风粉混合器内气固两相流动的模拟及试验研究

张 朝1,2,3，崔豫泓1,2,3，刘 羽1,2,3，王鹏涛1,2,3

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

摘 要:煤粉工业锅炉系统中风粉混合器是实现煤粉与一次风快速均匀混合的关键设备，测量及计算风粉混合器内煤粉、一次风气固两相流流场，对于优化风粉混合器结构，强化风粉混合效率及提高一次风粉的均匀稳定供给具有重要意义。笔者针对竖直结构及倾斜结构的2种风粉混合器，开展了数值计算及现场工程试验研究。基于几何拓扑学知识，采用ICEM软件针对2种风粉混合器划分了合适的三维网格；多相流理论模型中，多相连续介质模型中的双流体模型各相视为相互渗透、耦合但又保持各自运动特征的连续介质，相比于单流体模型，双流体模型考虑了固相的湍流输运以及气固两相间相互滑移引起的阻力，使得计算结果更接近实际情况；冷态双流体模型基本方程由守恒方程、相间耦合方程以及封闭方程构成，其中相间耦合方程用于表征气固相动量之间的耦合；为了探究不同停留时间下风粉混合器内气固两相的流场特征，采用非稳态数值计算方法，利用Fluent软件开展数值计算。基于两相流模型及Schilller-Naumann曵力系数模型研究了不同结构下风粉混合器内煤粉浓度分布随停留时间变化特征，采用德图testo425热敏风速仪测量了不同煤粉落料量下风粉混合器内负压变化规律。结果表明，竖直结构的风粉混合器内停留时间由0.25 s增至1 s时，混合器底部颗粒沉积的现象一直存在，即存在较长时间的颗粒流动死角区域；而对于倾斜结构的风粉混合器，当停留时间大于0.3 s，混合器内颗粒浓度基本降为0，较好避免了颗粒在混合器底部的沉积，该结构对于强化混合器内风粉混合及降低供料波动具有重要意义。不同落料量下的现场工程试验结果表明，高落料量下竖直结构的风粉混合器内平均负压偏小，几乎接近正压，且存在间断正压喷粉的现象，故该风粉混合器在高落料量下负压不足，易造成供料波动较大；高落料量下倾斜风粉混合器负压平均值仍大于-1 000 Pa，且无喷粉现象。相比于竖直结构，倾斜风粉混合器具有稳定且较宽的负压变化范围，能较好地克服供料波动大的现象。

关键词:多相流模型；两相流；风粉混合器；数值计算

中图分类号:TK16

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2020)02-0058-08

收稿日期:2020-01-19;责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.20011903

基金项目：煤炭科学技术研究院科技发展基金项目技术创新项目(2018CX02)

作者简介:张 朝(1972—)，男，河北晋州人，高级工程师，主要从事煤粉高效清洁利用及电厂热工自动化研究。E-mail：1584518230@qq.com。

通讯作者：王鹏涛，助理研究员，从事煤粉洁净燃烧及两相流研究。E-mail：13468852290@163.com

引用格式:张朝，崔豫泓，刘羽，等.风粉混合器内气固两相流动的模拟及试验研究[J].洁净煤技术，2020,26(2):58-65.

ZHANG Chao,CUI Yuhong,LIU Yu,et al.Simulation and experimental study of gas-solid two-phase flow in the air-powder mixer[J].Clean Coal Technology，2020,26(2):58-65.

Simulation and experimental study of gas-solid two-phase flow in the air-powder mixer

ZHANG Chao1,2,3,CUI Yuhong1,2,3,LIU Yu 1,2,3,WANG Pengtao1,2,3

(1.China Coal Research Institute Company of Energy Conservation,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources,Beijing 100013,China;3.National Energy Technology & Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control,Beijing 100013,China)

Abstract:In the pulverized coal industrial boiler system,the mixer is the key equipment to realize the rapid and uniform mixing of pulverized coal and primary air.The measurement and calculation of the flow field of pulverized coal and primary air-solid two-phase flow in the air-powder mixer is of great significance to optimize the structure of the mixer,strengthen the mixing efficiency and improve the uniform and stable supply of pulverized coal.In this paper,numerical calculation and field engineering test were carried out for two kinds of air powder mixers with vertical structure and inclined structure.Based on the knowledge of geometry and topology,ICEM software was used to divide appropriate three-dimensional grids for two kinds of mixers.In the theoretical model of multiphase flow,each phase of the two fluid model in the multiphase continuum model is regarded as a continuum with mutual penetration,coupling but maintaining its own motion characteristics.Compared with the single fluid model,the two fluid model takes into account the turbulent transport of solid phase and the resistance caused by the sliding of gas-solid phases,which makes the calculation result more close to the actual situation.The basic equations of cold two fluid model are composed of conservation equation,inter phase coupling equation and closed equation,in which the inter phase coupling equation is used to represent the coupling between gas and solid momentum.In order to explore the flow field characteristics of gas-solid two phases in the mixer under different residence time,the unsteady model was adopted.In this paper,the numerical calculation and engineering test were carried out for two kinds of mixers.Based on the two-flow model of Fluent software and Schiller Naumann force coefficient model,the time-varying characteristics of the pulverized coal concentration distribution in the mixer with two different structures were studied.The negative pressure variation law in the mixer with different pulverized coal dropping amount was measured by using the testo 425 thermal anemometer.The results show that when the residence time in the vertical structure of the mixer increases from 0.25 s to 1 s,the phenomenon of particle deposition at the bottom of the mixer always exists,that is to say,there is a long dead angle area of particle flow,and for the inclined structure of the air-powder mixer,when the residence time is greater than 0.3 s,the particle concentration in the mixer basically drops to zero,which better avoids particles at the bottom of the mixer.This structure is of great significance to strengthen the mixing of pulverized coal and reduce the fluctuation of feed.The results of engineering tests under different blanking amount show that when the feed quantity is large,the average negative pressure in the vertical structure of the mixer is small,almost close to the positive pressure,and there is a phenomenon of intermittent positive pressure powder spraying,so the negative pressure of the air-powder mixer under high blanking amount is insufficient,which is easy to cause large feed fluctuation.However,the average negative pressure of the inclined mixer is still greater than-1 000 Pa,and there is no phenomenon of powder spraying.Compared with the vertical structure,the inclined mixer has a stable and wide range of negative pressure changes,which can better overcome the phenomenon of large feed fluctuation.

Key words:multiphase-flow model；two-phase flow；air-powder mixer；numerical calculation

0 引  言

气固两相流广泛存在于各类工业生产中，煤粉工业锅炉系统中风粉混合器内一次风与煤粉的混合属于典型的气固两相流动工况[1]。风粉混合器是实现煤粉与一次风快速、均匀混合的关键设备，对不同风粉混合器内两相流动力场的测量及分析对比，对于优化风粉混合器结构，强化风粉混合效率及提高一次风粉的均匀稳定供给具有重要意义[2-3]。

近年来随着数值计算不断发展，锅炉领域煤粉与一次风两相流动的研究多以试验研究和数值计算相结合而展开。杨姣等[3]采用湍流黏性离散相射流模型和SIMPLE算法针对锅炉送粉管道气固两相流流动开展了数值计算，为改进一次风管缩孔提供了有益探索。潘卫国等[4]采用基于拟流体假设的欧拉方法对弯曲圆管及复杂管线内气固两相流动开展了数值计算研究，其中表征气固两相间相互作用的气固曵力系数模型采用的是Syamlal-O′Brien模型，气相湍流模型采用Standard k-ε模型，将计算结果与实测数据进行对比，证实了两相流模型及湍流模型的准确性，以及商用CFD软件Fluent是一种有效研究锅炉系统一次风气固两相流的手段。李红文等[5]采用Fluent中气固两相流离散相模型(DPM)计算了文丘里管内气固两相流场，在结合气相流场分析与固相颗粒受力分析的基础上，提出DPM模型优化的4项措施。张涛等[6]同样采用DPM优化了管道复杂流场气固两相流。宗营营等[7]利用RNG k-ε湍流模型和拉格朗日离散相模型对燃烧器煤风管道内煤粉颗粒-空气两相流场进行耦合数值模拟，研究了固体颗粒运动对管道内冲蚀磨损的影响。孙晨等[8]分析了气固两相流模型在流场分析中的研究进展。但鲜见针对煤粉工业锅炉中储式风粉供料器内气固两相流开展相关研究。

本文以煤粉工业锅炉中储式风粉供料器为研究对象，采用Fluent软件，基于两相流模型对风粉混合器内两相流流场开展非稳态数值计算，分析不同结构风粉混合器内停留时间对颗粒浓度分布特征的影响；并采用德图testo425热敏风速仪测定了2种风粉混合器内负压变化曲线，总结煤粉落料量对风粉混合器内负压变化的影响规律。

1 研究方法

1.1 理论模型

流理论模型包括多相连续介质力学模型、基于统计分子动力学的分子动力学模型和建立在介观层次上的格子-Boltzmann模型，其中多相连续介质力学模型在工程中得到了广泛应用[9]。多相连续介质模型又包括无滑移单流体模型、多(双)流体模型、颗粒动力学模型及分散颗粒群轨迹模型。

无滑移单流体模型将多相合并为一特殊的单相流体，假定颗粒速度、湍流扩散系数与当地气体速度、湍流扩散系数相同，而大多情况下悬浮体中的流体与颗粒之间存在速度差等，造成计算结果与实际差别较大，一般多适用于力度很小的固体沉积计算中[10]。颗粒动力学模型只考虑单个颗粒在已确定流场的连续相流体中的受力和运动，即单相耦合；分散颗粒群轨迹模型中分散相与连续相可以交换动量、质量和能量，即实现双向耦合求解，但二者主要适用于体积分数小于10%的多相流系统。基于欧拉框架建立的多(双)流体模型将各相视为相互渗透、耦合但又保持各自运动特征的连续介质。相比于单流体模型，双流体模型考虑了固相的湍流输运以及气固两相间相互滑移引起的阻力，使得计算结果与实际情况更加接近。基于风粉混合器内固相体积占比及Fluent软件自身特点，本文计算选用多相连续介质模型中的Eulerian双流体模型[11-12]。

1.2 基本方程

冷态双流体模型基本方程由守恒方程和封闭方程构成。冷态双流体模型的守恒方程是由质量守恒方程(连续性方程)和动量守恒方程组成。

1)连续性方程

以g代表气相，s代表固相，则对于气相连续性方程[13]可表示为

(1)

式中，αg为气相体积分数，无量纲数；ρg为气相物理密度，kg/m3；vg,j为气相速度，m/s。

将式(1)代表气相的参数表示为固相即可得固相连续性方程,即

(2)

式中，αs为固相体积分数，无量纲数；ρs为固相物理密度，为固相速度，m/s。

2)动量守恒方程

-αg

(3)

式中，P为气相压力差，Pa；τg,ij为气相压力应力，kg/(m·s2)；Ig,i为气固曳力(气相)，为体积力(气相)，为升力，为虚拟质量力，(m/s)2。

式(3)右侧每项分别代表气相静压力、压力应变张量、气固曳力、体积力、升力和虚拟质量力。本计算忽略升力和虚拟质量力，则式(3)简化为

P+

(4)

将式(4)代表气相的参数表示为固相，即可得固相动量守恒方程：

-αs

(5)

式中，τs,ij为固相压力应力，kg/(m·s2)；Is,i为气固曳力(固相)，为体积力(固相)，kg/(m·s2)。

3)相间耦合

对于两相流计算，相间耦合是关键部分，对计算结果的准确性至关重要。本计算针对冷态气固两相流模拟，因此仅考虑动量间耦合，即气固曳力。

(6)

式中，β为曳力系数，无量纲数；为颗粒相速度，m/s；vg,i为气相速度(i方向)。

本文采用Schilller-Naumann模型表征气固相动量之间的耦合，该模型中的曳力系数表达式[14]为

(7)

(8)

(9)

其中，CD为曳力系数，无量纲数；Re为雷诺数，无量纲数；为固相合速度，为气相相合速度，m/s。气相湍流模型采用Standard k-ε模型，并采用相间湍动能交换项进行修正。

4)Eulerian双流体模型封闭方程

αg+αs=1

(10)

(11)

(12)

1.3 计算方法及初始化

本文选用瞬态计算方法，对于煤粉-空气两相流动，采用相间耦合的SIMPLE算法[15-16]。对于气相与固相，二者质量流量、速度和体积分数分别通过各自压力进行校正。

初始化是求解前重要的一步，对于计算结果的准确性以及收敛性具有重要影响。对于本计算，初始化包括2部分，第1部分为全流场的初始化，选取所有区域使边界上设定的值计算出初始值完成对全部流场的平均初始化；由于本计算中初始状态下风粉混合器的上一部分为固相，因此还需对该区域的固相容积份额进行初始化，故第2部分为固相区域的初始化，定义初始固相区域为距离风粉混合器顶部50 mm的空间，且设定固相容积份额为0.9，最后完成固相区域的初始化。

1.4 几何结构及网格划分

本文计算2种风粉混合器结构如图1所示。2种结构的长、宽、垂直高度以及出粉管直径一致，且文丘里结构出口直径均为40 mm，文丘里伸入长度均为75 mm，区别在于竖直结构的出粉管及文丘里中心高度为160 mm，而倾斜结构的出粉管及文丘里中心高度为120 mm，倾斜角度为60°。

图1 风粉混合器结构尺寸
Fig.1 Structural dimension of air-powder mixer

采用ICEM软件，基于几何拓扑学知识，将2种风粉混合器划分出了合适的块，并对不同块上的边划分了适宜的节点，最终生成三维网格，网格示意如图2所示。

图2 风粉混合器网格结构
Fig.2 Grid structure of air-powder mixer

改变拓扑结构边上的节点数可以生成不同数量的网格，为了排除网格数量对风粉混合器模拟结果的影响，还进行了网格独立性检验。本文划分的网格数量为50万、80万、100万。采用单相冷态模拟检验的方式，选取风粉混合器竖直段中心线上6个点，分析6点速度与网格数量的关系如图3所示。结果表明50万的网格与后两者存在异一定差异，而80万的网格可以实现与100万网格相同的计算结果。因此，本文选用的网格数量为80万。

图3 不同网格数量下竖直风粉混合器
中心轴线处速度分布
Fig.3 Velocity distributions at the central axis of vertical air
powder mixer with different number of grids

1.5 物性参数及边界条件

工业锅炉风粉混合器内典型工况1.1 kg煤粉/kg空气给定，煤粉密度设为2 500 kg/m3，黏度10 kg/(m·s)；空气密度1.293 kg/m3，动力黏度等保持默认设置。

风粉混合器文丘里入口采用速度入口条件，风粉混合器出粉管出口采用压力出口，具体设置见表1。风粉混合器顶部煤粉落料口附近对煤粉初始化边界条件为局部煤粉容积份额0.95；壁面处空气采用壁面函数法和无滑移边界条件。

表1 边界条件设置

Table 1 Setting of boundary conditions

参数类型及数值文丘里一次风入口速度入口256 m/s湍动能10%湍动能耗散率5%出粉管出口压力出口600 Pa壁面条件标准壁面函数剪切条件无滑移

2 风粉混合器内气固两相流动数值模拟

2.1 竖直混合器内颗粒浓度分布特性

本文采用瞬态计算方法，颗粒在竖直风粉混合器内停留时间从0增加至1 s时纵向截面流场颗粒体积分数分布云图如图4所示。

图4 不同时刻竖直风粉混合器内颗粒浓度分布云图
Fig.4 Cloud chart of particle concentration distribution in the vertical air-powder mixer at different times

由图4可知，随着煤粉颗粒在风粉混合器内停留时间由0增加至0.25 s时，风粉混合器上半部分颗粒质量浓度分数逐渐减小并接近0，同时下半部分及文丘里管底部颗粒质量浓度分数逐渐增加，且当停留时间由0.25 s增加至1 s时，底部颗粒沉积现象一直存在。这说明该风粉混合器结构容易造成煤粉颗粒在底部积累，存在较大的颗粒流动死角，可能是造成风粉混合器内风粉混合不均及供料波动的重要因素之一。

造成竖直风粉混合器底部颗粒沉积严重的主要原因包括：① 出粉管距离底部偏高，易造成颗粒堆积；② 颗粒由风粉混合器顶部垂直落入风粉混合器内，需在其内部实现由垂直方向的运动迅速转变为水平方向的运动，且没有外界导流部件，仅有水平方向的高速一次风，故在风粉混合器内颗粒运动容易受到不稳定因素的干扰，而造成颗粒运动轨迹混乱及流动死区的现象。

2.2 改进的风粉混合器内颗粒浓度分布特性

同样采用瞬态计算方法得到颗粒在倾斜风粉混合器内停留时间从0增加至1 s时纵向截面流场颗粒质量浓度分布云图，具体如图5所示。

由图5可知，随着煤粉颗粒在风粉混合器内停留时间由0增至0.3 s时，风粉混合器上半部分颗粒质量浓度逐渐减小并接近0，而此时下半部分及文丘里管底部颗粒质量浓度分数逐渐增加，当停留时间由0.1 s增加至0.3 s时，底部颗粒浓度基本维持不变，而当停留时间大于0.3 s时，风粉混合器内颗粒浓度基本降至0。倾斜的风粉混合器结构可以避免煤粉颗粒在底部积累，消除了颗粒流动死角，对于强化风粉混合器内风粉混合及减小供料波动具有重要意义。

相比于竖直结构，倾斜结构降低了风粉气流流出管高度，且增强了风粉混合器边壁对颗粒的导流作用，同样的颗粒垂直落料速度，后者由于倾斜边壁的存在，为颗粒增加了水平方向的速度分量，更有助于颗粒在相同高度下，实现速度快速转变。

3 风粉混合器内负压变化特性试验

3.1 试验系统与试验方法

基于煤科院20 t/h煤粉工业锅炉供料及一次风系统，开展现场工程试验。试验系统示意如图6所示。本试验系统由罗茨鼓风机(一次风机)、一次风粉管道、煤粉塔(包括煤粉大储仓、中间储仓)、煤粉供料器、风粉混合器、燃烧器及其余锅炉系统组成。

图5 不同时刻倾斜风粉混合器内颗粒浓度分布云图
Fig.5 Cloud chart of particle concentration distribution in declining air-powder mixer
at different times

图6 试验系统示意
Fig.6 Schematic diagram of test system

试验首先启动罗茨风机，吹扫风粉管道，同时测量不供料时风粉混合器内负压值；然后正常启炉，6 Hz启动供料器，并按规定方法调节锅炉相关设备，待锅炉各项参数正常且炉膛负压、排烟氧含量稳定后，测量6 Hz供料量下风粉混合器内负压变化，测量时间约1 min，记录测量时间段内负压变化上下值及平均值。此后按每增加3 Hz供料量为一个工况，采用上述相同方法测量负压变化。

采用德图testo425热敏风速仪，测量2种不同结构的风粉混合器在不同落料量下的负压，测量点位于风粉混合器顶部向下约50 mm的中心处。对比分析风粉混合器内气固两相流流场的稳定性，间接判断其供料的稳定性。

3.2 试验结果分析

竖直风粉混合器及倾斜风粉混合器内负压上下限随供料量的变化见表2。由表2可知，2种结构的风粉混合器内负压均随供料量的增大而逐渐降低，这主要是因为随供料量的增大，风粉混合器内煤粉物料占据空间增大，即可用于形成负压的气相空间减小，而文丘里结构保持不变，故由文丘里高速引射造成的负压值减小，造成风粉混合器内负压逐渐减小。但是对于倾斜结构的风粉混合器，相同的供料量下负压均大于竖直结构风粉混合器，特别是高供料频率下(供料大于18 Hz)，倾斜结构负压变化下限比竖直结构负压上限高，且倾斜结构负压上限比竖直结构上限高约1 000 Pa。因此，倾斜结构风粉混合器具有较宽的供料适用范围，且能保证煤粉物料的快速均匀混合。

表2 风粉混合器内负压随供料量变化

Table 2 Change of negative pressure in air-powder
mixer with feed quantity

序号供料器频率/Hz竖直结构负压变化下值/Pa负压变化上值/Pa倾斜结构负压变化下值/Pa负压变化上值/Pa16-5 500-6 400-6 300-7 40029-3 800-5 500-5 150-6 640312-2 700-3 500-4 100-5 090415-1 600-2 800-2 600-4 050518-1 000-1 640-2 800-3 600621-236-1 047-1 300-2 200

竖直风粉混合器及倾斜风粉混合器内不同供料量下负压平均值变化如图7所示。由图7可知，试验范围内倾斜风粉混合器负压平均值均大于竖直结构。竖直风粉混合器在高落料量下，平均负压偏小，几乎接近正压，且在测试过程中发现存在间断正压喷粉的现象，故该风粉混合器在高落料量下负压不足，是造成风粉混合不理想，供料波动较大主要原因。而高落料量下倾斜风粉混合器负压平均值仍大于-1 000 Pa，且测试期间并无喷粉现象。综上，针对该供料系统，倾斜风粉混合器具有稳定且较宽的负压变化范围，相比于竖直结构，能较好克服供料波动大的现象。

图7 不同落料量下竖直风粉混合器内负压平均值
Fig.7 Average negative pressure in the vertical air-powder
mixer under different blanking amount

2种风粉混合器结构在21 Hz供料量下数值计算及试验测点处负压值对比如图8所示。由图8可知，该供料量下数值计算结果与试验值非常接近，负压相差小于30 Pa，误差小于5%，验证了数值计算模型及计算方法的准确性。

图8 21 Hz供料量下数值计算及试验测点处负压值
Fig.8 Numerical calculation and test negative pressure
value under 21 Hz feed quantity

4 结  论

1)针对竖直及倾斜2种不同结构的风粉混合器，通过Fluent数值计算及工程试验，探究了风粉混合器内不同停留时间下颗粒浓度分布特征及不同落料量下风粉混合器内负压变化规律。停留时间由0.25 s增加至1 s时，倾斜风粉混合器底部煤粉颗粒堆积，存在明显的颗粒流动死角，是造成风粉混合不均及供料波动的重要原因之一。

2)停留时间大于0.3 s时，倾斜风粉混合器内颗粒浓度基本降至0，较好地避免了煤粉颗粒在底部积累，消除了颗粒流动死角，对于强化风粉及减小供料波动具有积极作用。

3)工程试验表明，高落料量下竖直结构的风粉混合器内负压偏低，且存在间断的喷粉现象，而倾斜结构的风粉混合器仍能保持较高的负压，对于克服供料波动具有较好的效果。

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