粗粉分離器內顆粒運動分析

曹文廣 華 亮 張高山

（1中國華電集團科學技術研究總院有限公司 北京 100000 2湖南華電長沙發電有限公司 湖南長沙 410000 3中國華電集團公司湖南分公司湖南長沙410000）

粗粉分離器內顆粒運動分析

曹文廣1華 亮2張高山3

（1中國華電集團科學技術研究總院有限公司 北京 100000 2湖南華電長沙發電有限公司 湖南長沙 410000 3中國華電集團公司湖南分公司湖南長沙410000）

本文對粗粉分離器內顆粒的運動進行了穩態和瞬態的數值計算分析，通過分析顆粒的軌跡標明下層擋板的作用并不明顯；瞬態中顆粒的分離情況表明，分離器對大顆粒，特別是對200um以上的顆粒分離效果顯著。

粗粉分離器；分離效率；顆粒運動

引言

分離器是燃煤電廠原煤在進入鍋爐燃燒前的重要設備。分離器性能低下導致制粉系統無法提供足夠的煤量或提供的煤粉整體偏粗、煤粉均勻性下降，進而影響鍋爐負荷和產生諸多鍋爐燃燒問題，如鍋爐的燃燒效率降低、飛灰含碳及污染物排放水平增高等[1]。因此，研究分離器性能對燃煤電廠節能減排具有重要意義。本文對粗粉分離器內顆粒的運動進行了計算模擬，對比了不同湍流模型對粗粉分離器計算的結果。

1 模型建立

1.1 幾何模型

本文按照某600M電廠機組所配串聯雙軸向分離器尺寸建立幾何模型，其結構形式見圖1，分離器本體直徑為3100mm，入口直徑為1040mm，出口直徑為510mm。網格采用四面體網格，實踐證明采用四面體網格在工程上是可行的。

1.2 計算模型

1.2.1 連續相模型

假定分離器內部空氣流動為不可壓縮、定常湍流流動，采用更貼近實際，更適用于求解粗粉分離器的R NG k－ε模型[2]，R NG模型在ε方程中增加一個條件，考慮到了湍流旋渦，提高了模型精度。其相關方程參見文獻[2]。模型入口選用速度入口邊界條件，出口選用壓力出口邊界條件，入口速度為均勻速度入口，根據電廠運行情況，典型的速度大小14m/s作為本次模型計算的速度大小。

圖1 分離器幾何結構

1.2.2 顆粒相的數學模型

顆粒相采用基于拉格朗日坐標系的離散相模型來進行求解，顆粒的體積分數很小，不考慮煤粉顆粒的存在對流動的影響，顆粒相的運動方程具體可參閱[2]。

2 結果與討論

2.1 顆粒的運動軌跡

圖2為不同粒徑的顆粒通過分離器的運動軌跡圖，計算選用了5中粒徑，分別為70um，90um，110um，200um，500um。從圖中可以看出，粒徑較小的三種顆粒能通過分離器的出口，而后兩種顆粒不同出分離器，這說明110um一下的顆粒都能進入爐膛燃燒，從電廠入爐煤粉細度R90來看，出分離器的煤粉細度明顯偏粗，這時可以減小上層擋板的開度，但同時也將增加分離器的壓降。

從圖中還可以看到，下層擋板的作用并不明顯，顆粒經過下層擋板后并沒有發生明顯的軌跡變化，在開度較小的情況下，氣流經下層擋板后所產生的旋流比較小，不足以使顆粒產生足夠大的離心力而甩向壁面，這與下層擋板的設計初衷并不一致。

2.2 瞬態中顆粒的分離情況

瞬態計算能觀察到顆粒的實時分離情況，本次計算在連續相計算時間為5s時入射顆粒，5種粒徑的顆粒每時間步每種入射5個代表顆粒，共計算到時間20s時的情況進行分析。大粒徑的顆粒占有大多數。

圖3為20s時不同顆粒占分離器內顆粒的數量分數，從圖可知，大粒徑顆粒（200um 和 500um）占了總顆粒數量的絕大部分，隨著顆粒的增大，顆粒數量分數增大，這也說明大顆粒的分離時間比小顆粒的分離時間更長。在計算的15秒時間

圖2 不同粒徑顆粒軌跡圖

圖3 20s時不同顆粒占分離器內顆粒的數量分數

內，每種顆粒共入射75000個，從模擬的結果來看，大粒徑顆粒基本不會出分離器（考慮到顆粒與壁面選用的是反射邊界條件，因此，未出分離器的顆粒可認為被分離了下來），分離器內500um和200um的顆粒占入射顆粒98%以上。

結論

本文對粗粉分離器內顆粒的運動進行了穩態和瞬態的數值計算分析，通過分析顆粒的軌跡標明下層擋板的作用并不明顯；瞬態中顆粒的分離情況表明，分離器對大顆粒，特別是對200um以上的顆粒分離效果顯著。

[1]呂太,丁帥,程超.粗粉分離器擋板開度對煤粉粒子分離特性影響的數值研究 [J].東北電力大學學報,2016,36(02):39-44.

[2]黃鋼英.粗粉分離器氣固兩相流動與分離的模擬[D].華北電力大學,2013.