旋轉煤粉分離器分離特性的數值研究

李永華，程學遠，魏杰儒

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

煤粉分離器是制粉系統的重要組成部分，其作用就是將磨煤機磨出的較粗的不合格煤粉分離出來，返回磨煤機重新研磨，合格煤粉則送到細粉分離器或直接送入爐膛燃燒，其運行性能對制粉系統以及整個鍋爐機組的安全經濟運行有很大的影響［1］。靜動葉組合式旋轉煤粉分離器主要是由旋轉的轉子動葉和導向靜葉組成，其分離原理是依靠轉子轉動，使帶粉氣流旋轉，煤粉粒子在旋轉分離區內水平方向主要受攜帶氣流的曳引力和離心力作用，當粒子受到的離心力大于氣流的曳引力時，粒子就會飛逸出分離區域，在渦流旋力作用下從氣粉流中分離出來返回到磨煤機再度研磨。同時煤粉顆粒還會與旋轉的轉子動葉片發生碰撞而飛逸出分離器的分離區域，但葉片的撞擊作用相對小得多。旋轉煤粉分離器具有出口煤粉均勻性指數高、分離效率高、煤粉細度可調性及煤粉均勻性好等優點［2～4］。文獻［2］采用RNG k-ε 模型對煤粉分離器進行了數值研究，并且得到了其出粉效率和通風阻力隨轉子轉速變化的趨勢。本文采用能夠容納真實粒子分布的Rosin-Rammler分布情況對煤粉顆粒運行軌跡進行分析計算，使數值模擬更加接近實際效果。為了進一步了解分離器的分離特性，本文采用了更貼近實際，更適用于求解圓柱射流的Realizable k-ε 模型。分析得到了旋轉煤粉分離器轉子轉速變化時煤粉流流動規律及其分離特性的變化規律，更加深入了解旋轉煤粉分離器的分離機理，并為其結構優化提供理論依據。

1 模型及計算方法

1.1 物理模型及邊界條件設置

本文以某電廠MPS89k 中速磨煤機為研究對象，利用gambit 軟件創建中速磨煤機的物理模型，采用分塊網格生成的方法，對每個體單獨采用四面體/混合型網格類型生成網格，再將各單獨體網格拼接成總體網格系統，并使塊與塊交界面上的網格保持一致。通過對網格無關性的驗證，整個計算模型共分出大約100萬個非均勻四面體網格，所生成網格結構如圖1 所示。

磨煤機底部噴嘴組成的環形區域視為入口，其邊界條件設為velocity-inlet，出口邊界條件設為outflow，其他表面一律設為wall。在進行模擬計算時，由于噴嘴出口與磨煤機軸向有一定夾角，因此氣相速度入口采用柱坐標系，徑向速度、切向速度、軸向速度分別設為－ 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 旋轉煤粉分離器物理模型網格劃分Fig.1 Grid division for physical model of the rotary coal classifier

1.2 數學模型

本文對旋轉煤粉分離器的內部流動進行數值模擬，而不考慮傳熱模擬，并假定其內部空氣流動為不可壓縮、定常湍流流動，采用更貼近實際，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 為空氣動力粘性系數;μt為湍流粘度;Gk為平均速度梯度產生的湍流動能;Gb為浮力引起的湍流動能;YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。σk，σε分別為湍動能和湍動能耗散率對應的普朗特數;C1ε，C3ε，C2為常數。

1.3 受力分析

由于分離器內煤粉量與一次風量的體積比小于10%～12%，因此選用離散相模型(DPM)進行求解計算，忽略煤粉顆粒運動對連續相氣體產生的影響，只考慮煤粉顆粒的受力情況。分離器中單個顆粒受力情況復雜，在模擬計算時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:

顆粒在分離器內旋轉所受離心力為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量;dp為煤粉顆粒的直徑;Ap為煤粉顆粒的迎風面積;ρp為煤粉顆粒密度;CD為阻力系數。

2 模擬結果及分析

2.1 煤粉顆粒運動軌跡分析

為了使數值模擬更加接近實際效果，采用能夠容納真實粒子分布的Rosin-Rammler 分布情況進行分析計算［5］，粒徑分布范圍為30～200 μm。旋轉粗粉分離器中煤粉顆粒軌跡隨轉子轉速的變化而變化，分離器轉子轉速為90 r/min 時，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動軌跡分別如圖2、圖3 所示。

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

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

由圖2、圖3 可知，當轉子轉速為90 r/min時，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，當轉子轉速一定時，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壁落回磨煤機重新研磨。隨著顆粒直徑的增大，氣流對煤粉顆粒產生的曳引力將成平方倍數增大，而煤粉顆粒受到的離心力則成立方的倍數增大，正是由于煤粉顆粒受到的這兩個主要力的不平衡作用才導致其產生了分離。

2.2 分離器分離特性分析

2.2.1 出口煤粉細度與均勻性指數分析

旋轉煤粉分離器出口煤粉細度隨轉子轉速的變化特性是分離器的重要特性之一［6］。當系統通風量為21.5 kg/s、煤粉濃度為0.5 kg/kg，且導向靜葉以及轉子動葉安裝角等參數不變時，認為分離器出口煤粉細度和煤粉均勻性指數隨轉子轉速變化而變化。本文以R90來衡量出口煤粉細度，其隨轉子轉速變化趨勢如圖4 所示。

圖4 煤粉細度及均勻性指數隨轉子轉速變化曲線Fig.4 Coal fineness and homogeneity index curve with the rotor speed

由圖4 可知，旋轉煤粉分離器轉子轉速越高，其出口煤粉細度R90越小;因為煤粉顆粒所受的離心力隨轉速增大而增大，煤粉分離均勻性得到改善，但是煤粉細度越小，粗粒子對煤粉均勻性指數的影響越大，造成煤粉均勻性指數下降，因此煤粉均勻性指數隨著轉子轉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 是指細粉分離效率與粗粉分離效率二者的差值，反應了旋轉煤粉分離器對細粉和粗粉分離的綜合情況。細分分離效率指分離器出口煤粉中小于R90的煤粉質量與其入口煤粉中小于R90的煤粉質量的百分比;粗粉分離效率指分離器出口煤粉中大于R90的煤粉質量與其入口煤粉中大于R90的煤粉質量的百分比［7］。旋轉煤粉分離器內部為實際煤粉流時的綜合分離效率η 隨著其轉子轉速變化時的變化趨勢如圖5 所示。

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

由圖5 可知，旋轉煤粉分離器的綜合分離效率η 隨著轉子轉速的提高先增大后減小。當轉子轉速為90 r/min 時，其綜合分離效率達到最大值91.7%，但隨著轉子轉速繼續提高其綜合分離效率η 開始下降。這是因為轉子在較高的轉速下，煤粉顆粒受到的離心力大于所受到的曳引力，加之內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進行重新研磨。

3 結論

(1)當轉子轉速一定時，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壁落回磨煤機重新研磨。通過對旋轉煤粉分離器煤粉流的數值研究，有助于進一步了解其分離機理，并對其結構優化具有指導意義。

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

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

［1］解其林.MPS 中速磨煤機旋轉式煤粉分離器的改造及應用［J］.中國電力，2005，38 (3):62-66.Xie Qilin.Retrofitting and application of rotating coal classifier in MPS pulverizers ［J］.Electrical Power，2005，38(3):62-66.

［2］閆順林，楊玉環.旋轉煤粉分離器分離性能研究［J］.電力科學與工程，2011，27 (8):52-56.Yan Shunlin，Yang Yuhuan.Research on separation characteristics of rotating pulverized－coal classifier［J］.Electric Power Science and Engineering，2011，27 (8):52-56.

［3］齊建華，高振森，呂玉亭，等.動靜態轉子煤粉分離器的試驗研究［J］.節能技術，2007，25 (4):330-333.Qi Jianhua，Gao Zhensen，Lu Yuting，et al Experimental study on dynamic-stationary vane combined rotor classifier［J］.Energy Conservation Technology，2007，25 (4):330-333.

［4］尹元明.新型靜動葉結合型旋轉式粗粉分離器的研究［J］.江蘇電機工程，2005，24 (1):63-65.Yin Yuanming.Research of stationary－ moving van combined type rotating classifier［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2005，24 (1):63-65.

［5］劉一凡.中速磨煤機粗粉分離器分離特性數值模擬［D］.吉林:吉林大學，2007.

［6］肖杰，鄒錫南.旋轉式粗粉分離器細度調節特性的試驗研究［J］.中國電機工程學報，2002，22 (9):123-127.Xiao Jie，Zou Xinan.Experimental investigation of the fineness regulating characteristics of dynamic classifier ［J］.Proceedings of the CSEE，2002，22 (9):123-127.

［7］王宏福.火電廠燃煤制備與煤粉制備［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.