李永華，程學(xué)遠(yuǎn)，魏杰儒

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

煤粉分離器是制粉系統(tǒng)的重要組成部分，其作用就是將磨煤機(jī)磨出的較粗的不合格煤粉分離出來，返回磨煤機(jī)重新研磨，合格煤粉則送到細(xì)粉分離器或直接送入爐膛燃燒，其運(yùn)行性能對(duì)制粉系統(tǒng)以及整個(gè)鍋爐機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很大的影響［1］。靜動(dòng)葉組合式旋轉(zhuǎn)煤粉分離器主要是由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子動(dòng)葉和導(dǎo)向靜葉組成，其分離原理是依靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使帶粉氣流旋轉(zhuǎn)，煤粉粒子在旋轉(zhuǎn)分離區(qū)內(nèi)水平方向主要受攜帶氣流的曳引力和離心力作用，當(dāng)粒子受到的離心力大于氣流的曳引力時(shí)，粒子就會(huì)飛逸出分離區(qū)域，在渦流旋力作用下從氣粉流中分離出來返回到磨煤機(jī)再度研磨。同時(shí)煤粉顆粒還會(huì)與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片發(fā)生碰撞而飛逸出分離器的分離區(qū)域，但葉片的撞擊作用相對(duì)小得多。旋轉(zhuǎn)煤粉分離器具有出口煤粉均勻性指數(shù)高、分離效率高、煤粉細(xì)度可調(diào)性及煤粉均勻性好等優(yōu)點(diǎn)［2～4］。文獻(xiàn)［2］采用RNG k-ε 模型對(duì)煤粉分離器進(jìn)行了數(shù)值研究，并且得到了其出粉效率和通風(fēng)阻力隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)。本文采用能夠容納真實(shí)粒子分布的Rosin-Rammler分布情況對(duì)煤粉顆粒運(yùn)行軌跡進(jìn)行分析計(jì)算，使數(shù)值模擬更加接近實(shí)際效果。為了進(jìn)一步了解分離器的分離特性，本文采用了更貼近實(shí)際，更適用于求解圓柱射流的Realizable k-ε 模型。分析得到了旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí)煤粉流流動(dòng)規(guī)律及其分離特性的變化規(guī)律，更加深入了解旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的分離機(jī)理，并為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 模型及計(jì)算方法

1.1 物理模型及邊界條件設(shè)置

本文以某電廠MPS89k 中速磨煤機(jī)為研究對(duì)象，利用gambit 軟件創(chuàng)建中速磨煤機(jī)的物理模型，采用分塊網(wǎng)格生成的方法，對(duì)每個(gè)體單獨(dú)采用四面體/混合型網(wǎng)格類型生成網(wǎng)格，再將各單獨(dú)體網(wǎng)格拼接成總體網(wǎng)格系統(tǒng)，并使塊與塊交界面上的網(wǎng)格保持一致。通過對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性的驗(yàn)證，整個(gè)計(jì)算模型共分出大約100萬個(gè)非均勻四面體網(wǎng)格，所生成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

磨煤機(jī)底部噴嘴組成的環(huán)形區(qū)域視為入口，其邊界條件設(shè)為velocity-inlet，出口邊界條件設(shè)為outflow，其他表面一律設(shè)為wall。在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，由于噴嘴出口與磨煤機(jī)軸向有一定夾角，因此氣相速度入口采用柱坐標(biāo)系，徑向速度、切向速度、軸向速度分別設(shè)為－ 6.5 m/s，－ 15.5 m/s，27.2 m/s，入口處顆粒的速度為0 m/s。

圖1 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器物理模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid division for physical model of the rotary coal classifier

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文對(duì)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，而不考慮傳熱模擬，并假定其內(nèi)部空氣流動(dòng)為不可壓縮、定常湍流流動(dòng)，采用更貼近實(shí)際，更適用于求解圓柱射流的Realizable k-ε 模型。其氣相控制方程如下:

湍流粘度μt:

式中:ρ 為氣流密度;u 為氣流速度;μ 為空氣動(dòng)力粘性系數(shù);μt為湍流粘度;Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能;YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。σk，σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù);C1ε，C3ε，C2為常數(shù)。

1.3 受力分析

由于分離器內(nèi)煤粉量與一次風(fēng)量的體積比小于10%～12%，因此選用離散相模型(DPM)進(jìn)行求解計(jì)算，忽略煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)連續(xù)相氣體產(chǎn)生的影響，只考慮煤粉顆粒的受力情況。分離器中單個(gè)顆粒受力情況復(fù)雜，在模擬計(jì)算時(shí)可以忽略某些極小的作用力，只考慮煤粉顆粒所受到的曳引力、離心力和重力。

煤粉顆粒受力平衡方程:

顆粒所受氣流曳引力為FD:

顆粒在分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)所受離心力為FC:

式中:ug為氣相速度;up為離散相速度;uc為離散相切向速度;mp為離散相煤粉顆粒的質(zhì)量;dp為煤粉顆粒的直徑;Ap為煤粉顆粒的迎風(fēng)面積;ρp為煤粉顆粒密度;CD為阻力系數(shù)。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為了使數(shù)值模擬更加接近實(shí)際效果，采用能夠容納真實(shí)粒子分布的Rosin-Rammler 分布情況進(jìn)行分析計(jì)算［5］，粒徑分布范圍為30～200 μm。旋轉(zhuǎn)粗粉分離器中煤粉顆粒軌跡隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化，分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r/min 時(shí)，顆粒直徑小于90 μm 和大于90 μm 兩種典型煤粉顆粒分布的運(yùn)動(dòng)軌跡分別如圖2、圖3 所示。

圖2 粒徑小于90 μm 煤粉顆粒運(yùn)行軌跡Fig.2 The trajectory of coal particle size of less than 90 μm

圖3 粒徑大于90 μm 煤粉顆粒運(yùn)行軌跡Fig.3 The trajectory of coal particle size of more than 90 μm

由圖2、圖3 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)，顆粒粒徑小于90 μm 的煤粉幾乎全部都能從分離器出粉口逃逸出來;而顆粒粒徑大于90 μm的煤粉僅有一小部分能夠逃逸出分離器。從而可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定時(shí)，較小的煤粉顆粒極易從分離器中逃逸，較大的煤粉顆粒則被分離出來沿回粉錐內(nèi)壁落回磨煤機(jī)重新研磨。隨著顆粒直徑的增大，氣流對(duì)煤粉顆粒產(chǎn)生的曳引力將成平方倍數(shù)增大，而煤粉顆粒受到的離心力則成立方的倍數(shù)增大，正是由于煤粉顆粒受到的這兩個(gè)主要力的不平衡作用才導(dǎo)致其產(chǎn)生了分離。

2.2 分離器分離特性分析

2.2.1 出口煤粉細(xì)度與均勻性指數(shù)分析

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器出口煤粉細(xì)度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化特性是分離器的重要特性之一［6］。當(dāng)系統(tǒng)通風(fēng)量為21.5 kg/s、煤粉濃度為0.5 kg/kg，且導(dǎo)向靜葉以及轉(zhuǎn)子動(dòng)葉安裝角等參數(shù)不變時(shí)，認(rèn)為分離器出口煤粉細(xì)度和煤粉均勻性指數(shù)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化而變化。本文以R90來衡量出口煤粉細(xì)度，其隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 煤粉細(xì)度及均勻性指數(shù)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 Coal fineness and homogeneity index curve with the rotor speed

由圖4 可知，旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，其出口煤粉細(xì)度R90越小;因?yàn)槊悍垲w粒所受的離心力隨轉(zhuǎn)速增大而增大，煤粉分離均勻性得到改善，但是煤粉細(xì)度越小，粗粒子對(duì)煤粉均勻性指數(shù)的影響越大，造成煤粉均勻性指數(shù)下降，因此煤粉均勻性指數(shù)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高先增大后減小。

2.2.2 綜合分離效率

綜合分離效率η 是指細(xì)粉分離效率與粗粉分離效率二者的差值，反應(yīng)了旋轉(zhuǎn)煤粉分離器對(duì)細(xì)粉和粗粉分離的綜合情況。細(xì)分分離效率指分離器出口煤粉中小于R90的煤粉質(zhì)量與其入口煤粉中小于R90的煤粉質(zhì)量的百分比;粗粉分離效率指分離器出口煤粉中大于R90的煤粉質(zhì)量與其入口煤粉中大于R90的煤粉質(zhì)量的百分比［7］。旋轉(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)部為實(shí)際煤粉流時(shí)的綜合分離效率η 隨著其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí)的變化趨勢(shì)如圖5 所示。

圖5 綜合分離效率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.5 Comprehensive separation efficiency curve with the rotor speed variation

由圖5 可知，旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的綜合分離效率η 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高先增大后減小。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r/min 時(shí)，其綜合分離效率達(dá)到最大值91.7%，但隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高其綜合分離效率η 開始下降。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在較高的轉(zhuǎn)速下，煤粉顆粒受到的離心力大于所受到的曳引力，加之內(nèi)部阻力與重力的綜合作用，大量較粗的煤粉顆粒被分離出來回落到磨煤機(jī)進(jìn)行重新研磨。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定時(shí)，較小的煤粉顆粒極易從分離器中逃逸，較大的煤粉顆粒則被分離出來沿回粉錐內(nèi)壁落回磨煤機(jī)重新研磨。通過對(duì)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器煤粉流的數(shù)值研究，有助于進(jìn)一步了解其分離機(jī)理，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

(2)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器出口煤粉細(xì)度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而減小，而煤粉均勻性指數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，在煤粉細(xì)度得到保證的情況下還應(yīng)考慮煤粉均勻性指數(shù)是否處于最佳值。

(3)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的動(dòng)葉與煤粉顆粒的碰撞幾率增大并產(chǎn)生鼓風(fēng)作用，有較高的分離作用。旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r/min 時(shí)，其綜合分離效率最佳為91.7%。

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