張 朝，崔豫泓，劉 羽，王鵬濤

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

氣固兩相流廣泛存在于各類工業(yè)生產(chǎn)中，煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中風(fēng)粉混合器內(nèi)一次風(fēng)與煤粉的混合屬于典型的氣固兩相流動(dòng)工況[1]。風(fēng)粉混合器是實(shí)現(xiàn)煤粉與一次風(fēng)快速、均勻混合的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)不同風(fēng)粉混合器內(nèi)兩相流動(dòng)力場(chǎng)的測(cè)量及分析對(duì)比，對(duì)于優(yōu)化風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化風(fēng)粉混合效率及提高一次風(fēng)粉的均勻穩(wěn)定供給具有重要意義[2-3]。

近年來隨著數(shù)值計(jì)算不斷發(fā)展，鍋爐領(lǐng)域煤粉與一次風(fēng)兩相流動(dòng)的研究多以試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合而展開。楊姣等[3]采用湍流黏性離散相射流模型和SIMPLE算法針對(duì)鍋爐送粉管道氣固兩相流流動(dòng)開展了數(shù)值計(jì)算，為改進(jìn)一次風(fēng)管縮孔提供了有益探索。潘衛(wèi)國(guó)等[4]采用基于擬流體假設(shè)的歐拉方法對(duì)彎曲圓管及復(fù)雜管線內(nèi)氣固兩相流動(dòng)開展了數(shù)值計(jì)算研究，其中表征氣固兩相間相互作用的氣固曵力系數(shù)模型采用的是Syamlal-O′Brien模型，氣相湍流模型采用Standardk-ε模型，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了兩相流模型及湍流模型的準(zhǔn)確性，以及商用CFD軟件Fluent是一種有效研究鍋爐系統(tǒng)一次風(fēng)氣固兩相流的手段。李紅文等[5]采用Fluent中氣固兩相流離散相模型(DPM)計(jì)算了文丘里管內(nèi)氣固兩相流場(chǎng)，在結(jié)合氣相流場(chǎng)分析與固相顆粒受力分析的基礎(chǔ)上，提出DPM模型優(yōu)化的4項(xiàng)措施。張濤等[6]同樣采用DPM優(yōu)化了管道復(fù)雜流場(chǎng)氣固兩相流。宗營(yíng)營(yíng)等[7]利用RNGk-ε湍流模型和拉格朗日離散相模型對(duì)燃燒器煤風(fēng)管道內(nèi)煤粉顆粒-空氣兩相流場(chǎng)進(jìn)行耦合數(shù)值模擬，研究了固體顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)管道內(nèi)沖蝕磨損的影響。孫晨等[8]分析了氣固兩相流模型在流場(chǎng)分析中的研究進(jìn)展。但鮮見針對(duì)煤粉工業(yè)鍋爐中儲(chǔ)式風(fēng)粉供料器內(nèi)氣固兩相流開展相關(guān)研究。

本文以煤粉工業(yè)鍋爐中儲(chǔ)式風(fēng)粉供料器為研究對(duì)象，采用Fluent軟件，基于兩相流模型對(duì)風(fēng)粉混合器內(nèi)兩相流流場(chǎng)開展非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，分析不同結(jié)構(gòu)風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時(shí)間對(duì)顆粒濃度分布特征的影響；并采用德圖testo425熱敏風(fēng)速儀測(cè)定了2種風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化曲線，總結(jié)煤粉落料量對(duì)風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化的影響規(guī)律。

1 研究方法

1.1 理論模型

流理論模型包括多相連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型、基于統(tǒng)計(jì)分子動(dòng)力學(xué)的分子動(dòng)力學(xué)模型和建立在介觀層次上的格子-Boltzmann模型，其中多相連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型在工程中得到了廣泛應(yīng)用[9]。多相連續(xù)介質(zhì)模型又包括無滑移單流體模型、多(雙)流體模型、顆粒動(dòng)力學(xué)模型及分散顆粒群軌跡模型。

無滑移單流體模型將多相合并為一特殊的單相流體，假定顆粒速度、湍流擴(kuò)散系數(shù)與當(dāng)?shù)貧怏w速度、湍流擴(kuò)散系數(shù)相同，而大多情況下懸浮體中的流體與顆粒之間存在速度差等，造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別較大，一般多適用于力度很小的固體沉積計(jì)算中[10]。顆粒動(dòng)力學(xué)模型只考慮單個(gè)顆粒在已確定流場(chǎng)的連續(xù)相流體中的受力和運(yùn)動(dòng)，即單相耦合；分散顆粒群軌跡模型中分散相與連續(xù)相可以交換動(dòng)量、質(zhì)量和能量，即實(shí)現(xiàn)雙向耦合求解，但二者主要適用于體積分?jǐn)?shù)小于10%的多相流系統(tǒng)?；跉W拉框架建立的多(雙)流體模型將各相視為相互滲透、耦合但又保持各自運(yùn)動(dòng)特征的連續(xù)介質(zhì)。相比于單流體模型，雙流體模型考慮了固相的湍流輸運(yùn)以及氣固兩相間相互滑移引起的阻力，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更加接近?；陲L(fēng)粉混合器內(nèi)固相體積占比及Fluent軟件自身特點(diǎn)，本文計(jì)算選用多相連續(xù)介質(zhì)模型中的Eulerian雙流體模型[11-12]。

1.2 基本方程

冷態(tài)雙流體模型基本方程由守恒方程和封閉方程構(gòu)成。冷態(tài)雙流體模型的守恒方程是由質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)和動(dòng)量守恒方程組成。

1)連續(xù)性方程

以g代表氣相，s代表固相，則對(duì)于氣相連續(xù)性方程[13]可表示為

(1)

式中，αg為氣相體積分?jǐn)?shù)，無量綱數(shù)；ρg為氣相物理密度，kg/m3；vg,j為氣相速度，m/s。

將式(1)代表氣相的參數(shù)表示為固相即可得固相連續(xù)性方程,即

(2)

2)動(dòng)量守恒方程

(3)

式(3)右側(cè)每項(xiàng)分別代表氣相靜壓力、壓力應(yīng)變張量、氣固曳力、體積力、升力和虛擬質(zhì)量力。本計(jì)算忽略升力和虛擬質(zhì)量力，則式(3)簡(jiǎn)化為

(4)

將式(4)代表氣相的參數(shù)表示為固相，即可得固相動(dòng)量守恒方程：

(5)

3)相間耦合

對(duì)于兩相流計(jì)算，相間耦合是關(guān)鍵部分，對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本計(jì)算針對(duì)冷態(tài)氣固兩相流模擬，因此僅考慮動(dòng)量間耦合，即氣固曳力。

(6)

本文采用Schilller-Naumann模型表征氣固相動(dòng)量之間的耦合，該模型中的曳力系數(shù)表達(dá)式[14]為

(7)

(8)

(9)

4)Eulerian雙流體模型封閉方程

αg+αs=1

(10)

(11)

(12)

1.3 計(jì)算方法及初始化

本文選用瞬態(tài)計(jì)算方法，對(duì)于煤粉-空氣兩相流動(dòng)，采用相間耦合的SIMPLE算法[15-16]。對(duì)于氣相與固相，二者質(zhì)量流量、速度和體積分?jǐn)?shù)分別通過各自壓力進(jìn)行校正。

初始化是求解前重要的一步，對(duì)于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及收斂性具有重要影響。對(duì)于本計(jì)算，初始化包括2部分，第1部分為全流場(chǎng)的初始化，選取所有區(qū)域使邊界上設(shè)定的值計(jì)算出初始值完成對(duì)全部流場(chǎng)的平均初始化；由于本計(jì)算中初始狀態(tài)下風(fēng)粉混合器的上一部分為固相，因此還需對(duì)該區(qū)域的固相容積份額進(jìn)行初始化，故第2部分為固相區(qū)域的初始化，定義初始固相區(qū)域?yàn)榫嚯x風(fēng)粉混合器頂部50 mm的空間，且設(shè)定固相容積份額為0.9，最后完成固相區(qū)域的初始化。

1.4 幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算2種風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。2種結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、垂直高度以及出粉管直徑一致，且文丘里結(jié)構(gòu)出口直徑均為40 mm，文丘里伸入長(zhǎng)度均為75 mm，區(qū)別在于豎直結(jié)構(gòu)的出粉管及文丘里中心高度為160 mm，而傾斜結(jié)構(gòu)的出粉管及文丘里中心高度為120 mm，傾斜角度為60°。

圖1 風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Structural dimension of air-powder mixer

采用ICEM軟件，基于幾何拓?fù)鋵W(xué)知識(shí)，將2種風(fēng)粉混合器劃分出了合適的塊，并對(duì)不同塊上的邊劃分了適宜的節(jié)點(diǎn)，最終生成三維網(wǎng)格，網(wǎng)格示意如圖2所示。

圖2 風(fēng)粉混合器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.2 Grid structure of air-powder mixer

改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邊上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以生成不同數(shù)量的網(wǎng)格，為了排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)風(fēng)粉混合器模擬結(jié)果的影響，還進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。本文劃分的網(wǎng)格數(shù)量為50萬、80萬、100萬。采用單相冷態(tài)模擬檢驗(yàn)的方式，選取風(fēng)粉混合器豎直段中心線上6個(gè)點(diǎn)，分析6點(diǎn)速度與網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系如圖3所示。結(jié)果表明50萬的網(wǎng)格與后兩者存在異一定差異，而80萬的網(wǎng)格可以實(shí)現(xiàn)與100萬網(wǎng)格相同的計(jì)算結(jié)果。因此，本文選用的網(wǎng)格數(shù)量為80萬。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下豎直風(fēng)粉混合器中心軸線處速度分布Fig.3 Velocity distributions at the central axis of vertical air powder mixer with different number of grids

1.5 物性參數(shù)及邊界條件

工業(yè)鍋爐風(fēng)粉混合器內(nèi)典型工況1.1 kg煤粉/kg空氣給定，煤粉密度設(shè)為2 500 kg/m3，黏度10 kg/(m·s)；空氣密度1.293 kg/m3，動(dòng)力黏度等保持默認(rèn)設(shè)置。

風(fēng)粉混合器文丘里入口采用速度入口條件，風(fēng)粉混合器出粉管出口采用壓力出口，具體設(shè)置見表1。風(fēng)粉混合器頂部煤粉落料口附近對(duì)煤粉初始化邊界條件為局部煤粉容積份額0.95；壁面處空氣采用壁面函數(shù)法和無滑移邊界條件。

表1 邊界條件設(shè)置

2 風(fēng)粉混合器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬

2.1 豎直混合器內(nèi)顆粒濃度分布特性

本文采用瞬態(tài)計(jì)算方法，顆粒在豎直風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時(shí)間從0增加至1 s時(shí)縱向截面流場(chǎng)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖4所示。

圖4 不同時(shí)刻豎直風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度分布云圖Fig.4 Cloud chart of particle concentration distribution in the vertical air-powder mixer at different times

由圖4可知，隨著煤粉顆粒在風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時(shí)間由0增加至0.25 s時(shí)，風(fēng)粉混合器上半部分顆粒質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)逐漸減小并接近0，同時(shí)下半部分及文丘里管底部顆粒質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)逐漸增加，且當(dāng)停留時(shí)間由0.25 s增加至1 s時(shí)，底部顆粒沉積現(xiàn)象一直存在。這說明該風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)容易造成煤粉顆粒在底部積累，存在較大的顆粒流動(dòng)死角，可能是造成風(fēng)粉混合器內(nèi)風(fēng)粉混合不均及供料波動(dòng)的重要因素之一。

造成豎直風(fēng)粉混合器底部顆粒沉積嚴(yán)重的主要原因包括：① 出粉管距離底部偏高，易造成顆粒堆積；② 顆粒由風(fēng)粉混合器頂部垂直落入風(fēng)粉混合器內(nèi)，需在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)由垂直方向的運(yùn)動(dòng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻倪\(yùn)動(dòng)，且沒有外界導(dǎo)流部件，僅有水平方向的高速一次風(fēng)，故在風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)容易受到不穩(wěn)定因素的干擾，而造成顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡混亂及流動(dòng)死區(qū)的現(xiàn)象。

2.2 改進(jìn)的風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度分布特性

同樣采用瞬態(tài)計(jì)算方法得到顆粒在傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時(shí)間從0增加至1 s時(shí)縱向截面流場(chǎng)顆粒質(zhì)量濃度分布云圖，具體如圖5所示。

由圖5可知，隨著煤粉顆粒在風(fēng)粉混合器內(nèi)停留時(shí)間由0增至0.3 s時(shí)，風(fēng)粉混合器上半部分顆粒質(zhì)量濃度逐漸減小并接近0，而此時(shí)下半部分及文丘里管底部顆粒質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)逐漸增加，當(dāng)停留時(shí)間由0.1 s增加至0.3 s時(shí)，底部顆粒濃度基本維持不變，而當(dāng)停留時(shí)間大于0.3 s時(shí)，風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度基本降至0。傾斜的風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)可以避免煤粉顆粒在底部積累，消除了顆粒流動(dòng)死角，對(duì)于強(qiáng)化風(fēng)粉混合器內(nèi)風(fēng)粉混合及減小供料波動(dòng)具有重要意義。

相比于豎直結(jié)構(gòu)，傾斜結(jié)構(gòu)降低了風(fēng)粉氣流流出管高度，且增強(qiáng)了風(fēng)粉混合器邊壁對(duì)顆粒的導(dǎo)流作用，同樣的顆粒垂直落料速度，后者由于傾斜邊壁的存在，為顆粒增加了水平方向的速度分量，更有助于顆粒在相同高度下，實(shí)現(xiàn)速度快速轉(zhuǎn)變。

3 風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

基于煤科院20 t/h煤粉工業(yè)鍋爐供料及一次風(fēng)系統(tǒng)，開展現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖6所示。本試驗(yàn)系統(tǒng)由羅茨鼓風(fēng)機(jī)(一次風(fēng)機(jī))、一次風(fēng)粉管道、煤粉塔(包括煤粉大儲(chǔ)倉、中間儲(chǔ)倉)、煤粉供料器、風(fēng)粉混合器、燃燒器及其余鍋爐系統(tǒng)組成。

圖5 不同時(shí)刻傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度分布云圖Fig.5 Cloud chart of particle concentration distribution in declining air-powder mixerat different times

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic diagram of test system

試驗(yàn)首先啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)，吹掃風(fēng)粉管道，同時(shí)測(cè)量不供料時(shí)風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓值；然后正常啟爐，6 Hz啟動(dòng)供料器，并按規(guī)定方法調(diào)節(jié)鍋爐相關(guān)設(shè)備，待鍋爐各項(xiàng)參數(shù)正常且爐膛負(fù)壓、排煙氧含量穩(wěn)定后，測(cè)量6 Hz供料量下風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化，測(cè)量時(shí)間約1 min，記錄測(cè)量時(shí)間段內(nèi)負(fù)壓變化上下值及平均值。此后按每增加3 Hz供料量為一個(gè)工況，采用上述相同方法測(cè)量負(fù)壓變化。

采用德圖testo425熱敏風(fēng)速儀，測(cè)量2種不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器在不同落料量下的負(fù)壓，測(cè)量點(diǎn)位于風(fēng)粉混合器頂部向下約50 mm的中心處。對(duì)比分析風(fēng)粉混合器內(nèi)氣固兩相流流場(chǎng)的穩(wěn)定性，間接判斷其供料的穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

豎直風(fēng)粉混合器及傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓上下限隨供料量的變化見表2。由表2可知，2種結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓均隨供料量的增大而逐漸降低，這主要是因?yàn)殡S供料量的增大，風(fēng)粉混合器內(nèi)煤粉物料占據(jù)空間增大，即可用于形成負(fù)壓的氣相空間減小，而文丘里結(jié)構(gòu)保持不變，故由文丘里高速引射造成的負(fù)壓值減小，造成風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓逐漸減小。但是對(duì)于傾斜結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器，相同的供料量下負(fù)壓均大于豎直結(jié)構(gòu)風(fēng)粉混合器，特別是高供料頻率下(供料大于18 Hz)，傾斜結(jié)構(gòu)負(fù)壓變化下限比豎直結(jié)構(gòu)負(fù)壓上限高，且傾斜結(jié)構(gòu)負(fù)壓上限比豎直結(jié)構(gòu)上限高約1 000 Pa。因此，傾斜結(jié)構(gòu)風(fēng)粉混合器具有較寬的供料適用范圍，且能保證煤粉物料的快速均勻混合。

豎直風(fēng)粉混合器及傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)不同供料量下負(fù)壓平均值變化如圖7所示。由圖7可知，試驗(yàn)范圍內(nèi)傾斜風(fēng)粉混合器負(fù)壓平均值均大于豎直結(jié)構(gòu)。豎直風(fēng)粉混合器在高落料量下，平均負(fù)壓偏小，幾乎接近正壓，且在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)存在間斷正壓噴粉的現(xiàn)象，故該風(fēng)粉混合器在高落料量下負(fù)壓不足，是造成風(fēng)粉混合不理想，供料波動(dòng)較大主要原因。而高落料量下傾斜風(fēng)粉混合器負(fù)壓平均值仍大于-1 000 Pa，且測(cè)試期間并無噴粉現(xiàn)象。綜上，針對(duì)該供料系統(tǒng)，傾斜風(fēng)粉混合器具有穩(wěn)定且較寬的負(fù)壓變化范圍，相比于豎直結(jié)構(gòu)，能較好克服供料波動(dòng)大的現(xiàn)象。

圖7 不同落料量下豎直風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓平均值Fig.7 Average negative pressure in the vertical air-powder mixer under different blanking amount

2種風(fēng)粉混合器結(jié)構(gòu)在21 Hz供料量下數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)處負(fù)壓值對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，該供料量下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值非常接近，負(fù)壓相差小于30 Pa，誤差小于5%，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

圖8 21 Hz供料量下數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)處負(fù)壓值Fig.8 Numerical calculation and test negative pressure value under 21 Hz feed quantity

4 結(jié) 論

1)針對(duì)豎直及傾斜2種不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器，通過Fluent數(shù)值計(jì)算及工程試驗(yàn)，探究了風(fēng)粉混合器內(nèi)不同停留時(shí)間下顆粒濃度分布特征及不同落料量下風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓變化規(guī)律。停留時(shí)間由0.25 s增加至1 s時(shí)，傾斜風(fēng)粉混合器底部煤粉顆粒堆積，存在明顯的顆粒流動(dòng)死角，是造成風(fēng)粉混合不均及供料波動(dòng)的重要原因之一。

2)停留時(shí)間大于0.3 s時(shí)，傾斜風(fēng)粉混合器內(nèi)顆粒濃度基本降至0，較好地避免了煤粉顆粒在底部積累，消除了顆粒流動(dòng)死角，對(duì)于強(qiáng)化風(fēng)粉及減小供料波動(dòng)具有積極作用。

3)工程試驗(yàn)表明，高落料量下豎直結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器內(nèi)負(fù)壓偏低，且存在間斷的噴粉現(xiàn)象，而傾斜結(jié)構(gòu)的風(fēng)粉混合器仍能保持較高的負(fù)壓，對(duì)于克服供料波動(dòng)具有較好的效果。