雙進雙出磨煤機粗粉分離器仿真優化設計

摘要：針對現有徑向分離器局部磨損嚴重，容易被雜物堵塞，煤粉細度無法根據負荷變化在線調節的問題。利用CFD方法對分離器進行氣固兩相流仿真，獲取分離器內部流場、煤粉濃度分布及顆粒運動軌跡。設計了一種新型串聯雙軸向分離結構，可在不對分離器在分離器外殼及整體布局不做出較大改變的情況下大幅提高分離器性能，滿足機組靈活性調峰需求。

隨著電網容量的增加和用電結構的變化，電網峰谷負荷差值逐漸增大，對調峰電源的需求也逐漸升高，大容量機組參與調峰運行已成必然趨勢，提高制粉系統的靈活性，是提高火電機組靈活性的重要手段。目前雙進雙出磨煤機制粉系統中常見的徑向式粗粉分離器存在煤粉細度偏粗，分離器分離效果差，分離器阻力大;煤粉均勻性低、煤粉細度調節不方便，不能滿足跟隨鍋爐負荷及時調整需求;分離器回粉管容易堵塞，清理困難;管道磨損嚴重，綜合效率低等許多問題。

軸向粗粉分離器因具有分離效率高、煤粉細度易于調節、煤粉均勻性好、整體流通阻力低和循環倍率低的等優點[1-2]，近年來在國內已有多個應用實例[3-6]。大量學者針對其結構與性能開展了廣泛研究，余戰英等[7]研究了軸向粗粉分離器優化結構和加裝二級擋板對煤粉顆粒分離特征的影響。曹文廣等[8]分析了不同湍流模型對分離器內部流場計算結果的影響。石戰勝等[9]研究分析了現有徑向和軸向粗粉分離器的優、缺點，創新性地將離心分離模塊引入傳統軸向分離技術。苗莉莉[10]對提升管、擋板和頂蓋出口等部分進行改進，加強切向分離的主導作用，消除撞擊分離所起的作用。

根據制粉系統設計規范[11]，若滿足改造超細煤粉的要求，需要對分離器做整體更換，投資成本會大幅增加，本文利用CFD技術通過對模擬徑向粗粉分離器的內部流場及煤粉分離過程，分析其分離機理與運行缺陷。在

在現有串聯雙軸向分離技術的基礎上進行超規設計，提出改進型雙軸向分

離結構，并研究優化前后粗粉分離器的性能變化。

1CFD數值模擬

1.1計算模型

研究對象為某電廠2×300MW機組BBD4060型雙進雙出磨煤機，其徑向粗粉分離器為上海重型機械廠制造。模擬計算根據圖紙尺寸1：1建立模型。

由于帶粉氣流在分離器內的流動較為復雜，計算過程中進行如下假設

和簡化：

（1）分離器裝置幾乎不涉及換熱，因此作為絕熱過程模擬;

（2）忽略內錐及分離擋板厚度;

（3）忽略對氣流及煤粉顆粒流動影響較小的內部部件;

（4）不考慮煤粉在分離器內被循環分離。

采用Realizablek-epsilon湍流模型、離散顆粒相模型。邊界條件：一次風帶粉氣流使用velocity-inlet，大小由磨煤機及分離器設計參數計算：低出力工況下，單臺分離器入口風量為37530m3/h，高出力工況下，入口風量為47576m3/h，入口風溫為75℃，出口使用pressure-outlet。壁面、擋板為wall，類型為reflect，內錐底部及回粉管出口類型為trap。入口煤粉流量為6.97kg/s，現場實測煤粉粒徑分布滿足Rosin-Rammler模型，粒徑范圍為20μm-220μm，平均粒徑為78μm。具體設置參數如下：

1.2徑向粗粉分離器流場分析

圖1為模擬計算得到的一次風氣流流線就煤粉顆粒運動軌跡。可以看出，一次風氣流攜帶煤粉進入分離器后沿內錐外壁向上流動，到達分離器頂端后受擋板影響流向內錐，煤粉顆粒受擋板撞擊和一次風旋轉的離心作

用在錐內被分離，大顆粒煤粉在重力的影響下落入錐底，小顆粒煤粉跟隨

氣流流入粉管。內錐的錐底設有鎖氣器，鎖氣器卷簾在積累大量煤粉后自動打開，大顆粒煤粉間歇落入回粉管中，在這個過程中煤粉與一次風來流路徑交叉，部分粗粉被一次風再次攜帶進入內錐，引起循環倍率偏高。圖2顯示的速度及顆粒濃度云圖進一步證明了流體的流動過程。同時內錐內

的流體速度和煤粉濃度較高，容易造成內錐磨穿，使分離器失效。

2優化方案

2.1優化方案

（1）串聯雙軸向的分離結構形式優化設計

保持分離器直徑不變，將外筒柱加高，并采用高旋流強度葉片分離技術及高效內錐結構，通過增加旋流強度增加煤粉離心分離效果，彌補容積強度的不足，達到超細煤粉的要求。實現在分離器外殼及整體布局不做出

較大改變的情況下滿足分離性能，節省投資成本。

（2）碳化硅耐磨新材質集成技術

采用耐磨鋼作為基材，外表面一體化敷設碳化硅耐磨材料，通過鉚釘等形式固定耐磨材料，避免傳統耐磨陶瓷分塊敷設，部分掉落導致整體失效的問題。采用該技術可使易磨損部件的使用周期相比傳統技術提升2倍以上，滿足一個大修周期內正常使用，從而解決目前內錐體、擋板、回粉筒頻發磨穿，分離效果無法保證的問題，大大減輕運維人員的工作量。

（3）上級軸向擋板遠方可調

傳統串聯雙軸向分離技術與動態分離器相比，缺點在于無法遠方可調，這增加了運維人員調整煤粉細度的工作量，優化方案將對上級軸向分離擋板設計為遠方可調，下級軸向分離擋板與外筒壁固定連接安裝，可通過在

線調整上級擋板分離角度，實現煤粉細度的調整。

2.2模擬計算結果

圖3為優化結構下氣流流線及顆粒軌跡線。由圖3可見：一次風帶粉氣流進入分離器后先沿內錐外壁向上流動，氣流受下級擋板作用旋流強度增加，大顆粒煤粉在離心作用下靠近外筒壁富集，氣流經過上級擋板后旋流強度進一步增強，離心分離作用更加明顯，實現大顆粒煤粉的第二次分離，當氣流進入分離器頂部時，由于封閉頂錐結構的存在，流通面積突然

擴大，部分大顆粒煤粉在重力的作用下實現第三次分離。最終大顆粒煤粉

沿外筒內壁逆向旋轉落入回粉筒中，整個過程中后流入分離器的一次風帶粉氣流與被分離的大顆粒煤粉流運動路徑分離，避免了煤粉被分離器重復分離。

圖4顯示了優化結構下氣流速度及顆粒濃度分布。優化后分離器內氣流高速區域集中在內錐附近，而煤粉濃度較高的區域位于外筒壁附近，內

錐局部的磨損將極大減弱。

3模擬結果對比分析

3.1不同粒徑煤粉出粉率對比

圖5和圖6為分離擋板開度相同的情況下，50μm、150μm單粒徑煤粉顆粒通過原徑向分離器和優化結構的運動軌跡。從圖中可以看出，對于原徑向分離器和優化結構，粒徑為150μm的粗煤粉顆粒均無法從其中通過，兩種結構對于粗顆粒煤粉分離效果較好。有部分50μm煤粉顆粒在原徑向分離器內錐內被分離，該結構對小粒徑合格煤粉顆粒的分離作用過強。

在優化結構中，50μm的煤粉顆粒可以全部從分離器中通過。

50μm150μm

90μm、150μm及200μm四種粒徑的煤粉分別計算分離器的出粉率。由圖7可知，隨著顆粒直徑的增大，兩種分離器結構對顆粒的分離效果均逐漸增強，相對于原始結構，優化結構可大幅提高小顆粒煤粉的出粉率。

3.2分離效率對比

根據標準中分離器效率計算公式對優化前后的分離器對全粒徑煤粉的分離效率進行了計算。計算結果如表3所示，在超低負荷對應的低出力工況下，原徑向分離器對煤粉的分離效率為53%，優化結構對煤粉的分離效率為74.9%.優化后分離器整體效率可提高約20%。

經計算，低出力工況下，徑向分離器整體阻力為730Pa，由于優化后分離器容積增大，平均流速降低，優化方案整體阻力550。優化后分離器阻力降低約25%，可有效降低分離器能耗，提高分離器出力。

4.總結

（1）對徑向分離器內部流場及煤粉流動情況進行了數值模擬，分析出內錐內部氣流速度與煤粉濃度較高是造成局部磨損嚴重的主要原因。同時回粉過程中，被分離的煤粉與一次風來流流動路徑交叉，引發煤粉循環倍率升高。

（2）通過仿真計算設計了一種改進型串聯雙軸向分離結構，可在不對分離器在分離器外殼及整體布局不做出較大改變的情況下大幅提高分離器性能，降低系統流動阻力。結合碳化硅耐磨新材質集成技術與上級軸向擋板遠方可調設計可進一步增強鍋爐系統運行的穩定性，在提升制粉系統靈活性的同時，達到節能降碳的效果。

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[11]DL/T5145-2012，火力發電廠制粉系統設計計算技術規定[S].

作者簡介：羅雪嬌（1989-12），女，漢，河南信陽，中級工程師，碩士，中國大唐集團科學技術研究總院有限公司中南電力試驗研究院，研究方向：鍋爐系統流場及燃燒仿真。