旋流式煤粉分配器内流场数值模拟

王 伟, 高占民,2

(1.吉林大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130022)(2.吉林大学辊锻工艺研究所，吉林 长春 130022)

煤粉分配器在锅炉制粉系统中的作用是将煤粉均匀分配到锅炉燃烧器内。为了解决煤粉分配存在的偏差问题[1-3]，研究人员研发了各种各样的煤粉分配器[4-5]，目前应用较多的主要有以下几类：莲式分配器、盘式分配器、球式分配器、格栅型煤粉分配器、双可调煤粉分配器、扩散型煤粉分配器。这些分配器虽然都能将风粉传输到锅炉燃烧器内，但都是以直线传送的方式，会造成煤粉无法均匀分配到锅炉的各个燃烧位置，且直线传输也会产生较大的浓度偏差。为解决该问题，笔者所在的团队设计了一种旋流式煤粉分配器，通过调整煤粉分配器的叶片角度，使煤粉和空气强烈混合形成旋流，实现旋流输送一次风粉，以减少管内煤粉浓度偏差，利于锅炉稳定燃烧。

本文选用在流体流动问题数值模拟中应用广泛的Fluent软件(欧拉法)对旋流式煤粉分配器内流场进行数值模拟。

1 分配器的几何建模及网格划分

由于旋流式煤粉分配器的结构相对复杂，因此不便直接用Gambit建模。本文首先使用UG建立旋流式煤粉分配器的三维立体模型，然后导入到Gambit软件中进行网格划分，设置边界条件以及流体区域。

1.1 旋流式煤粉分配器三维几何建模

用于流体仿真计算的旋流式煤粉分配器三维几何模型如图1所示。该模型能较为透明地展示旋流式煤粉分配器内部空间结构，为整个空间的速度场以及静压场的图形展示做准备。

图1 流体仿真几何模型

1.2 网格划分

网格划分采用Het/Htbird形式、Tgrid划分方法进行，得到的旋流式煤粉分配器流道的体网格数约为270万个，如图2所示是60°叶片下的轴向及径向截面的网格分布，可以看出锥体及叶片周围网格分布比较紧凑，其网格质量可以满足计算要求。

图2 分配器轴向及径向截面的网格分布

1.3 边界条件

在Gambit中对模型进行边界条件设置[6-7]。定义进口边界条件为速度入口(velocity inlet)，给定垂直于进口的速度值为14.58 m/s；出口边界条件为压力出口(pressure out)，设置出口压力为环境大气压。系统对wall边界条件进行了默认设置，不需要对边界条件进行改动。给定进、出口湍流动能和湍流动能耗散率，定义进、出口回流的湍流强度为5%，湍流黏度为5。其他壁面设置成wall边界条件[8-10]。

2 分配器内两相流动数值模拟

2.1 速度矢量图及静压云图

为了对比分析不同叶片数目对旋流式煤粉分配器性能的影响，分析了叶片数目为5,6,7片时旋流式煤粉分配器的流场特性。

图3所示为不同叶片数目时旋流式煤粉分配器X向中间截面的速度矢量对比。通过对比可以看出：旋流式煤粉分配器内筒体出口处的涡流相差不大，说明叶片数目对其影响不大。而叶片数目对风粉速度场的最大影响体现在速度场的均匀性上，叶片数目为6时的速度场呈现较好的对称性，而叶片数目为5,7时的速度场对称性较差，一侧高速区范围较大，另一侧高速区范围较小，不利于气流的流动。

图3 X向中间截面速度矢量对比

图4所示为不同叶片数目时旋流式煤粉分配器X向中间截面静压云图对比，可以看出不同叶片数目下的压力场分布趋势是一致的，都在内筒下锥体前段存在明显的高压区，压力最高处位于前段凸台附近，次高压出现在内筒两侧及上锥筒外延，呈对称分布。随着叶片数目的增加，内筒前段高压区范围逐渐减小。与速度场分布趋势一样，叶片数目为6时的压力场也有较好的对称性，这对流场的均匀分布是有利的。

图4 X向中间截面静压云图对比

2.2 煤粉颗粒轨迹

图5所示为不同叶片数目时的煤粉颗粒轨迹，可以看出，煤粉颗粒随着气流呈螺旋形流出，整个出口处的煤粉颗粒沿顺时针方向流出。但5个叶片时中心区域颗粒速度过高，对内筒的磨损较大，能量损失较大，而7个叶片时气流分配效率不如6个叶片均匀。

图5 不同叶片数目煤粉颗粒轨迹对比

表1为3种叶片数目下旋流式煤粉分配器进出口的压降对比。可以看出：随着叶片数目的增加，气流穿过叶片的流通面积减少，煤粉对叶片表面的冲击增加，流道阻力增加，致使进出口压降增加。

表1 进出口压降对比 Pa

追踪直线轨迹，得到如图6所示的不同叶片数目煤粉速度沿其轨迹线的分布情况。可以看出，煤粉速度变化的整体趋势都是经过内筒下锥体及叶片后得到加速，速度达到最大值，流经上锥体后速度下降。6个叶片时的速度峰值变化比较平缓，5和7个叶片时的速度峰值存在明显尖峰，过大的速度梯度对气固两相的平稳流动是不利的。

图6 不同叶片数目煤粉速度对比

3 应用

优化设计的旋流式煤粉分配器如图7所示。

图7 旋流式煤粉分配器实物图

该分配器已应用于国内某600 MW发电机组中，以14.58 m/s的输送速度自下而上输送煤粉，均能以超过15 m/s较平稳的出口速度将煤粉均匀地分配到锅炉的5层燃烧器内，最上层燃烧器亦能获得需要的风粉混合物且能顺利地喷入炉膛内稳定燃烧。

4 结论

本文利用Fluent软件对旋流式煤粉分配器两相流的流动特性进行数值模拟研究，得出如下结论：

1)从模拟的煤粉颗粒轨迹可以看出，煤粉颗粒随着气流呈螺旋形流出分配器，出口处煤粉颗粒沿顺时针方向被分配流出。进口煤粉颗粒的速度较低，由于通道的扩压以及叶片的分流作用，使得煤粉颗粒得以加速，从而以较高的速度流出分配器。

2)不同叶片数目的流体特性数值模拟结果表明整个流场速度较为均匀，内筒体出口处的涡流相差不大。相比之下，叶片数目为偶数时流场更加顺畅。

3)按模拟结果优化设计的旋流式煤粉分配器经实际应用效果良好，证明采用欧拉法对颗粒群轨迹进行模拟以及在单相流场的基础上对气固两相流体特性进行模拟是可行的。