王勇， 吳立新， 石戰(zhàn)勝， 李宗慧， 馬治安

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

0 引言

粗粉分離器是火電制粉系統(tǒng)的重要設(shè)備， 其作用是把不合格的煤粉返回磨煤機(jī)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(yīng)用于火電廠， 主要分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。 動(dòng)態(tài)分離器因均勻性指數(shù)高、 粉管濃度偏差小等特點(diǎn)獲得推廣， 但其驅(qū)動(dòng)軸容易被軟性物質(zhì)纏繞、 防堵差， 不適合在雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)中應(yīng)用。 鑒于徑向粗粉分離器的重要性， 大量學(xué)者進(jìn)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(rèn)為徑向粗粉分離器壓降和性能指標(biāo)有待改進(jìn)； Parham 和Easson[5]研究了分離器內(nèi)流場(chǎng)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(duì)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(dòng)靜結(jié)合粗粉分離器， 找出最佳的轉(zhuǎn)速和靜態(tài)擋板角度。 此外， 針對(duì)徑向粗粉分離器結(jié)構(gòu)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(nèi)部煤粉分離特征和流動(dòng)特性等。

本文通過研究靜態(tài)徑向粗粉分離器結(jié)構(gòu)和流體力學(xué)特征， 揭示其存在的缺陷， 并提出改進(jìn)和發(fā)展方向。

1 分離器數(shù)值計(jì)算和分析

現(xiàn)有靜態(tài)徑向粗粉分離器主要區(qū)別為: 內(nèi)錐體中粗顆粒是在分離器殼體外排出， 還是在內(nèi)錐鎖氣器處進(jìn)入回粉管而排出； 進(jìn)煤方式是直接落入磨煤機(jī)， 還是從分離器中心管進(jìn)入磨煤機(jī)[4，6，10]。 國內(nèi)運(yùn)行較多的是粗粉從內(nèi)錐進(jìn)入回粉管， 而排出和研磨的煤粉從分離器進(jìn)粉管流入磨煤機(jī)方式， 如圖1所示， 由于一些重要參數(shù)依靠實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量， 本文以國內(nèi)運(yùn)行較多的靜態(tài)徑向粗粉分離器為研究對(duì)象， 進(jìn)行數(shù)值模擬為研究者提供理論依據(jù)。

圖1 徑向粗粉分離器流體流動(dòng)過程

1.1 模擬設(shè)置

文中涉及的模擬方法為計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和離散顆粒(DPM) 模型， 其中的湍流參數(shù)由雷諾應(yīng)力模型(RSM) 求解， 此模型用于粗粉分離器研究， 模擬結(jié)果很好地吻合了實(shí)驗(yàn)[12-13]。 本模擬分離器總高約6.2 m， 內(nèi)筒體高約2.6 m， 內(nèi)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(jìn)口管直徑0.8 m， 出口管直徑0.56 m； 葉片30 個(gè)，角度45°。 氣體采用80 ℃下的空氣、 固體為煤粉，分離器氣固進(jìn)口速度為22 m/s。 網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格(數(shù)量275 萬格)， 經(jīng)計(jì)算的靜壓值1 308 Pa 與實(shí)驗(yàn)值1 375 Pa 基本一致， 進(jìn)一步說明模擬方法的可靠。

1.2 模擬結(jié)果

徑向粗粉分離器煤粉分離發(fā)生在內(nèi)錐體內(nèi)和內(nèi)外殼體間隙， 如圖1 所示。 流體從氣固入口A 垂直進(jìn)分離器， 撞擊內(nèi)錐B 處后在錐體C 處一部分流體向上運(yùn)動(dòng)、 一部分流體靠壁面流入回粉管， 過程中造成了內(nèi)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(jīng)徑向葉片切線進(jìn)入分離器產(chǎn)生離心分離， 經(jīng)中心筒G 處流出，一部分靠?jī)?nèi)錐外壁F 流下。 整個(gè)過程中顆粒向下流動(dòng)的地方有三處， 其中內(nèi)錐體下部錐形帽四周的回粉開口為主要分離點(diǎn)， 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(yùn)行過程中會(huì)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(jìn)一步證明了流體流動(dòng)過程， 并在圖1 相對(duì)應(yīng)的位置得到驗(yàn)證，如靠近內(nèi)錐外壁面低速區(qū)。 截面矢量顯示， a 位置回粉管內(nèi)流體向下流動(dòng)、 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(nèi)錐位置向下、 內(nèi)錐和外錐間流體向上， 這些都會(huì)引起設(shè)備磨損。 從上向下俯視d 圖， 顯示中心管內(nèi)流體呈旋轉(zhuǎn)狀， 這樣流體會(huì)呈旋轉(zhuǎn)式排出分離器， 易造成兩個(gè)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(nèi)錐下部錐形和外邊壁磨損嚴(yán)重， 需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)或者改變流場(chǎng)來消除； 分離器有效空間中， 入口管、 內(nèi)外錐體之間空間沒有充分利用， 需進(jìn)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(shù)值(截面位置如云圖所標(biāo)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(diǎn)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(cè)回粉管內(nèi)軸向速度為負(fù)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(fù)， 最大負(fù)值為7.5 m/s， 此處產(chǎn)生初級(jí)分離。z/L=0.67 位置為主要分離空間， 形成三個(gè)分離區(qū):靠近外壁處、 靠近內(nèi)壁外側(cè)處和靠近內(nèi)壁內(nèi)側(cè)， 分別出現(xiàn)了三個(gè)向下的速度； 形成兩個(gè)正值區(qū)， 一個(gè)進(jìn)入分離葉片， 一個(gè)從中心筒出去。 z/L=0.83 位置氣體從兩個(gè)口出去， 速度達(dá)到27 m/s， 高于進(jìn)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(nèi)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(nèi)筒內(nèi)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(chǎn)生了一個(gè)負(fù)壓區(qū)， 最低值為-400 Pa， 這樣會(huì)造成流場(chǎng)產(chǎn)生渦流而不穩(wěn)， 所以需要增加穩(wěn)渦的設(shè)備來控制以防止設(shè)備受損害；z/L=0.83 位置中心筒內(nèi)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(duì)稱。 由于內(nèi)筒內(nèi)的漩渦存在不穩(wěn)定性且可能破碎或聚并， 易造成兩個(gè)出口均勻性指數(shù)偏低， 需改進(jìn)此內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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(duì)外壁面產(chǎn)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(huì)磨損內(nèi)錐體上部， 所以需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備內(nèi)殼體進(jìn)行防磨處理。 小顆粒經(jīng)過中心筒從兩個(gè)出口排出， 但兩出口粉量不一致， 可能導(dǎo)致粗粉分離器兩出口壓力不同、 煤粉細(xì)度偏差大、 均勻性指數(shù)差以及煤粉濃度不均勻。 大顆粒會(huì)落到內(nèi)錐體底部的鎖氣器后排出。

圖7 顆粒流線

2 改造方式

現(xiàn)有分離器利用文獻(xiàn)[15] 推薦的方法進(jìn)行測(cè)試， 進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬所得到的結(jié)論， 測(cè)量結(jié)果如下: 磨煤機(jī)兩側(cè)壓降阻力相差150 Pa， 可能是出口濃度偏差引起的； 磨煤機(jī)兩側(cè)分離器出口煤粉細(xì)度R90偏差為5.62%， 煤粉均勻性指數(shù)為0.88。

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

1) 軸向粗粉分離器撞擊錐和進(jìn)口增加喇叭口， 改進(jìn)內(nèi)錐體下部結(jié)構(gòu)。 雖然撞擊錐也會(huì)磨損，但流場(chǎng)不會(huì)再撞擊外殼體壁面， 安全性增加。

2) 充分利用內(nèi)外殼體空間， 增加一層軸向擋板， 產(chǎn)生一級(jí)分離， 分離效果會(huì)增加。

3) 充分利用入口管內(nèi)空間， 增加離心葉片使流場(chǎng)向兩邊擴(kuò)散， 這樣可以產(chǎn)生一級(jí)分離， 也可以利用葉片打碎軟性物質(zhì)。

4) 在內(nèi)錐中心筒中間部位增加一個(gè)穩(wěn)渦棒，高度與內(nèi)錐高度相同， 可以起到穩(wěn)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(tǒng)平均經(jīng)濟(jì)出力為61 t/h； 磨煤機(jī)兩側(cè)分離器出口煤粉細(xì)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(shù)為1.02， 分離器效率平均為62.37%； 磨煤機(jī)分離器兩側(cè)壓降相差70 Pa， 阻力平均為675 Pa； 磨煤機(jī)兩側(cè)分離器循環(huán)倍率相差0.32， 循環(huán)倍率平均值為1.90。

3 結(jié)語

現(xiàn)有靜態(tài)徑向粗粉分離器粉管濃度偏差大且易被軟性物質(zhì)堵塞； 分離器有效空間中入口管、 內(nèi)外錐體之間的空間沒有得到充分利用； 中心管產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)， 易造成漩渦不穩(wěn)。 為消除流場(chǎng)不穩(wěn)定、 設(shè)備磨損等造成的影響， 提出了徑向粗粉分離器改進(jìn)的方向。 目前相關(guān)的改進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在某些電廠實(shí)施，效果明顯。 下階段， 將進(jìn)一步優(yōu)化新型粗粉分離器， 充分利用其有效分離空間， 使其更節(jié)能更環(huán)保。