旋转煤粉分离器分离特性的数值研究

李永华，程学远，魏杰儒

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

煤粉分离器是制粉系统的重要组成部分，其作用就是将磨煤机磨出的较粗的不合格煤粉分离出来，返回磨煤机重新研磨，合格煤粉则送到细粉分离器或直接送入炉膛燃烧，其运行性能对制粉系统以及整个锅炉机组的安全经济运行有很大的影响［1］。静动叶组合式旋转煤粉分离器主要是由旋转的转子动叶和导向静叶组成，其分离原理是依靠转子转动，使带粉气流旋转，煤粉粒子在旋转分离区内水平方向主要受携带气流的曳引力和离心力作用，当粒子受到的离心力大于气流的曳引力时，粒子就会飞逸出分离区域，在涡流旋力作用下从气粉流中分离出来返回到磨煤机再度研磨。同时煤粉颗粒还会与旋转的转子动叶片发生碰撞而飞逸出分离器的分离区域，但叶片的撞击作用相对小得多。旋转煤粉分离器具有出口煤粉均匀性指数高、分离效率高、煤粉细度可调性及煤粉均匀性好等优点［2～4］。文献［2］采用RNG k-ε 模型对煤粉分离器进行了数值研究，并且得到了其出粉效率和通风阻力随转子转速变化的趋势。本文采用能够容纳真实粒子分布的Rosin-Rammler分布情况对煤粉颗粒运行轨迹进行分析计算，使数值模拟更加接近实际效果。为了进一步了解分离器的分离特性，本文采用了更贴近实际，更适用于求解圆柱射流的Realizable k-ε 模型。分析得到了旋转煤粉分离器转子转速变化时煤粉流流动规律及其分离特性的变化规律，更加深入了解旋转煤粉分离器的分离机理，并为其结构优化提供理论依据。

1 模型及计算方法

1.1 物理模型及边界条件设置

本文以某电厂MPS89k 中速磨煤机为研究对象，利用gambit 软件创建中速磨煤机的物理模型，采用分块网格生成的方法，对每个体单独采用四面体/混合型网格类型生成网格，再将各单独体网格拼接成总体网格系统，并使块与块交界面上的网格保持一致。通过对网格无关性的验证，整个计算模型共分出大约100万个非均匀四面体网格，所生成网格结构如图1 所示。

磨煤机底部喷嘴组成的环形区域视为入口，其边界条件设为velocity-inlet，出口边界条件设为outflow，其他表面一律设为wall。在进行模拟计算时，由于喷嘴出口与磨煤机轴向有一定夹角，因此气相速度入口采用柱坐标系，径向速度、切向速度、轴向速度分别设为－ 6.5 m/s，－ 15.5 m/s，27.2 m/s，入口处颗粒的速度为0 m/s。

图1 旋转煤粉分离器物理模型网格划分Fig.1 Grid division for physical model of the rotary coal classifier

1.2 数学模型

本文对旋转煤粉分离器的内部流动进行数值模拟，而不考虑传热模拟，并假定其内部空气流动为不可压缩、定常湍流流动，采用更贴近实际，更适用于求解圆柱射流的Realizable k-ε 模型。其气相控制方程如下:

湍流粘度μt:

式中:ρ 为气流密度;u 为气流速度;μ 为空气动力粘性系数;μt为湍流粘度;Gk为平均速度梯度产生的湍流动能;Gb为浮力引起的湍流动能;YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。σk，σε分别为湍动能和湍动能耗散率对应的普朗特数;C1ε，C3ε，C2为常数。

1.3 受力分析

由于分离器内煤粉量与一次风量的体积比小于10%～12%，因此选用离散相模型(DPM)进行求解计算，忽略煤粉颗粒运动对连续相气体产生的影响，只考虑煤粉颗粒的受力情况。分离器中单个颗粒受力情况复杂，在模拟计算时可以忽略某些极小的作用力，只考虑煤粉颗粒所受到的曳引力、离心力和重力。

煤粉颗粒受力平衡方程:

颗粒所受气流曳引力为FD:

颗粒在分离器内旋转所受离心力为FC:

式中:ug为气相速度;up为离散相速度;uc为离散相切向速度;mp为离散相煤粉颗粒的质量;dp为煤粉颗粒的直径;Ap为煤粉颗粒的迎风面积;ρp为煤粉颗粒密度;CD为阻力系数。

2 模拟结果及分析

2.1 煤粉颗粒运动轨迹分析

为了使数值模拟更加接近实际效果，采用能够容纳真实粒子分布的Rosin-Rammler 分布情况进行分析计算［5］，粒径分布范围为30～200 μm。旋转粗粉分离器中煤粉颗粒轨迹随转子转速的变化而变化，分离器转子转速为90 r/min 时，颗粒直径小于90 μm 和大于90 μm 两种典型煤粉颗粒分布的运动轨迹分别如图2、图3 所示。

图2 粒径小于90 μm 煤粉颗粒运行轨迹Fig.2 The trajectory of coal particle size of less than 90 μm

图3 粒径大于90 μm 煤粉颗粒运行轨迹Fig.3 The trajectory of coal particle size of more than 90 μm

由图2、图3 可知，当转子转速为90 r/min时，颗粒粒径小于90 μm 的煤粉几乎全部都能从分离器出粉口逃逸出来;而颗粒粒径大于90 μm的煤粉仅有一小部分能够逃逸出分离器。从而可知，当转子转速一定时，较小的煤粉颗粒极易从分离器中逃逸，较大的煤粉颗粒则被分离出来沿回粉锥内壁落回磨煤机重新研磨。随着颗粒直径的增大，气流对煤粉颗粒产生的曳引力将成平方倍数增大，而煤粉颗粒受到的离心力则成立方的倍数增大，正是由于煤粉颗粒受到的这两个主要力的不平衡作用才导致其产生了分离。

2.2 分离器分离特性分析

2.2.1 出口煤粉细度与均匀性指数分析

旋转煤粉分离器出口煤粉细度随转子转速的变化特性是分离器的重要特性之一［6］。当系统通风量为21.5 kg/s、煤粉浓度为0.5 kg/kg，且导向静叶以及转子动叶安装角等参数不变时，认为分离器出口煤粉细度和煤粉均匀性指数随转子转速变化而变化。本文以R90来衡量出口煤粉细度，其随转子转速变化趋势如图4 所示。

图4 煤粉细度及均匀性指数随转子转速变化曲线Fig.4 Coal fineness and homogeneity index curve with the rotor speed

由图4 可知，旋转煤粉分离器转子转速越高，其出口煤粉细度R90越小;因为煤粉颗粒所受的离心力随转速增大而增大，煤粉分离均匀性得到改善，但是煤粉细度越小，粗粒子对煤粉均匀性指数的影响越大，造成煤粉均匀性指数下降，因此煤粉均匀性指数随着转子转速的升高先增大后减小。

2.2.2 综合分离效率

综合分离效率η 是指细粉分离效率与粗粉分离效率二者的差值，反应了旋转煤粉分离器对细粉和粗粉分离的综合情况。细分分离效率指分离器出口煤粉中小于R90的煤粉质量与其入口煤粉中小于R90的煤粉质量的百分比;粗粉分离效率指分离器出口煤粉中大于R90的煤粉质量与其入口煤粉中大于R90的煤粉质量的百分比［7］。旋转煤粉分离器内部为实际煤粉流时的综合分离效率η 随着其转子转速变化时的变化趋势如图5 所示。

图5 综合分离效率随转子转速变化曲线Fig.5 Comprehensive separation efficiency curve with the rotor speed variation

由图5 可知，旋转煤粉分离器的综合分离效率η 随着转子转速的提高先增大后减小。当转子转速为90 r/min 时，其综合分离效率达到最大值91.7%，但随着转子转速继续提高其综合分离效率η 开始下降。这是因为转子在较高的转速下，煤粉颗粒受到的离心力大于所受到的曳引力，加之内部阻力与重力的综合作用，大量较粗的煤粉颗粒被分离出来回落到磨煤机进行重新研磨。

3 结论

(1)当转子转速一定时，较小的煤粉颗粒极易从分离器中逃逸，较大的煤粉颗粒则被分离出来沿回粉锥内壁落回磨煤机重新研磨。通过对旋转煤粉分离器煤粉流的数值研究，有助于进一步了解其分离机理，并对其结构优化具有指导意义。

(2)旋转煤粉分离器出口煤粉细度随转子转速的增大而减小，而煤粉均匀性指数呈现出先增大后减小的变化趋势，在煤粉细度得到保证的情况下还应考虑煤粉均匀性指数是否处于最佳值。

(3)旋转煤粉分离器的动叶与煤粉颗粒的碰撞几率增大并产生鼓风作用，有较高的分离作用。旋转煤粉分离器的转子转速为90 r/min 时，其综合分离效率最佳为91.7%。

［1］解其林.MPS 中速磨煤机旋转式煤粉分离器的改造及应用［J］.中国电力，2005，38 (3):62-66.Xie Qilin.Retrofitting and application of rotating coal classifier in MPS pulverizers ［J］.Electrical Power，2005，38(3):62-66.

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［3］齐建华，高振森，吕玉亭，等.动静态转子煤粉分离器的试验研究［J］.节能技术，2007，25 (4):330-333.Qi Jianhua，Gao Zhensen，Lu Yuting，et al Experimental study on dynamic-stationary vane combined rotor classifier［J］.Energy Conservation Technology，2007，25 (4):330-333.

［4］尹元明.新型静动叶结合型旋转式粗粉分离器的研究［J］.江苏电机工程，2005，24 (1):63-65.Yin Yuanming.Research of stationary－ moving van combined type rotating classifier［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2005，24 (1):63-65.

［5］刘一凡.中速磨煤机粗粉分离器分离特性数值模拟［D］.吉林:吉林大学，2007.

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