粗粉分离器内颗粒运动分析

曹文广 华 亮 张高山

（1中国华电集团科学技术研究总院有限公司 北京 100000 2湖南华电长沙发电有限公司 湖南长沙 410000 3中国华电集团公司湖南分公司湖南长沙410000）

粗粉分离器内颗粒运动分析

曹文广1华 亮2张高山3

（1中国华电集团科学技术研究总院有限公司 北京 100000 2湖南华电长沙发电有限公司 湖南长沙 410000 3中国华电集团公司湖南分公司湖南长沙410000）

本文对粗粉分离器内颗粒的运动进行了稳态和瞬态的数值计算分析，通过分析颗粒的轨迹标明下层挡板的作用并不明显；瞬态中颗粒的分离情况表明，分离器对大颗粒，特别是对200um以上的颗粒分离效果显著。

粗粉分离器；分离效率；颗粒运动

引言

分离器是燃煤电厂原煤在进入锅炉燃烧前的重要设备。分离器性能低下导致制粉系统无法提供足够的煤量或提供的煤粉整体偏粗、煤粉均匀性下降，进而影响锅炉负荷和产生诸多锅炉燃烧问题，如锅炉的燃烧效率降低、飞灰含碳及污染物排放水平增高等[1]。因此，研究分离器性能对燃煤电厂节能减排具有重要意义。本文对粗粉分离器内颗粒的运动进行了计算模拟，对比了不同湍流模型对粗粉分离器计算的结果。

1 模型建立

1.1 几何模型

本文按照某600M电厂机组所配串联双轴向分离器尺寸建立几何模型，其结构形式见图1，分离器本体直径为3100mm，入口直径为1040mm，出口直径为510mm。网格采用四面体网格，实践证明采用四面体网格在工程上是可行的。

1.2 计算模型

1.2.1 连续相模型

假定分离器内部空气流动为不可压缩、定常湍流流动，采用更贴近实际，更适用于求解粗粉分离器的R NG k－ε模型[2]，R NG模型在ε方程中增加一个条件，考虑到了湍流旋涡，提高了模型精度。其相关方程参见文献[2]。模型入口选用速度入口边界条件，出口选用压力出口边界条件，入口速度为均匀速度入口，根据电厂运行情况，典型的速度大小14m/s作为本次模型计算的速度大小。

图1 分离器几何结构

1.2.2 颗粒相的数学模型

颗粒相采用基于拉格朗日坐标系的离散相模型来进行求解，颗粒的体积分数很小，不考虑煤粉颗粒的存在对流动的影响，颗粒相的运动方程具体可参阅[2]。

2 结果与讨论

2.1 颗粒的运动轨迹

图2为不同粒径的颗粒通过分离器的运动轨迹图，计算选用了5中粒径，分别为70um，90um，110um，200um，500um。从图中可以看出，粒径较小的三种颗粒能通过分离器的出口，而后两种颗粒不同出分离器，这说明110um一下的颗粒都能进入炉膛燃烧，从电厂入炉煤粉细度R90来看，出分离器的煤粉细度明显偏粗，这时可以减小上层挡板的开度，但同时也将增加分离器的压降。

从图中还可以看到，下层挡板的作用并不明显，颗粒经过下层挡板后并没有发生明显的轨迹变化，在开度较小的情况下，气流经下层挡板后所产生的旋流比较小，不足以使颗粒产生足够大的离心力而甩向壁面，这与下层挡板的设计初衷并不一致。

2.2 瞬态中颗粒的分离情况

瞬态计算能观察到颗粒的实时分离情况，本次计算在连续相计算时间为5s时入射颗粒，5种粒径的颗粒每时间步每种入射5个代表颗粒，共计算到时间20s时的情况进行分析。大粒径的颗粒占有大多数。

图3为20s时不同颗粒占分离器内颗粒的数量分数，从图可知，大粒径颗粒（200um 和 500um）占了总颗粒数量的绝大部分，随着颗粒的增大，颗粒数量分数增大，这也说明大颗粒的分离时间比小颗粒的分离时间更长。在计算的15秒时间

图2 不同粒径颗粒轨迹图

图3 20s时不同颗粒占分离器内颗粒的数量分数

内，每种颗粒共入射75000个，从模拟的结果来看，大粒径颗粒基本不会出分离器（考虑到颗粒与壁面选用的是反射边界条件，因此，未出分离器的颗粒可认为被分离了下来），分离器内500um和200um的颗粒占入射颗粒98%以上。

结论

本文对粗粉分离器内颗粒的运动进行了稳态和瞬态的数值计算分析，通过分析颗粒的轨迹标明下层挡板的作用并不明显；瞬态中颗粒的分离情况表明，分离器对大颗粒，特别是对200um以上的颗粒分离效果显著。

[1]吕太,丁帅,程超.粗粉分离器挡板开度对煤粉粒子分离特性影响的数值研究 [J].东北电力大学学报,2016,36(02):39-44.

[2]黄钢英.粗粉分离器气固两相流动与分离的模拟[D].华北电力大学,2013.