基于多相流仿真技术的火电厂输煤筛碎转运点优化设计

夏兴丁 孙语浓 张译丹

1浙江浙能温州发电有限公司 温州 325602 2哈尔滨恒宇电力工程有限公司 哈尔滨 150090

0 引言

煤料输送是燃煤电厂正常运作的必备环节。目前所有输煤系统转运燃煤时，燃煤从溜管中下落，压缩溜管中气流，产生诱导风，带来大量粉尘，不仅污染了环境，还造成煤的流失和损耗。目前公司在役的筛碎转运点，落煤管为传统900×900方形直通式，其溜管形状与物料的落料轨迹不匹配，落煤管易堵煤，落煤管和锁气器磨损、穿透现场频繁，维护工作量较大。不规则的落料轨迹与落煤管冲击，产生大量粉尘颗粒与诱导风，DTⅡ传统的导料槽密封性差，大量高压、高速气流从导料槽的前挡帘处喷出，造成大量粉尘逃逸，碎煤机室内粉尘污染严重，影响作业人员的身心健康。

为此，本文针对目前在用的输煤系统中的筛分-破碎系统下转运点改造，运用多相流技术分析系统内部气相流场特性、涡旋结构参数、喷淋液滴及固体颗粒运动情况等，对系统集尘区内多相流动过程进行分析，并基于数值模拟结果对现有筛分-破碎系统下转运点进行优化设计。

1 筛碎转运点的优化设计

如图1所示，针对目前存在的问题，结合多年电厂输煤系统运行、管理经验，主要的技术优化措施为：

图1 优化前后的筛碎转运点布置图

1）将直线形方形溜管将直线式溜管改成曲线形槽型溜管。

2）将导料槽改完扩容封闭性导料槽，导料槽的横断面积为标准DTⅡ横断面积的1.6倍。

3）在封闭导料槽上增加数道阻尼板，减少气流从导料槽前端挡尘帘处溢出。

4）在封闭导料槽上部增加泄压仓，气流从泄压仓顶部经过滤后泄出，减少导料槽的压力。

5）改变干雾抑尘的喷淋布置，利用细微液滴凝尘、降尘。

6）增加回风管，连接碎煤机上部溜管和封闭导料槽，平衡上方溜管和导料槽内部气压，减少碎煤机鼓风效应。

2 多相流分析

为了分析优化设计效果，采用多相流技术对溜管、导料槽内部气相流场特性、多相流动过程进行仿真分析，并对改造前后的结构进行对比，从理论上对优化的效果进行验证。

2.1 多相流分析理论简介

筛碎转运点整体涉及空气、喷淋液滴及固体颗粒物，属于典型的气-液-固三相流动。目前，研究连续介质类多相流的理论模型主要有欧拉-拉格朗日模型和欧拉-欧拉模型2大类，二者都是将流体作为连续介质处理，不同之处在于前者是将颗粒群作为离散体系处理，研究颗粒动力学、颗粒轨道等信息，而后者将颗粒群当作拟连续流体介质处理[1]。

在本模型中，将气相流体视作连续相，把喷淋液滴及固体颗粒相作离散相处理，通过分析单个离散相颗粒的受力情况，运用经典牛顿力学知识，以得到液滴和颗粒物在气相流场中的运动轨迹及其他运动参数。其中喷淋液滴相的运动特性采用离散相模型（DPM）进行描述，且仅考虑曳力与自身重力的作用，其运动方程为[2]

式中：up为离散相运动速度，u为连续相流体运动速度，fD(u-up)为单位质量的漪力，ρP为离散相密度，ρ为流体密度。

为获得颗粒-颗粒间、颗粒-流体间及颗粒-壁面间的碰撞等信息，采用CFD-DEM耦合的方法，对颗粒运动情况进行数学描述。该耦合方法优势在于利用离散元方法（DEM）根据牛顿第二定律求解各离散颗粒的受力、位置及速度变化以获得颗粒相的运动情况；而通过计算流体力学（CFD）方法求解Navier-Stokes方程来获得连续相的流场分布规律。其颗粒相的运动方程为[3]

式中：mi、Ii、vi、ωi分别为颗粒的质量、惯性矩、平动速度和转运速度，fp为颗粒与流体相互作用力，和分别为颗粒i、颗粒j之间的接触力和阻尼力，和分别为颗粒i、颗粒j之间的轧制力矩和滚动摩擦力矩。

2.2 筛碎转运点多相流仿真

本文利用流体动力学（CFD）的数值模拟技术进行仿真分析，建立筛碎转运点三维模型，导入Fluent软件中，在整体网络化处理后，细化入喷淋口、阻尼隔栅、泄压仓出口等处网格，筛碎转运点优化设计后的有限元模型最终网格化如图2所示。

图2 优化设计后的Fluent模型

仿真边界条件设置：1）包括筛下溜管、碎下溜管入口、喷淋口、和前端挡尘帘出口空气压力均为标准大气压；2）在空气阻尼板处设置阻尼气压，模拟阻尼板作用；3）筛下溜管处的颗粒流量为108 kg/s，碎下处的颗粒质量流量为190 kg/s，喷淋喷水口水的质量流量为0.56 kg/s。

对该模型进行的多相流仿真结果如图3所示，其中，图3a为原有筛碎转运点落料4.72 s时空气速度云图，图3b为优化设计后筛碎转运点4.72 s时空气速度云图。改变泄压仓内过滤网和阻尼板上的阻力，从仿真结果上可以明显看到气流从缓存仓口上方溢出，见图3c、图3d，其为优化设计后筛碎转运点4 s、7.2 s空气速度矢量图。由图可知：1）料流通过曲线槽型溜管束流、导向后，对溜管内气流的压缩、诱导效应明显减弱；2）从气流迹线图上可以清晰看出，在分级阻尼板的作用下，气流通过泄压仓溢出，降低了全封闭导料槽内的气压，减少了气流从导料槽的挡尘帘处溢出；3）4 s时气流速度、气压明显高于7.2 s，显示第一波料流对溜管内气流压缩效应最大，随着上游料流均匀，气流趋稳后气流速度反而有所降低。

图3 筛碎转运点空气速度对比

3 结论

本文针对目前在役的输煤系统中的筛分-破碎系统下转运点粉尘污染严重的问题，建立筛碎转运点的有限元模型并进行了多相流仿真，了解筛碎转运点内气、液、固相的流动特性，特别是根据转运段内的气相流形、速度分布等流动特性对现有筛碎转运点进行优化设计。

通过改用曲线型槽型溜管、采用扩容封闭性导料槽、在导料槽内增设阻尼板、导料槽上部增设泄压仓、利用细微液滴凝尘、降尘等一系列改进措施，有效降低了物料对溜管内气流的诱导效应，同时，泄压仓降低了全封闭导料槽内部气压、气流速度，多级阻尼板减少了气流从导料槽的挡尘帘处溢出，达到了降尘抑尘的效果。优化后的筛碎转运点降尘抑尘的效果还有待在工程实践中进一步验证和完善。