格單元從固相到氣相的界面動(dòng)量交換系數(shù)；vp為顆粒速度，m/s。

1.2.2 顆粒相控制方程

DDPM 模型中，顆粒相在拉格朗日參考系中進(jìn)行描述，采用牛頓第二定律描述顆粒運(yùn)動(dòng)[19]：

式中：ρp為顆粒密度，kg/m3；表示重力引起的顆粒加速度，m/s2；表示由壓力梯度力引起的顆粒加速度，m/s2；表示由顆粒間相互作用力引起的顆粒加速度，m/s2；FD(vg-vp)表示由曳力引起的顆粒加速度，m/s2。曳力FD采用Gidaspow模型進(jìn)行計(jì)算[17]：

式中：CD為曳力系數(shù)；εP為固相體積分?jǐn)?shù)；dp為顆粒直徑，m；μg為氣相動(dòng)力黏度，Pa·s。

顆粒應(yīng)力張量σp表示基于歐拉網(wǎng)格計(jì)算的顆粒間相互作用，采用下式進(jìn)行計(jì)算[18]：

式中：pp為固相壓力，Pa；為單位張量；μP和λP分別為固相動(dòng)力黏度和體積黏度，Pa·s，具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[20-21]。

1.3 邊界條件

圖1中，磨煤機(jī)分離器底部紅色圓環(huán)區(qū)域?yàn)闅怏w和顆粒的入口，將其設(shè)為速度入口邊界；磨煤機(jī)在正常工作條件下，分離器內(nèi)部為200 ℃左右的高溫狀態(tài)，故將氣體設(shè)定為200 ℃的空氣，速度為5.6 m/s；顆粒入射速度與氣體一致，密度設(shè)為1 300 kg/m3，入口粒度分布如圖3所示；分離器頂部黃色圓環(huán)區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)品出口，底部藍(lán)色圓環(huán)區(qū)域?yàn)榉盗铣隹?。將入口與產(chǎn)品出口設(shè)置為完全逃逸邊界，返料出口設(shè)置為捕捉邊界，壁面設(shè)置為反射邊界。采用瞬態(tài)計(jì)算，經(jīng)過(guò)調(diào)整，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s。

圖3 入口粒度分布Fig. 3 Particle size distribution at inlet

2 結(jié)果與討論

計(jì)算前，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示，模型計(jì)算所得的煤粉產(chǎn)率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的偏差在5%以內(nèi)，且產(chǎn)品粒度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相近，平均偏差在10%以內(nèi)，證明所選模型具有較高的精確度，因此，采用模型對(duì)磨煤機(jī)分離器內(nèi)的氣固流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

圖4 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]的比較Fig. 4 Comparison of calculation results with experimental data[9]

2.1 磨煤機(jī)分離器內(nèi)部流場(chǎng)

選取Z=0 m 的截面查看流場(chǎng)的速度矢量分布，分析磨煤機(jī)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)特性。圖5(a)、(b)、(c)所示分別為氣體的軸向、徑向和切向速度矢量分布，三者均呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱分布。相較于軸向速度，徑向速度與切向速度分布均勻，其中徑向速度在分離器內(nèi)外錐體相接區(qū)域與下部返料出口區(qū)域數(shù)值明顯增大，這是由于氣體在流經(jīng)該處區(qū)域時(shí)截面變窄，最終被加速；由于缺少了擋板的導(dǎo)流作用，氣體進(jìn)入分離器內(nèi)錐體區(qū)后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)被削弱，切向速度較小，其低于8 m/s 時(shí)，有利于粗顆粒的排出，提高產(chǎn)品細(xì)度。

圖5 磨煤機(jī)分離器Z=0 m截面速度矢量分布Fig. 5 Velocity vector distributions in Z=0 m section of vertical spindle mill separator

圖6 分離器不同區(qū)域軸向速度分布Fig. 6 Axial velocity distributions in different areas of separator

分離器內(nèi)不同區(qū)域軸向速度分布差別較大，因此，選取Z=0 m與Y=0.40、0.60、1.40和1.95 m 4個(gè)具有代表性截面的交界線提取數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。經(jīng)過(guò)分離器入口時(shí)氣體流速較低，由于通過(guò)的區(qū)域截面不斷變窄，氣體被加速，內(nèi)、外錐體相接區(qū)域處，氣速可達(dá)15 m/s。由于構(gòu)造原因，靠近內(nèi)邊壁區(qū)域的氣速大于外邊壁區(qū)域的氣速，約為5 m/s；通過(guò)分離器內(nèi)、外錐體相接的區(qū)域后，氣體分為兩路，一路沿頂部產(chǎn)品出口流出，且速度相近；一路轉(zhuǎn)而向下沿底部返料出口流出，且由于內(nèi)錐體的構(gòu)造，區(qū)域截面不斷收窄，氣體速度沿Y軸負(fù)向不斷增大，最高可達(dá)70 m/s。

2.2 磨煤機(jī)分離器內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)

在流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，加入顆粒進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行分析之前，首先應(yīng)該保證模擬中，系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)隨時(shí)間的穩(wěn)定性分析主要通過(guò)監(jiān)測(cè)分離器產(chǎn)品出口和返料出口的顆粒質(zhì)量流率來(lái)確定。2個(gè)出口的顆粒質(zhì)量流率隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。由圖7可知：在初始階段，由于顆粒需要一定的時(shí)間運(yùn)動(dòng)到出口，2個(gè)出口的顆粒質(zhì)量流率為0 kg/s；t=0.6 s，出口開(kāi)始監(jiān)測(cè)到顆粒；2個(gè)出口的顆粒質(zhì)量流率穩(wěn)定增長(zhǎng)，t=5.0 s時(shí)，產(chǎn)品與返料質(zhì)量流率趨于穩(wěn)定，分別約為10.6 kg/s 和38.9 kg/s。因此，可以判定，當(dāng)t=5.0 s，分離器系統(tǒng)已達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7 分離器出口顆粒質(zhì)量流率曲線Fig. 7 Particle mass flow rate curves at separator outlet

圖8所示為不同時(shí)刻分離器內(nèi)部顆粒的粒度分布情況。顆粒從外錐體區(qū)底部進(jìn)入，在上升氣流的作用下向上運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)內(nèi)、外錐體相接的區(qū)域，進(jìn)入到內(nèi)錐體區(qū)，隨后一部分顆粒上升至產(chǎn)品出口，一部分顆粒下落至返料出口。由圖8(a)可以看出：最細(xì)的顆粒從分離器底部運(yùn)動(dòng)到內(nèi)、外錐體相接的區(qū)域所需的時(shí)間約為0.3 s，粗顆粒仍分布在外錐體區(qū)域。另外，顆粒在外錐體區(qū)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，細(xì)顆粒上升速度明顯比粗顆粒的快。從圖8(b)可見(jiàn)：t=0.6 s時(shí)，大部分細(xì)顆粒進(jìn)入內(nèi)錐體區(qū)域，且已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至底部返料出口。從圖8(c)可見(jiàn)：t=1.0 s時(shí)，在入口顆粒的持續(xù)注入下，分離器內(nèi)部顆粒數(shù)量明顯增多，且顆粒在分離器中的粒度分層現(xiàn)象更加顯著，細(xì)顆粒主要分布在分離器頂部區(qū)域；從圖8(d)可見(jiàn)：t=5.0 s 時(shí)，分離器內(nèi)部顆粒流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，產(chǎn)品出口、返料出口均有顆粒連續(xù)穩(wěn)定排出，且細(xì)顆粒集中分布在內(nèi)錐體區(qū)域。

圖8 不同時(shí)刻分離器內(nèi)顆粒粒度分布Fig. 8 Particle size distributions in separator at different time

通過(guò)以上分析，當(dāng)t=5.0 s 時(shí)，整個(gè)分離器已經(jīng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。因此，選取t=5.0 s 后的某一時(shí)刻，即t=6.0 s，分析顆粒的粒度分布。圖9所示為Z=0 m 與Y=0.40、0.60、1.40 和1.95 m 截面的顆粒粒度分布云圖。圖8(a)中，顆粒呈現(xiàn)明顯的分級(jí)現(xiàn)象，尤其在內(nèi)錐體區(qū)，大量的粗顆粒在離心力、曳力和重力的共同作用下，沿著邊壁下落到返料出口；細(xì)顆粒則進(jìn)入分離器頂部沿產(chǎn)品出口流出。由圖9(b)～(e)可知：顆粒沿截面半徑分級(jí)的情況較為明顯，細(xì)顆粒多分布在內(nèi)壁區(qū)域，而粗顆粒多分布在外壁區(qū)域。

圖9 顆粒粒度分布云圖(t=6.0 s)Fig. 9 Contours of particle size distribution(t=6.0 s)

對(duì)t=6.0 s 時(shí)產(chǎn)品出口的顆粒粒度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10 所示，產(chǎn)品粒度分布符合PCCFB技術(shù)的要求。

圖10 產(chǎn)品出口粒度分布Fig. 10 Particle size distribution at product outlet

由于拆除了磨煤機(jī)分離器頂部擋板，且廠家提供的原有的通風(fēng)特性曲線為各種規(guī)格ZGM型磨煤機(jī)的通風(fēng)特性的歸納，只適用于工程上的粗略估計(jì)，因此，需要對(duì)不同通風(fēng)量下分離器的溢流產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算，以獲得改造后分離器的通風(fēng)特性曲線。溢流產(chǎn)率M[9]的計(jì)算公式如下：

式中：mo和mf分別為分離器產(chǎn)品出口和入料的質(zhì)量，kg。

計(jì)算所得的不同通風(fēng)量下的出力如圖11所示。采用線性擬合得到分離器的通風(fēng)量(x)與出力(y)間的關(guān)系式為y=2.85x-39.64，決定系數(shù)為0.993 78。

圖11 磨煤機(jī)分離器通風(fēng)特性曲線Fig. 11 Ventilation characteristic curve of vertical spindle mill separator

3 結(jié)論

1) 為實(shí)現(xiàn)PC-CFB技術(shù)對(duì)入爐煤粒度的要求，將磨煤機(jī)分離器頂部的擋板拆除，應(yīng)用DDPM 模型對(duì)ZGM80 型磨煤機(jī)分離器內(nèi)部的氣固流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算。分離器內(nèi)部徑向速度與切向速度分布均勻。由于缺少擋板的導(dǎo)流作用，切向速度被削弱；軸向速度在分離器內(nèi)部不同區(qū)域分布差別較大。

2) 顆粒在分離器內(nèi)粒度分層現(xiàn)象明顯，細(xì)顆粒上升速度明顯快于粗顆粒上升速度。在氣流攜帶下，返料出口最先有顆粒排出。t=5.0 s時(shí)產(chǎn)品與返料2個(gè)出口的顆粒質(zhì)量流率均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且產(chǎn)品出口粒度分布滿足PC-CFB技術(shù)對(duì)入爐煤粒度的要求，驗(yàn)證了拆除分離器擋板是切實(shí)有效的。

3) 對(duì)不同通風(fēng)量下的出力進(jìn)行了計(jì)算，獲得了拆除擋板后分離器的通風(fēng)特性關(guān)系式，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)。