中儲式制粉系統第一級煤粉分離器改造及數值模擬計算

展可法 姜毅偉

（1.中機中電設計研究院有限公司，北京100048；2.中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 研究概述

中儲式制粉系統中的第一級煤粉分離器的作用，就是將磨煤機磨制出來的煤粉依顆粒的大小進行分選，即把粒度小于某粒度級的細粉作為產品隨干燥氣流輸送至細粉分離器或直接進入爐膛，而把粒度大于這一粒度級的粗顆粒從氣流中分離出來，并返回磨煤機重新磨制。除此之外，還對煤粉細度具有調節能力，以便在煤種、磨煤機出力或通風量變化時保證一定的煤粉細度，從而提高制粉系統工作的經濟性和鍋爐的燃燒效率。對于第一級煤粉分離器，很少有人應用數值模擬的方法來研究其內部氣流流動規律和顆粒的運動軌跡。國內外對氣固兩相流的研究主要集中在旋風分離器、循環流化床、葉輪機械及風機等。例如英國的F.Boysan等人[1]采用代數求解雷諾平均方程獲得了旋風分離器內流場的二維數值解，通過計算顆粒的隨機軌道得到了旋風分離器的分離效率。日本的Yamamoto[2]也曾用代數應力模型計算旋風分離器內部的情況。

此次分離器改造方案擬增加導流錐體的最下級分離盤的直徑，延長外圈動葉片的長度并改變其偏角，對分離器原結構及改造后新結構進行CFD模擬，根據模擬結果，得到特征參數進行分析，得到分離器內的氣流流場，為改造提供理論支持。

2 試驗內容

模型采用Gambit軟件繪制，忽略鎖氣器，如圖1所示。模型共劃分了約64萬個網格，網格采用非結構化網格，分離擋片處進行了網格密化，如圖2所示。湍流模型采用標準的K-ε模型，壓力—速度離散采用SIMPLE算法，對流相選取二階迎風格式離散，近壁區采用壁面函數法。

定義進口邊界條件為速度入口（15.15 m/s），出口邊界條件為outflow，氣相介質為空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789 4e-05 kg/m·s，固相介質為煤粉顆粒，粒徑R-R分布，煤粉質量流量為19.4 kg/s，外殼、導流錐體及分離動葉片設置為無滑移標準壁面。

圖3為原始結構（模型1）在Y=0截面的速度場，圖4為壓力場，系統阻力為115 6 Pa，從圖中可以看出，除動葉片區域外速度分布和壓力分布規則而有序，動葉片區域的流場比較復雜。

將最下級分離盤直徑擴大700 mm（模型2），對變動后的模型進行單相模擬計算，阻力變為1 311 Pa，圖5為速度場，圖6為壓力場，明顯可以看出速度分布沒有原始結構有序，且在中間級和最下級分離盤之間出現渦流，順帶中部和上部出現一系列小的渦流，壓力梯度也因為結構的變化，不再規則分布。

圖1 模型圖

圖2 網格圖

再將最下級分離盤直徑擴大740 mm（模型3）后，阻力變為1 341 Pa，圖7為改動后的速度場，圖8為改動后的壓力場。

因此，將最下級分離盤直徑加大700 mm后，并不會引起系統阻力的較大變化，后續的加長外圈分離葉片的研究也將在分離盤直徑加大700 mm的基礎上進行。

保持內圈的分離葉片角度和形狀不變，外圈分離葉片的長度由約500 mm增長至約700 mm，同時旋轉角度由30°增大至55°（動葉片旋轉最大極限位置，模型4），此時遮擋比例減小約10%。對改變外圈動葉片的模型進行氣相模擬，因動葉片角度擴大，因此旋轉強度降低，系統阻力稍有降低，為1 272 Pa，圖9為此模型速度矢量圖，壓力場如圖10所示。

圖3 模型1 Y=0截面的速度場

圖4 模型1 Y=0截面的壓力場

圖5 模型2 Y=0截面的速度場

圖6 模型2 Y=0截面的壓力場

圖7 模型3 Y=0截面的速度場

圖8 模型3 Y=0截面的壓力場

圖9 模型4 Y=0截面的速度場

調整模型，將外圈動葉片旋轉角度回縮，調至日常運行可能的位置40°（模型5）。將進口速度增加到17 m/s，進行氣相模擬計算，此時系統阻力的計算結果為1 462 Pa，圖11為速度場，圖12為壓力場。

保持模型不變，繼續增加進口速度至21 m/s，其余條件不改變，進行氣相模擬計算，阻力增大至1 567 Pa，圖13為速度場，圖14為壓力場。

通過以上幾組工況的對比可以看出，外圈動葉片的角度會對系統阻力產生一定的影響，旋轉角度越大，阻力越小，但變化不大，同時阻力也隨著進口速度的增加而增大。

圖10 模型4 Y=0截面的壓力場

圖11 模型5 Y=0截面的速度場（17 m/s）

圖12 模型5 Y=0截面的壓力場（17 m/s）

圖13 模型5 Y=0截面的速度場（21 m/s）

圖14 模型5 Y=0截面的壓力場（21 m/s）

1、2、5三種模型的分離效果如表1所示。

表1 模型1、2、5煤粉分離效果比較

3 結語

中儲式制粉系統第一級煤粉分離器內部流場還是相對復雜的，通過改進結構，系統阻力的變化以及流場的變化相對明顯。增加最下級分離盤直徑700 mm后，局部產生了一些氣流漩渦，但并沒有對整個系統的阻力產生比較大的影響，且增加了大顆粒煤粉的碰撞頻次，分離性能得到提高，同時加長外圈動葉片的長度也沒有較大地增加系統阻力，通過調整不同的旋轉角度，調節遮擋面積，可增大調節范圍。