張峰彬 何亞群 李 紅 謝衛(wèi)寧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

★ 煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★

靜態(tài)煤粉分離器中顆粒運(yùn)動(dòng)特性數(shù)值模擬研究

張峰彬 何亞群 李 紅 謝衛(wèi)寧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

為了研究不同性質(zhì)的顆粒在靜態(tài)煤粉分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)行為，利用Fluent數(shù)值模擬軟件包，采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)和離散相模型(DPM)對(duì)分離器內(nèi)的流場(chǎng)流態(tài)和不同粒度、密度顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，并從動(dòng)力學(xué)角度分析了顆粒在第一分離區(qū)和離心分離區(qū)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)使用實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)分離器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果匹配度良好，顆粒的密度越大在流場(chǎng)中的加速度越小，密度通過影響顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響顆粒的分離效率；顆粒在第一分離區(qū)為單一的軸向運(yùn)動(dòng)，在離心分離區(qū)為復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，湍流場(chǎng)對(duì)顆?！棒~鉤效應(yīng)”的產(chǎn)生有一定的影響。

靜態(tài)分離器 數(shù)值模擬 顆粒密度 魚鉤效應(yīng)

煤炭是我國(guó)重要的一次消耗資源，根據(jù)國(guó)土資源部的數(shù)據(jù)，到2020年我國(guó)煤炭年消耗量將達(dá)到50億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位的態(tài)勢(shì)長(zhǎng)期內(nèi)不會(huì)改變，而這其中近一半的煤炭將被電力行業(yè)消耗。2016年我國(guó)火電裝機(jī)容量達(dá)10.5億kW，占總裝機(jī)量的66%，火力發(fā)電在我國(guó)電力體系中占有重要的地位。隨著《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》(發(fā)改能源〔2014〕2093號(hào))的推出，我國(guó)在煤電污染的治理力度邁上一個(gè)新臺(tái)階，推進(jìn)煤電的清潔化和高效化成為煤電發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，而中速磨煤機(jī)的節(jié)能降耗是燃煤電廠節(jié)能降耗的重要部分，分離裝置是磨煤機(jī)的重要組成部分，主要作用是從磨煤機(jī)破碎產(chǎn)物中分離出合格煤粉，其對(duì)磨煤機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和磨煤機(jī)出力影響顯著。因此詳細(xì)研究中速磨煤機(jī)靜態(tài)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)和分離機(jī)理對(duì)于降低磨煤機(jī)的運(yùn)行能耗，優(yōu)化磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)和改善磨機(jī)結(jié)構(gòu)具有重要意義。

針對(duì)靜態(tài)煤粉分離器的研究，有國(guó)外專家在使用三維激光多普勒測(cè)速法獲得定量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用CFD模擬了自制實(shí)驗(yàn)室模型的內(nèi)部流場(chǎng)，獲得了軸向切面上的速度分布，并分析了擋板角度對(duì)流場(chǎng)速度分布的影響；還有國(guó)外專家基于現(xiàn)場(chǎng)磨機(jī)的采樣數(shù)據(jù)，分析了風(fēng)量、煤種和液壓加載力對(duì)磨機(jī)分離效率和循環(huán)倍率的影響；另有國(guó)內(nèi)專家利用模擬的手段研究了靜態(tài)分離器內(nèi)部的溫度分布，發(fā)現(xiàn)磨煤機(jī)中一次風(fēng)與顆粒在碗口發(fā)生激烈熱交換，并提出適當(dāng)提高出口溫度并不影響磨煤機(jī)運(yùn)行的結(jié)論；還有專家在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)株洲電廠的靜態(tài)分離器進(jìn)行改造，將分離器徑向型葉片改為軸向型葉片，結(jié)果表明，經(jīng)改造后分離器分離阻力下降50%左右，煤粉均勻性和磨煤機(jī)出力均有一定程度提高。目前研究者對(duì)靜態(tài)分離器的風(fēng)量、擋板開度、磨煤機(jī)出力、顆粒粒度對(duì)電耗和分離效率的影響做了較多的研究，但是顆粒在分離器中的運(yùn)動(dòng)不僅受到以上因素的影響，自身的密度作用也不可忽略，相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道。

因此本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)特定風(fēng)量、特定擋板開度下的不同密度和粒度顆粒運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行模擬，從動(dòng)力學(xué)角度分析顆粒在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探究顆粒粒度和密度對(duì)分離效率的影響，并通過實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)分離器的分離試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬所得的分離效率進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述

實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)分離器系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)靜態(tài)分離器系統(tǒng)示意圖

由圖1可以看出，從左至右依次是風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐、流量計(jì)、煤粉分離器、螺旋給料機(jī)和旋風(fēng)除塵器。系統(tǒng)開機(jī)后，將預(yù)先制備好的試樣由螺旋給料機(jī)給入，煤粉經(jīng)分離器中心落煤管進(jìn)入底部磨盤，磨盤再由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，氣流通過磨盤風(fēng)環(huán)噴嘴進(jìn)入分離器，并在風(fēng)力的作用下依次進(jìn)入第一分離區(qū)和離心分離區(qū)。細(xì)顆粒由上出口進(jìn)入旋風(fēng)除塵器收集，粗顆粒則由內(nèi)錐下出口返回磨盤，分離器系統(tǒng)的風(fēng)量通過風(fēng)閥控制。

分別使用超純煤粉、石英、碳化硅和黃鐵礦這4物料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，密度依次為1.2 g/cm3、2.6 g/cm3、3.2 g/cm3和4.5 g/cm3。每次實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)口風(fēng)速為2.78 m/s，分離器入料為 300 g，分離時(shí)間為5 min，收集出口細(xì)粉并使用激光粒度儀對(duì)其粒度進(jìn)行粒度分析。

2 分離器氣固兩相流模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

靜態(tài)分離器模型使用Solidworks建模，為實(shí)驗(yàn)室模型的1∶1等比例模型。靜態(tài)分離器結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖2所示。

圖2 靜態(tài)分離器結(jié)構(gòu)尺寸圖

使用ICEM軟件包對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分離器核心流域?yàn)榱骟w網(wǎng)格的形式，與壁面之間采用金字塔形網(wǎng)格連接過渡。網(wǎng)格最大畸變率為0.71，網(wǎng)格質(zhì)量符合運(yùn)算需求。為得到更精細(xì)的結(jié)果，最終模擬采用網(wǎng)格數(shù)為165萬左右，煤粉分離器網(wǎng)格示意圖如圖3所示。

圖3 煤粉分離器網(wǎng)格示意圖

2.2 模型選擇

RNG k-ε和Realizable k-ε模型是基于各向同性假設(shè)的湍流模型，由于其具有計(jì)算量小、收斂性好且計(jì)算精度相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)，在旋風(fēng)除塵器和煤粉分離器等旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)模擬中廣泛使用。有國(guó)外專家曾采用RNG k-ε、Realizable k-ε和RSM對(duì)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并采用皮托管測(cè)量分離器的切向速度，經(jīng)驗(yàn)證RSM模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以更好地實(shí)現(xiàn)擬合。因此，針對(duì)分離器內(nèi)部的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場(chǎng)，本文采用精度更高的RSM模型進(jìn)行模擬。雷諾應(yīng)力模型各項(xiàng)參數(shù)均使用Fluent默認(rèn)值。

煤粉分離器內(nèi)部風(fēng)煤比為1～3，固體顆粒體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于12%，屬于稀相體系。在模擬過程中，顆粒相的模擬采用離散相模型。并且在實(shí)際模擬過程中，只考慮重力、曳力和離心力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。顆粒受力模型見式(1)：

∑F=FD+G+F離

(1)

式中：F——合力，N；

FD——顆粒所受曳力，N；

G——顆粒重力，N；

F離——顆粒在離心力場(chǎng)中所受離心力，N。

2.3 材料設(shè)置及邊界條件

流場(chǎng)材料設(shè)置為空氣，密度為1.25×10-3g/cm3，運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)為1.79×10-5m2/s。煤、石英、碳化硅和黃鐵礦的累積粒度分布曲線如圖4所示，通過擬合，可用羅辛-拉姆勒方程表示見式(2)：

(2)

式中：Yd——篩下累積粒度分布百分?jǐn)?shù)，%；

d——顆粒粒徑，μm；

n——均勻性指數(shù)。

因此，為保證顆粒的粒度分布與圖4的實(shí)驗(yàn)物料相同，模擬中設(shè)置顆粒的密度分布為1.2 g/cm3、2.6 g/cm3、3.2 g/cm3和4.5 g/cm3，且設(shè)置進(jìn)口物料最大粒度為200 μm，最小粒度為0 μm，平均粒度為87 μm，分布系數(shù)為1.40。模型的進(jìn)口選擇速度進(jìn)口，出口為壓力出口，進(jìn)口速度選為2.78 m/s，湍流強(qiáng)度為4.18%，進(jìn)口當(dāng)量直徑為0.208 m。進(jìn)口和合格物料出口壁面反射條件設(shè)置為escaped，返料口設(shè)置為traped，其余壁面設(shè)置為reflect，恢復(fù)系數(shù)設(shè)置為0.8。設(shè)置顆粒的跟蹤步長(zhǎng)為0.01 m，跟蹤步數(shù)為50000步，考慮湍流擴(kuò)散對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，顆粒由inlet面產(chǎn)生。

圖4 物料累積粒度分布曲線

為了保證計(jì)算的收斂性，首先選用穩(wěn)定性相對(duì)較好的SEMPLE算法，壓力插補(bǔ)格式和對(duì)流相離散均采用默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)算至流場(chǎng)穩(wěn)定后，壓力插補(bǔ)格式改用PRESTO，對(duì)流相改用QUICK格式，計(jì)算至流場(chǎng)收斂，以得到較精確的結(jié)果。

3 計(jì)算收斂性和網(wǎng)格無關(guān)性分析

計(jì)算過程中，網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確性起著至關(guān)重要的作用，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，并考察了計(jì)算結(jié)果收斂性。采用40萬、80萬、120萬和160萬這4套網(wǎng)格分別進(jìn)行計(jì)算，考察速度和壓力隨著網(wǎng)格密度的變化情況，葉片附近流場(chǎng)速度和壓力變化曲線如圖5所示，速度和質(zhì)量流量隨迭代進(jìn)行變化趨勢(shì)圖如圖6所示。

圖5 葉片附近流場(chǎng)速度和壓力變化曲線

由圖5可以看出，雖然所選位置速度壓力變化劇烈，但是隨著網(wǎng)格密度的增加，速度和壓力值均無顯著變化，不同網(wǎng)格密度下曲線變化趨勢(shì)和各個(gè)點(diǎn)的值都較接近。因此，可以判定網(wǎng)格密度在所選范圍內(nèi)對(duì)流場(chǎng)物理量沒有影響。

由圖6可以看出，速度和質(zhì)量流量在150步之后開始穩(wěn)定，振動(dòng)幅度分別為2%和0.03%，且殘差值在2422步時(shí)達(dá)到10-3以下，因此判定模擬結(jié)果在2422步時(shí)迭代收斂。

圖6 速度和質(zhì)量流量隨迭代進(jìn)行變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)果與分析

4.1 顆粒動(dòng)力學(xué)分析

顆粒在分離器內(nèi)先后經(jīng)過第一分離區(qū)和離心分離區(qū)。第一分離區(qū)氣流主要以軸向運(yùn)動(dòng)為主，離心分離區(qū)是復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)。在僅考慮顆粒重力、曳力和離心力的情況下，顆粒的三向加速度見式(3)、式(4)和式(5)：

(3)

(4)

(5)

式中：ax、ay、az——切向、軸向、徑向加速度，m/s2；

ux、uy、uz——流體運(yùn)動(dòng)切向、軸向、徑向速度，m/s；

vx、vy、vz——流體運(yùn)動(dòng)切向、軸向、徑向速度，m/s；

μf——流體粘度，Pa·s；

ρf——流體密度，kg/m3；

ρp——顆粒密度，kg/m3；

rp——顆粒半徑，m；

r——顆粒在流場(chǎng)中所處位置距離軸線的垂直距離，m；

g——重力加速度，m/s2。

由顆粒加速度表達(dá)式可知，顆粒的加速度與顆粒的密度和粒度均呈反比。顆粒在第一分離區(qū)內(nèi)，主要受到氣流的曳力和自身重力的影響。顆粒運(yùn)動(dòng)與氣流關(guān)系密切。氣流在該區(qū)域內(nèi)主要以軸向運(yùn)動(dòng)為主，且氣流速度沿軸向逐漸增加。通過對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，第一分離區(qū)顆粒軸向速度變化曲線如圖7所示。圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)分別為1.2 g/cm3、2.6 g/cm3、3.2 g/cm3和4.5 g/cm3這4個(gè)密度的不同粒徑顆粒在第一分離內(nèi)軸向速度的變化曲線。盡管顆粒的性質(zhì)不同，但在仍具有相似的運(yùn)動(dòng)特性：在開始的一段距離內(nèi)，顆粒迅速加速到較高的運(yùn)動(dòng)速度后，進(jìn)入到加速度相對(duì)較小的運(yùn)動(dòng)階段，而當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到峰值后迅速下降。

圖7 第一分離區(qū)顆粒軸向速度變化曲線

由式(4)和圖7可知，顆粒運(yùn)動(dòng)之初，其與氣流間的速度差最大，顆粒加速度較大并迅速向上加速；達(dá)到相對(duì)較高的速度后其與氣流運(yùn)動(dòng)速度之差變小，加速度減小且速度增加變緩。當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)至葉片高度時(shí)，由于流場(chǎng)橫截面積的突然增大，且在邊壁作用下氣流運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，使得氣流的軸向運(yùn)動(dòng)速度突然變小或者方向發(fā)生變化，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度急劇下降。由7圖可以看出，相同粒徑下，密度小的顆粒運(yùn)動(dòng)速度對(duì)氣流場(chǎng)的變化較為敏感；相同密度下，小粒徑顆粒隨氣流場(chǎng)波動(dòng)的變化明顯?？梢耘袛啵谝环蛛x區(qū)對(duì)于不同密度，不同粒徑顆粒具有一定的分散作用。

4.2 流場(chǎng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室分離器入口風(fēng)速側(cè)量結(jié)果，將模型入口風(fēng)速設(shè)置為2.78 m/s，靜態(tài)煤粉分離器內(nèi)部縱向截面速度分布圖如圖8所示。

由圖8可以看出，在分離器上出口錐靠近落煤管附近的區(qū)域，氣流速度出現(xiàn)最大值，且在上出口錐底部有較大的速度梯度分布，說明速度在此區(qū)域急速增大。另外，在離心分離區(qū)內(nèi)部靠近落煤管區(qū)域，速度也相對(duì)較大。

圖8 靜態(tài)煤粉分離器內(nèi)部縱向截面速度分布圖

氣流在分離器外錐主要以軸向運(yùn)動(dòng)為主。經(jīng)過導(dǎo)流葉片后，氣流在內(nèi)錐形成一個(gè)宏觀尺度的渦，軸向上氣流在上出口錐底部出現(xiàn)分離，一部分氣流直接進(jìn)入上錐，形成短路回流，另一部分氣流由于分離葉片的折向作用，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，形成繞軸線旋轉(zhuǎn)的渦流場(chǎng)，靜態(tài)煤粉分離器內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)軌跡與速度流線圖如圖9所示。

當(dāng)顆粒進(jìn)入葉片附近以及離心分離區(qū)后，呈現(xiàn)與第一分離區(qū)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。顆粒受氣流作用，由第一分離區(qū)單一的軸向運(yùn)動(dòng)變?yōu)閺?fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。顆粒在離心分離區(qū)主要受自身重力，氣流曳力以及離心力作用。在相同氣流場(chǎng)和相同密度下，小粒徑顆粒由于良好的跟隨性，在氣流的帶動(dòng)下，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入煤粉分離器軸線附近，并從合格煤粉出口逃逸，形成短路流。顆粒粒徑相同時(shí)，密度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響與粒徑相似。大粒度或大密度顆粒由于自身重力作用，跟隨性較差，進(jìn)入內(nèi)錐旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，跟隨氣流繞軸線方向做螺旋運(yùn)動(dòng)。跟隨性相對(duì)較差的顆粒進(jìn)入離心分離區(qū)后，由于旋渦的存在，進(jìn)一步分散，影響分離效果。

由圖9可以看出，離心分離區(qū)的流場(chǎng)可以分為上部的短路氣流區(qū)和下部的渦流區(qū)兩個(gè)區(qū)域。渦流對(duì)于顆粒具有一定的分散作用。對(duì)于進(jìn)入離心分離區(qū)錐體中運(yùn)動(dòng)的顆粒，如果顆粒的跟隨性較好，在渦流區(qū)域運(yùn)動(dòng)的顆粒容易跟隨渦流運(yùn)動(dòng)上下翻轉(zhuǎn)而不能成為合格物料，而跟隨性居于中間的物料，由于渦流的作用，被渦流“甩”入具有較大速度梯度的上升氣流中，因此從出口分離出來。在密度較大的顆粒中，容易形成“魚鉤效應(yīng)”，而密度較小的顆粒由于其分離方式與密度較大的顆粒有一定差別而不易形成魚鉤效應(yīng)。由于沒有考慮顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)，因此推測(cè)“魚鉤效應(yīng)”極有可能是壁面對(duì)顆粒的作用引起的。流場(chǎng)在離心分離區(qū)縱向形成渦旋，而曳力對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)跡影響顯著，因此認(rèn)為顆?！棒~鉤效應(yīng)”的產(chǎn)生與不同密度顆粒在湍流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)系。

顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。由圖10可以看出，顆粒在離心分離區(qū)的分布與顆粒粒度有明顯的相關(guān)性，顆粒粒度大的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡多分布于下出口相對(duì)靠上的位置，顆粒處于-180～90 μm的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡更靠近下出口。而-90 μm以下的顆粒在離心分離區(qū)中部留下了較為明顯的運(yùn)動(dòng)軌跡。從密度上看，在靠近出口處運(yùn)動(dòng)的顆粒多為3.2 g/cm3和4.5 g/cm3的顆粒，而靠近離心分離區(qū)中部區(qū)域運(yùn)動(dòng)的多為1.2 g/cm3和2.6 g/cm3的顆粒。

4.3 顆粒性質(zhì)對(duì)分離效果的影響

由上述分析可以看出，離心分離區(qū)內(nèi)的渦流對(duì)于顆粒具有一定的分散作用。若顆粒的跟隨性較好，在渦流區(qū)內(nèi)的顆粒容易跟隨氣流上下翻轉(zhuǎn)而不能成為合格物料；而跟隨性居于中間的物料，由于渦流的作用，被渦流“甩”入具有較大速度梯度的上升氣流中，因此而從出口分離出來。因此，在密度較大的顆粒中，容易形成“魚鉤效應(yīng)”，而密度較小的顆粒由于其分離方式與密度較大的顆粒有一定差別而不易形成“魚鉤效應(yīng)”?；诓煌再|(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過計(jì)算，獲得了不同粒度和密度物料的分級(jí)效率曲線，4種物料分離效率曲線模擬值如圖11所示。

圖10 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

當(dāng)顆粒粒度為-90 μm時(shí)，煤粉顆粒的分離效率隨著顆粒粒度的增加而下降，而石英、碳化硅和黃鐵顆粒的分離效率隨著顆粒粒度的增加而緩慢上升。當(dāng)顆粒為+90 μm時(shí)，4種不同密度顆粒的分離效率均隨著顆粒粒度的增加而下降。除超純煤外，其余3種高密度物料的細(xì)粒部分均出現(xiàn)明顯的魚鉤效應(yīng)，與前述分析相符。

圖11 4種物料分離效率曲線模擬值

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可信度，以實(shí)驗(yàn)室分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。4種物料分離效率曲線實(shí)驗(yàn)值如圖12所示。

由圖11和圖12可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本相似，模擬結(jié)果具有一定的可信度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果數(shù)值上有一定的差異，分析原因在于：首先是顆粒的運(yùn)動(dòng)具有一定的隨機(jī)性；其次在模擬中假設(shè)壁面為光滑壁面，并忽略了顆粒間碰撞、顆粒的團(tuán)聚、顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)氣流場(chǎng)的影響以及溫度對(duì)流場(chǎng)的影響等因素；最后在模擬建模時(shí)對(duì)分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，忽略分離器轉(zhuǎn)盤和風(fēng)環(huán)等結(jié)構(gòu)。但是，在一定程度上，通過數(shù)值模擬可以對(duì)不同性質(zhì)顆粒在分離器內(nèi)部的分離特性進(jìn)行深一步的分析探討。

圖12 4種物料分離效率曲線(實(shí)驗(yàn)值)

5 結(jié)論

(1)氣流在分離器軸向上近似呈對(duì)稱分布，且氣流在第一分離區(qū)主要以向上逐漸增大為主，在第二分離區(qū)內(nèi)，由于折向擋板的作用，氣流呈現(xiàn)復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)，并且在軸向上分為兩個(gè)區(qū)域，短路氣流區(qū)域和縱向的渦流區(qū)域。

(2)第一分離區(qū)和第二分離區(qū)對(duì)顆粒均有一定的分散作用。第一分離區(qū)的分散作用是顆粒在垂直方向上沉降末速不同引起的，第二分離區(qū)的分散作用主要是由于渦流的存在引起的。由于顆粒的錯(cuò)配現(xiàn)象，使得顆粒在分離器內(nèi)的分散效果有一定的折扣。

(3)顆粒在第一分離區(qū)主要受空氣曳力和重力的作用運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式為向上的變加速運(yùn)動(dòng)。在離心分離區(qū)，由于氣流的和壁面的共同作用，顆粒主要呈現(xiàn)復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)。

(4)顆粒的“魚鉤效應(yīng)”除了團(tuán)聚以及壁面對(duì)顆粒的作用外，氣流的湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)顆粒的“魚鉤效應(yīng)”的產(chǎn)生也具有一定的作用。離心分離區(qū)上部的分離方式跟下部的分離方式有一定的差異，對(duì)于運(yùn)動(dòng)在離心分離區(qū)上部短路流區(qū)域的顆粒，跟隨性越好，進(jìn)入合格物料的可能性越大；對(duì)于運(yùn)動(dòng)在下部渦流區(qū)域的顆粒，跟隨性一般的顆粒進(jìn)入合格物料的可能性大。

[1] 樊靜麗,李家全,侯運(yùn)炳. 時(shí)空格局下中國(guó)煤炭市場(chǎng)供需特征研究[J]. 中國(guó)煤炭,2017 (2)

[2] 周念鑫,駱振福,何亞群等. 中速磨煤機(jī)內(nèi)原煤研磨過程的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)煤炭,2017 (3)

[3] 戴為, 牛海峰, 馬洪順. 中速磨煤機(jī)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1998

[4] 楊龍濱, 高振森, 呂玉庭. 不同擋板開度下靜態(tài)分離器分離性能數(shù)值模擬[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2009 (4)

[5] Hong Li, Yaqun He, Fengnian Shi, et al.Performance of the static air classifier in a vertical spindle mill[J].Fuel, 2016(9)

[6] 余海銘. 中速磨煤機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D]. 浙江大學(xué), 2014

[7] 劉志勇. 粗粉分離器的數(shù)值模擬研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D]. 華中科技大學(xué), 2006

[8] 田小偉, 劉寶先. EM型磨煤機(jī)分離器性能的數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)粉體技術(shù), 2016 (4)

[9] 閆順林, 楊玉環(huán). 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器流場(chǎng)分布規(guī)律研究[J]. 東北電力技術(shù), 2011 (7)

[10] 秦鵬, 岳峻峰. HP863中速磨煤機(jī)磨制褐煤的試驗(yàn)研究[J]. 熱力發(fā)電, 2010 (3)

[11] 王廣軍, 陳紅. 電廠鍋爐細(xì)粉分離器性能分析數(shù)學(xué)模型[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2001(9)

[12] 閆順林, 王皓軒, 韓韋等. 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器動(dòng)葉結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化研究[J]. 電力科學(xué)與工程, 2016 (10)

[13] 焦世超,姚生龍. 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器特性的數(shù)值研究[J]. 能源工程, 2014 (1)

[14] 楊博文, 鄭小濤, 周瀚浩文等. 旋流分離器液固分離數(shù)值模擬研究[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2017(2)

[15] Rim guizani, Hatem mhiri, Philippe bournot. Effects of the geometry of fine powder outlet on pressure drop and separation performances for dynamic separators[J]. Powder Technology, 2016(11)

[16] Afolabi L, Aroussi A, NM Isa. Numerical modelling of the carrier gas phase in a laboratory-scale coal classifier model [J]. Fuel Processing Technology, 2011 (3)

Numericalsimulationstudyonparticlemovementcharacteristicinstaticpulverizedcoalseparator

Zhang Fengbin， He Yaqun， Li Hong， Xie Weining

(School of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining &Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

In order to study the motor behavior of different particles in static pulverized coal separator, the authors simulated flow field characteristics in separator and motion curve with multi-granularity and density particles by using Renault Stress Model (RSM) and the Discrete Phase Model (DPM) of Fluent numerical simulation software package, analyzed particles' state of motion in first separation zone and centrifugal separation zone by dynamic perspective, and also conducted an experimental verification by using lab static separator. The results showed that the simulation data had great matched-degree with the experimental results. The larger the density of the particles, the smaller the acceleration in the flow field. According to affecting the movement of the particles in the flow field, the density affected the separation efficiency of the particles. The particles were axial movement in first separation zone, but were complex three dimension rotational movement in the centrifugal separation zone. Thus the turbulence field had a certain effect on the generation of particle "fish-hooks".

static separator, numerical simulation, particle density, fish-hook effect

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274196)

張峰彬，何亞群，李紅等. 靜態(tài)煤粉分離器中顆粒運(yùn)動(dòng)特性數(shù)值模擬研究[J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(12)：115-122.

Zhang Fengbin，He Yaqun，Li Hong，et al. Numerical simulation study on particle movement characteristic in static pulverized coal separator [J]. China Coal, 2017, 43(12)：115-122.

TQ534

A

張峰彬(1993-)，男，山西長(zhǎng)治人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榈V物加工工程。

(責(zé)任編輯 王雅琴)