徑向粗粉分離器數值模擬研究

王勇， 吳立新， 石戰勝， 李宗慧， 馬治安

(1.湖南華電長沙發電有限公司， 湖南 長沙410005；2.華電電力科學研究院， 浙江 杭州310030)

0 引言

粗粉分離器是火電制粉系統的重要設備， 其作用是把不合格的煤粉返回磨煤機重新研磨， 主要包括徑向分離器和軸向分離器等[1-3]。 其中， 徑向粗粉分離器較早應用于火電廠， 主要分為動態和靜態兩種。 動態分離器因均勻性指數高、 粉管濃度偏差小等特點獲得推廣， 但其驅動軸容易被軟性物質纏繞、 防堵差， 不適合在雙進雙出鋼球磨制粉系統中應用。 鑒于徑向粗粉分離器的重要性， 大量學者進行了深入地研究， 張銳等[4]研究了徑向和軸向粗粉分離器， 認為徑向粗粉分離器壓降和性能指標有待改進； Parham 和Easson[5]研究了分離器內流場和速度分布情況； 呂太等[6]和Shah 等[7]研究了徑向擋板角度對粒子分離特征的影響， 找出分離器擋板最佳角度； 李永華等[8]和肖杰等[9]研究了徑向動靜結合粗粉分離器， 找出最佳的轉速和靜態擋板角度。 此外， 針對徑向粗粉分離器結構和物性特征， 一般采用歐拉-拉格朗日(DPM) 和歐拉-歐拉(即多流體模型) 模擬方法[6，10-11]來研究分離器內部煤粉分離特征和流動特性等。

本文通過研究靜態徑向粗粉分離器結構和流體力學特征， 揭示其存在的缺陷， 并提出改進和發展方向。

1 分離器數值計算和分析

現有靜態徑向粗粉分離器主要區別為: 內錐體中粗顆粒是在分離器殼體外排出， 還是在內錐鎖氣器處進入回粉管而排出； 進煤方式是直接落入磨煤機， 還是從分離器中心管進入磨煤機[4，6，10]。 國內運行較多的是粗粉從內錐進入回粉管， 而排出和研磨的煤粉從分離器進粉管流入磨煤機方式， 如圖1所示， 由于一些重要參數依靠實驗難以測量， 本文以國內運行較多的靜態徑向粗粉分離器為研究對象， 進行數值模擬為研究者提供理論依據。

圖1 徑向粗粉分離器流體流動過程

1.1 模擬設置

文中涉及的模擬方法為計算流體力學(CFD)和離散顆粒(DPM) 模型， 其中的湍流參數由雷諾應力模型(RSM) 求解， 此模型用于粗粉分離器研究， 模擬結果很好地吻合了實驗[12-13]。 本模擬分離器總高約6.2 m， 內筒體高約2.6 m， 內筒體上直徑2.2 m， 下直徑0.5 m； 外筒體上直徑2.7 m、 下直徑1.3 m； 中心筒直徑1.08 m； 進口管直徑0.8 m， 出口管直徑0.56 m； 葉片30 個，角度45°。 氣體采用80 ℃下的空氣、 固體為煤粉，分離器氣固進口速度為22 m/s。 網格采用四面體網格(數量275 萬格)， 經計算的靜壓值1 308 Pa 與實驗值1 375 Pa 基本一致， 進一步說明模擬方法的可靠。

1.2 模擬結果

徑向粗粉分離器煤粉分離發生在內錐體內和內外殼體間隙， 如圖1 所示。 流體從氣固入口A 垂直進分離器， 撞擊內錐B 處后在錐體C 處一部分流體向上運動、 一部分流體靠壁面流入回粉管， 過程中造成了內錐底部和外殼體邊壁處的磨損。 向上的流體在E 處分為兩部分， 一部分經徑向葉片切線進入分離器產生離心分離， 經中心筒G 處流出，一部分靠內錐外壁F 流下。 整個過程中顆粒向下流動的地方有三處， 其中內錐體下部錐形帽四周的回粉開口為主要分離點， 此處與入口的氣流接觸形成顆粒二次攜帶， 影響分離效率。 原煤中若含有木塊、 雜草、 破布、 編織袋等雜物， 運行過程中會堵塞徑向擋板， 造成流通面積減小、 分離效率降低、壓降增加、 出力顯著下降等[14]。

圖2 顯示的速度云圖和截面矢量進一步證明了流體流動過程， 并在圖1 相對應的位置得到驗證，如靠近內錐外壁面低速區。 截面矢量顯示， a 位置回粉管內流體向下流動、 入口流速向上， b 位置中間處向上、 邊沿處向下， c 位置靠近內錐位置向下、 內錐和外錐間流體向上， 這些都會引起設備磨損。 從上向下俯視d 圖， 顯示中心管內流體呈旋轉狀， 這樣流體會呈旋轉式排出分離器， 易造成兩個出口管濃度存在偏差。

圖2 徑向粗粉分離器速度云圖和截面矢量

因此， 從圖1、 2 可看出， 內錐下部錐形和外邊壁磨損嚴重， 需要改進結構或者改變流場來消除； 分離器有效空間中， 入口管、 內外錐體之間空間沒有充分利用， 需進一步考慮空間利用率。

圖3 和圖4 給出了軸向速度云圖和不同截面上的數值(截面位置如云圖所標位置， 圖中z 為截面距離分離器底面的距離， L 為分離器高度， r 為截面上任意一點距截面圓心的距離， R 為截面半徑，r/R 為徑向位置)， z/L=0.33 位置中心速度恒定，與入口速度22 m/s 一致， 兩側回粉管內軸向速度為負值。 z/L=0.5 位置中間錐體處速度為0、 靠近錐體速度為正， 最大值約為22 m/s， 靠近邊壁處速度為負， 最大負值為7.5 m/s， 此處產生初級分離。z/L=0.67 位置為主要分離空間， 形成三個分離區:靠近外壁處、 靠近內壁外側處和靠近內壁內側， 分別出現了三個向下的速度； 形成兩個正值區， 一個進入分離葉片， 一個從中心筒出去。 z/L=0.83 位置氣體從兩個口出去， 速度達到27 m/s， 高于進口氣速。

圖3 徑向粗粉分離器軸向速度云圖

圖4 軸向隨徑向變化的速度

圖5 和圖6 顯示了壓降分布， 入口流體的撞擊作用造成內錐下部壓降偏大， 葉片離心作用造成葉片附近的壓降比較大。 內筒內z/L=0.67 位置中間速度低、 邊沿速度高， 造成中心易形成漩渦； 在中心筒中心部位產生了一個負壓區， 最低值為-400 Pa， 這樣會造成流場產生渦流而不穩， 所以需要增加穩渦的設備來控制以防止設備受損害；z/L=0.83 位置中心筒內的壓降基本恒定為250 Pa，邊沿部分壓降為1 200 Pa， 速度較為對稱。 由于內筒內的漩渦存在不穩定性且可能破碎或聚并， 易造成兩個出口均勻性指數偏低， 需改進此內部結構。

圖5 壓降云圖

圖6 壓降隨徑向變化的云圖

圖7 顯示的是顆粒流線， 小顆粒沒有撞擊外殼壁面而大顆粒則對外壁面產生了撞擊， 所以造成外表面磨損的主要是大顆粒。 小顆粒和部分大顆粒會磨損內錐體上部， 所以需要對現有設備內殼體進行防磨處理。 小顆粒經過中心筒從兩個出口排出， 但兩出口粉量不一致， 可能導致粗粉分離器兩出口壓力不同、 煤粉細度偏差大、 均勻性指數差以及煤粉濃度不均勻。 大顆粒會落到內錐體底部的鎖氣器后排出。

圖7 顆粒流線

2 改造方式

現有分離器利用文獻[15] 推薦的方法進行測試， 進一步驗證了模擬所得到的結論， 測量結果如下: 磨煤機兩側壓降阻力相差150 Pa， 可能是出口濃度偏差引起的； 磨煤機兩側分離器出口煤粉細度R90偏差為5.62%， 煤粉均勻性指數為0.88。

鑒于徑向粗粉分離器錐體內部磨損、 內外殼體部分位置磨損、 徑向擋板易被軟性物質堵塞、 中心管漩渦不穩定、 出口管粉量不一致， 及入口管、 內外殼體間空隙利用不足等問題， 采取如下改進措施:

1) 軸向粗粉分離器撞擊錐和進口增加喇叭口， 改進內錐體下部結構。 雖然撞擊錐也會磨損，但流場不會再撞擊外殼體壁面， 安全性增加。

2) 充分利用內外殼體空間， 增加一層軸向擋板， 產生一級分離， 分離效果會增加。

3) 充分利用入口管內空間， 增加離心葉片使流場向兩邊擴散， 這樣可以產生一級分離， 也可以利用葉片打碎軟性物質。

4) 在內錐中心筒中間部位增加一個穩渦棒，高度與內錐高度相同， 可以起到穩流作用。

5) 在中心筒下部增加混合裝置， 起到消旋和混合煤粉的作用， 可以保證出口煤粉粉量一致， 有利于鍋爐燃燒。

采取上述措施后， 制粉系統平均經濟出力為61 t/h； 磨煤機兩側分離器出口煤粉細度R90偏差為1.68%、 平均值為10.36%， R200平均值為0.6%，煤粉均勻性指數為1.02， 分離器效率平均為62.37%； 磨煤機分離器兩側壓降相差70 Pa， 阻力平均為675 Pa； 磨煤機兩側分離器循環倍率相差0.32， 循環倍率平均值為1.90。

3 結語

現有靜態徑向粗粉分離器粉管濃度偏差大且易被軟性物質堵塞； 分離器有效空間中入口管、 內外錐體之間的空間沒有得到充分利用； 中心管產生負壓區， 易造成漩渦不穩。 為消除流場不穩定、 設備磨損等造成的影響， 提出了徑向粗粉分離器改進的方向。 目前相關的改進技術已經在某些電廠實施，效果明顯。 下階段， 將進一步優化新型粗粉分離器， 充分利用其有效分離空間， 使其更節能更環保。