格栅型煤粉分配器的分配特性研究

张小林，赵 军，房云龙

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

在我国火力发电厂中，大型燃煤锅炉以四角切圆的燃烧方式最为常见，即燃烧器布置于炉膛四角，同层燃烧器中每个角的燃烧器出口气流的几何轴线均切于炉膛中心的假想圆的燃烧方式。保证同层四角燃烧器的风粉分配均匀对于提高燃烧效率具有重要意义，大型锅炉制粉系统常采用中速磨正压直吹系统。影响煤粉分配均匀性和稳定性的因素主要是给煤的稳定性和均匀性，以及同层各角送粉管道的阻力特性。在《DL/T 5145—2012 火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》第7.10.1条指出：“为保证并列输粉管道风粉分配均匀，在大容量锅炉直吹式制粉系统中必须装置某种类型的煤粉分配器”。格栅型煤粉分配器是在当前运行的600 MW燃煤机组中使用最广泛、最成熟的一种煤粉分配器，通常布置于磨煤机出口侧的垂直管道上。

目前虽然格栅型煤粉分配器结构成熟，应用广泛。但仍缺少采用数值模拟计算方法对其进行研究的文献。刘富爽等采用数值模拟方法研究了格栅煤粉分配器的流动和分配效果，但仅限于研究煤粉分配器本身，未考虑整个系统中分配器入口的非均匀条件，以及系统下游管道对分配器的影响。故本文采用气固两相流数值模拟的方法，对某电厂600 MW机组直吹式制粉系统中格栅型煤粉分配器的风粉分配特性进行研究，为送粉管道系统整体的风粉分配提供依据，并为下游管道的阻力配平提供参考，为今后进行基于数值模拟方法的锅炉送粉系统风粉均匀分配调节机制的研究奠定基础。

1 气固两相数值模拟的流动模型

1.1 气固两相流的描述方法

目前常见的两种描述两相流的方法分别为欧拉−欧拉（Euler−Euler）方法和欧拉−拉格朗日（Euler−Lagrange）方法。欧拉−欧拉方法是把颗粒当作具有连续介质特性的、与气体相互渗透的拟流体，气相和固相均在欧拉坐标下建立纳维−斯托克斯（N−S）方程进行求解，可以较好地求解颗粒相整体的输运特性。欧拉−拉格朗日（Euler−Lagrange）方法只把气相作为连续的流体，在欧拉坐标系下建立N−S方程求解，颗粒相在拉格朗日坐标下求解，对每一个颗粒进行追踪，以此了解颗粒的详细运动信息。由于不涉及换热，本文为冷态数值模拟，不考虑能量方程。假定流动为三维、定常、不可压的黏性流动；气相为牛顿流体，颗粒相为密度相等、大小均匀的球体，各相的物理性质恒定；由于两相流动中煤粉颗粒相体积分数较低，可以忽略颗粒间的碰撞，主要考虑空气相湍流与颗粒相运动的相互影响。

1.2 计算流体力学数值模拟的基本方法

针对湍流流动的数值模拟方法应用最多的是雷诺平均法（Reynolds−Averaged Navier−Stokes，RANS）。控制方程为：

时均形式连续性方程

时均形式动量方程

标量φ 的时均输运方程

式中：ρ为密度；t为时间；i、j为直角坐标系的方向；x为长度；u为速度；μ为黏度；p为压力；为雷诺应力项；S、S为附加的源项；φ为一般标量（它可以是能量、湍动能或者湍流耗散率，代入不同的物理量可以得到不同的输运方程）。

由雷诺时均N−S方程所得到的κ−ε流体模型已经非常成熟，可以用于计算湍流中的强旋流，DPM离散相模型可以追踪颗粒的轨迹，故本文选用这两种模型进行两相模拟。

2 格栅型煤粉分配器分配效果数值模拟

2.1 模型的建立

格栅型煤粉分配器是用格栅将磨煤机出口的煤粉气流分割成若干狭缝气流，然后将煤粉气流交替导向两侧形成两个较为均匀的支流。本文锅炉机组采用典型的四角切圆燃烧，故分配器的分支数为4。煤粉气流进入分配器时先经过下方的一级格栅分成两个分支，形成“一变二”；两个分支的煤粉气流各自经过上方的二级格栅再次被一分为二，形成“二变四”。

采用Pro/E三维建模软件对某型号两级格栅型煤粉分配器建立模型，分配器左右结构对称，格栅排列顺序一致。为得到其分配性能，在煤粉分配器入口段增加一段弯管作为非均匀流动入口。煤粉分配器以及加弯管后的几何模型如图1所示。该图为分配器几何模型的x、y平面视角图。同时，对其内部格栅数进行调整，分别模拟格栅数为0、4、8、12的分配器的分配效果，得出最佳的分配方案。

图1 煤粉分配器以及加弯管后的几何模型Fig.1 Geometric model of the pulverized coal distributor with an elbow

2.2 网格划分

本文采用ICEM−CFD软件进行网格划分，采用非结构划分网格，在Fluent软件中转换为多面体网格，最终的煤粉分配器的网格划分如图2所示，其网格质量在0.4以上，可满足计算需要。

图2 煤粉分配器的网格划分Fig.2 Mesh of the pulverized coal distributor

2.3 参数设置

本文应用Fluent软件分别对纯空气流以及空气煤粉气固两相流进行数值模拟，入口和出口的圆管分别对应前面的磨煤机和后面的送粉管道，直径分别为1 120、580 mm。中速磨煤机出口一次风温度为77 ℃，直吹式送粉管道的流速约为22～28 m·s，并且该机组锅炉额定负荷（BRL）工况下的固气比（煤和空气的质量比）约为0.5 kg·kg。计算主要参数设置为：重力加速度为9.81 m·s；气相为密度1.03 kg·m、黏度2.092 × 10kg·（m·s）、101 325 Pa、80 ℃的空气，颗粒相为密度1 648 kg·m的平顶山矿烟煤。煤粉直径33 μm，入口速度25.17 m·s，大气压出口边界条件，颗粒相和气体相入射速度相同，颗粒所占体积分数约为3.715 × 10（即0.037 15%）。

3 计算结果及分析

3.1 弯管后流体的非均性分析

两相流经过弯管时，由于各处受到的离心力不同而造成速度不均。之后，流体又经过由圆变方的渐扩面，速度再次发生变化，故在第一级格栅进口前速度分布如图3所示。由图中可见，截面上速度分布最大差异在10倍以上，且左半边速度较大；而第一级格栅进口前煤粉体积分数如图4所示。由图中可见，左、右两侧的体积分数最大偏差不足5%，且左边较大。本文将模拟流体经过弯管后分配器的均匀分配效果，此截面的速度和煤粉浓度分布符合煤粉分配器进口风粉非均匀流动的工况。

图3 第一级格栅进口前速度分布Fig.3 Velocity distribution at the inlet of the first grilles

图4 第一级格栅进口前煤粉体积分数Fig.4 Volume fraction of pulverized coal at the inlet of the first grilles

3.2 煤粉分配器内部的流动特性分析

图5 ～6分别为8格栅分配器z=93.75（z为垂直于x、y平面的方向）和两级格栅内部的速度图。由于格栅出口为交错顺序出流，故在格栅内主流区集中在下方入口到出口之间，在主流区内速度较大，而“主流区”外的边角位置速度较小。受分配器结构影响，在第一级格栅进口前流动截面扩大，渐扩角落速度较小；在两级格栅出口处，由于截面均缩小，且流体经转弯、分叉，在出口汇合，转角处速度明显增大，产生磨损的可能性增大（如图6所示）。图7为分配器出口速度图。由图中可见，支管出口速度分布不均，且由于支管内侧存在尖角和外侧壁面的阻挡，导致外侧速度较高，需要经过长直管段进行均匀化（为方便比较，规定从左到右出口编号分别为1、2、3、4）。

图5 z=93.75平面速度图Fig.5 Velocity at the plane of z=93.75

图6 第一级、第二级格栅速度Fig.6 Velocity of the first and second grilles

图7 分配器出口速度Fig.7 Outlet velocity of the distributor

3.3 煤粉颗粒的运动轨迹

图8 为8格栅的颗粒运动轨迹时间云图。为方便查看只显示了102个煤粉颗粒的轨迹。由图中可知，在入口段颗粒轨迹较为一致，经过弯管后由于惯性颗粒轨迹出现差别，少数颗粒在截面变化处运动出现一定的随机性，并且在截面扩大处产生涡旋；大多数颗粒运动集中在 “主流区”内，随动性良好，在出口处被捕获。

图8 颗粒运动轨迹时间云图Fig.8 Particle trajectory colored by particle residence time

3.4 各出口支管的流动情况

本文对不同格栅数时的风粉流动与分配进行了数值模拟。表1为0格栅两相流动情况。表2～5给出了纯空气相和两相流动时，不同格栅数的分配器各出流支管出口的流动偏差，其中包括速度、质量流量和两相流中煤粉的体积分数（煤粉体积占两相流总体积的比值）。

表1 0格栅流动情况
Tab.1 Flow without the grilles

0格栅 出口1 出口2 出口3 出口4气相出口质量流量/（kg·s−1） 8.15 7.21 8.63 8.56气相出口速度/（m·s−1） 25.51 22.61 27.24 27.21单相全压降/Pa 314.6 383.33 259.73 276.07两相出口质量流量/（kg·s−1） 12.49 10.46 13.09 12.78两相出口速度/（m·s−1） 26.13 21.89 27.54 27.05煤粉体积分数/% 0.036 91 0.037 07 0.037 19 0.037 36两相全压降/Pa 636.68 802.53 575.26 569.56

表2 4格栅流动情况
Tab.2 Flow with 4 grilles

4格栅 出口1 出口2 出口3 出口4气相出口质量流量/（kg ·s−1） 8.38 7.87 8.16 8.15气相出口速度/（m·s−1） 26.65 24.89 25.89 25.70单相全压降/Pa 424.61 526.33 482.73 504.07两相出口质量流量/（kg·s−1） 12.78 11.78 12.02 12.78两相出口速度/（m·s−1） 27.03 24.85 25.39 25.75煤粉体积分数/% 0.037 26 0.037 09 0.037 27 0.037 34两相全压降/Pa 768.04 936.11 873.91 841.36

由表中数据可知，由于弯管入口向左造成出口2的速度和流量总是偏小；若弯管入口向右则出口3的速度和流量会偏小。表5中给出了8格栅弯管向右时的速度和质量流量，表明煤粉分配器入口处的风粉分布会对分配效果产生影响。理论上随着格栅数的增加，出口2与其他支管的偏差会逐渐减小。考虑到格栅数过多时，虽然分配均匀性会进一步得到改善，但阻力也会明显增加，阻力越大，对一次风机压力的要求就越高，从而影响风机的运行效率；而且风机压力过大，漏风量会增大，尤其是对于三分仓空气预热器，烟气会泄漏在一、二次风中，烟气中的固体颗粒会对燃烧产生一定的影响，这样整个系统的能耗就会增大，并且8格栅煤粉分配器的初始分配效果已经达到均匀送粉的要求，所以推荐采用8格栅结构的煤粉分配器。

表5 8格栅弯管向右流动情况
Tab.5 Flow with right elbow of 8 grilles

8格栅 出口1 出口2 出口3 出口4气相出口质量流量/（kg·s−1）8.72 8.33 7.75 8.20气相出口速度/（m·s−1） 25.71 25.87 24.19 25.50两相出口质量流量/（kg·s−1） 12.43 12.31 11.67 12.41两相出口速度/（m·s−1）25.68 25.45 24.15 25.68煤粉体积分数/% 0.037 01 0.037 02 0.037 12 0.037 24

3.5 格栅分叉顺序对流动偏差的影响

表6给出了8格栅不同分叉出流顺序（即格栅先向左分叉或先向右分叉）的两相流动情况，包括出口速度和质量流量。结果表明，由于分配器内部的结构和格栅数不变，两者偏差相差不大，格栅出口的分叉顺序对偏差影响不大。

表6 8格栅不同分叉顺序的流动情况
Tab.6 Flow with 8 grilles under different bifurcation

分叉顺序 8格栅 出口1 出口2 出口3 出口4质量流量/（kg·s−1） 12.32 11.74 12.26 12.48左出口速度/（m·s−1） 25.49 24.29 25.37 25.79煤粉体积分数/% 0.037 00 0.037 03 0.037 11 0.037 24质量流量/（kg·s−1） 12.41 11.64 12.33 12.44右出口速度/（m·s−1） 25.67 24.10 25.49 25.69煤粉体积分数/% 0.037 03 0.036 97 0.037 15 0.037 22

3.6 送粉管道对分配效果的影响

由于连接分配器的下游送粉管道布置不尽相同，所以由于下游管道阻力不均，造成分配器出口背压不同。令速度和煤粉体积分数最大出口4的背压明显高于其他出口，结果表明出口参数原本分配偏大的出口4，其速度等指标值明显减小，其结果如表7所示。这说明在实际运行中下游管道的布置会影响分配器的分配效果。

表3 8格栅流动情况
Tab.3 Flow with 8 grilles

8格栅 出口1 出口2 出口3 出口4气相出口质量流量/（kg·s−1） 8.26 7.96 8.10 8.24气相出口速度/（m·s−1） 26.22 25.16 25.66 25.99单相全压降/Pa 614.48 686.29 637.79 623.31两相出口质量流量/（kg s−1） 12.32 11.74 12.26 12.48两相出口速度/（m·s−1） 25.49 24.29 25.37 25.79煤粉体积分数/% 0.037 00 0.037 03 0.037 11 0.037 24两相全压降/Pa 950.05 1 006.25 962.37 987.37

表4 12格栅流动情况
Tab.4 Flow with 12 grilles

12格栅 出口1 出口2 出口3 出口4气相出口质量流量/（kg·s−1） 8.23 7.75 8.21 8.36气相出口速度/（m·s−1） 25.55 24.07 25.53 25.97单相全压降/Pa 740.48 806.29 748.79 755.31两相出口质量流量/（kg·s−1） 12.32 11.74 12.26 12.48两相出口速度/（m·s−1） 25.67 24.16 25.36 25.71煤粉体积分数/% 0.037 02 0.037 00 0.037 11 0.037 23两相全压降/Pa 1 178.18 1 267.10 1 206.45 1 190.89

表7 8格栅在不同背压下的流动情况
Tab.7 Flow with 8 grilles under different backpressure

8格栅 出口1 出口2 出口3 出口4气相质量流量/（kg·s−1） 8.78 8.53 8.77 6.89气相出口速度/（m·s−1） 26.27 26.03 26.26 21.33两相质量流量/（kg·s−1） 12.79 12.61 12.79 10.59两相出口速度/（m·s−1） 26.46 26.08 26.47 21.89煤粉体积分数/% 0.373 2 0.372 7 0.373 3 0.357 9

4 结 论

（1）本文采用数值模拟方法对格栅型煤粉分配器风粉分配特性进行研究，结果表明，数值模拟方法较好地表示出煤粉颗粒和空气流经分配器的运动轨迹和流动特性，对于锅炉送粉系统风粉分配和调节机理的研究具有较好的指导意义。

（2）流体在分配器截面变化处速度会突变，比如在第一级格栅后的截面扩大处速度减小，而每一级格栅出口的转角处速度会增大；由于第二级格栅出口处支管外壁的阻挡作用，支管外侧的速度偏高。

（3）颗粒的运动在“主流区”与空气较为一致，而在此“主流区”外的运动则会出现一定的随机性。

（4）格栅数从0到8，各支管出口的速度以及体积分数偏差逐渐减小；8格栅以上的分配器分配效果改善不大，但阻力会增加。

（5）格栅左右分叉的顺序对分配器的流动偏差影响不大，其流动偏差主要取决于分配器的结构和格栅数。

（6）煤粉分配器入口处的风粉分布，以及出口处的不同背压会对分配器的分配效果产生不同程度的影响，在实际调节中需要尽可能地将分配器后送粉管道的阻力配平，有利于提高煤粉分配器的初始均匀分配性能。使用数值模拟方法为送粉系统进行风粉均匀分配计算时，宜将煤粉分配器和下游送粉管道一起计算。