劉愛國，王曼曼，王微偉

（1.沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.江蘇瑞米克金屬技術有限公司，江蘇 常州 213172）

磨煤機風環(huán)的作用是使一次熱風分布均勻、提高其速度并形成旋轉上升的高速氣流，風環(huán)出口風速的大小、方向和分布的均勻性對磨煤機出粉質量和安全生產至關重要。首先，風環(huán)出口必須保證一定的風速。根據經驗，HP1163磨煤機風環(huán)風速任何情況下均不得低于40 m/s，否則石子煤量將異常增加[1]。其次，風環(huán)出口風速必須有合適的水平分量和垂直分量，以形成旋轉上升的氣流。最后，風環(huán)出口風速分布應盡量均勻。局部區(qū)域風速過高，大顆粒煤粉將輸送到分離器，導致分離器堵塞可能性增大[2]，且大顆粒煤粉如果通過分離器進入爐膛，還會導致燃燒不完全，降低發(fā)電效率，增大空氣污染[3]，而局部風速過低則可能導致細煤粉在低風速區(qū)堆積，容易引發(fā)火災甚至爆炸[2]。如在磨煤機內部進行風速測量，則費時費力、成本高昂[4]，數值模擬成為分析磨煤機內部流場及對結構進行優(yōu)化的有效工具[5-14]。閆順林等[5]采用數值模擬方法比較了RP型中速磨煤機和裝配有旋轉風環(huán)的HP型磨煤機內部的流場，發(fā)現(xiàn)RP型中速磨煤機各風環(huán)出口風量不均勻，是導致石子煤排量過大的主要影響因素，旋轉風環(huán)使各出口風速趨于均勻，并對一次風有加強作用，使HP型磨煤機石子煤排量顯著降低；杜躍斐[6]采用數值模擬方法研究了風環(huán)導向板角度變化對磨煤機內部流場的影響；朱憲然等[7]采用數值模擬方法分析了HP中速磨煤機內部一次風流場，發(fā)現(xiàn)一次風室內存在2個漩渦區(qū)，相應位置的風環(huán)出口存在2個低流量區(qū)，該區(qū)域石子煤排出量更多。

HP1163磨煤機存在原始風環(huán)出風口風速較低、石子煤量較大、磨煤機內部流場不均勻、小直徑煤粉顆?；芈涞侥ケP上重復碾磨等問題，本文針對上述問題對HP1163磨煤機內部流場進行模擬，重點分析風環(huán)附近的流場與風環(huán)結構的關系，并以此為基礎對風環(huán)結構進行改進。

1 磨煤機模型

1.1 幾何模型

HP1163磨煤機的幾何模型如圖1所示，取磨盤中心點為坐標系原點，主要幾何尺寸見表1?？紤]到計算時間和計算資源的局限性，對不影響流場總體狀態(tài)的局部幾何細節(jié)進行簡化。

圖1 磨煤機的幾何模型Fig.1 Geometric model of the pulverizer

表1 磨煤機內部流場模擬幾何模型主要尺寸 單位：mTab.1 Dimensions of geometric model for simulation of the pulverizer flow field

圖2為磨煤機的風環(huán)結構，原始風環(huán)結構如圖2a)所示。為提高風環(huán)出口風速，通常會在風環(huán)上方安裝節(jié)流環(huán)[7]，帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)結構如圖2b)所示，根據數值模擬結果提出的改進風環(huán)結構如圖2c)所示。該風環(huán)結構將節(jié)流環(huán)在圓周方向上對氣流的遮擋，改為在半徑方向上的遮擋，可增加氣流的水平旋轉速度、提高風環(huán)出風口風速并改善磨煤機內部流場均勻性。改進后的風環(huán)出風口面積和采用節(jié)流環(huán)的風環(huán)出風口面積相等。

圖2 磨煤機的風環(huán)結構Fig.2 Structure of the throat in pulverizer

1.2 流體模型

HP1163中速磨煤機一次風保證出力通風量為41.97 kg/s，最大通風量為43.72 kg/s，一次風溫度為325 ℃，入口干燥介質溫度為245 ℃[15]。一次風入口若采用質量邊界條件，收斂性不好，將質量邊界條件轉換為速度邊界條件。出口為空氣域柱體上表面，取常壓邊界條件，限制回流。其他所有壁面為非滑動壁面。分離器轉子位置切割出一個錐臺區(qū)域，作為動態(tài)旋轉域。錐臺區(qū)域尺寸稍大于分離器轉子，底面半徑為1 400 mm，頂面半徑為1 900 mm，高為1 349 mm。磨盤及風環(huán)位置切割出一個圓柱區(qū)域，作為動態(tài)旋轉域。圓柱底面半徑為1 950 mm，高為600 mm。分離器與磨盤轉速分別為60、30 r/min，旋轉方向為俯視順時針方向。

由計算可知，245 ℃時中速磨煤機的通風量為41.97 kg/s，對應的入口速度為38.58 m/s。經計算，雷諾數為26.23×105，磨煤機內空氣的流動為湍流流動，選用Realizablek-ε湍流模型。由于要考慮溫度變化對風速的影響，將流體設定為可壓縮流體?？刂品匠虨椋?/p>

式中：k為湍流動能；ε為湍流耗散率；ρ為空氣密度；u為空氣速度矢量；p為空氣壓力；I為單位矩陣；K為黏性應力張量；F為體積力；μ為動力黏度；μT為湍流黏度；σk和σε分別是k和ε的湍流普朗特數；C1和Cε2是常數。

1.3 傳熱分析

磨煤機內部的傳熱過程非常復雜，模擬難度很大，考慮到主要關注的不是空氣的溫度變化，而是空氣溫度變化對流場可能產生的影響，故對傳熱問題做如下簡化：

入口干燥介質溫度為245 ℃，出口風溫為76 ℃，將各種吸熱、散熱條件全部忽略，統(tǒng)一簡化成一個體熱源，該體熱源可將熱風溫度從入口的245 ℃降到出口的76 ℃?？紤]到一次風室只有器壁散熱，對熱風降溫貢獻較小，一次風與煤粉的激烈換熱過程集中在風煤混合接觸后的一小塊區(qū)域內，熱風溫度下降100 ℃的激烈換熱距離僅為60 mm[10]，故體熱源從磨盤上方開始施加。

設體熱源Q為：

式中：Q為體熱源發(fā)熱量；T為溫度；k為待定系數，經過循環(huán)嘗試，確定k=10 000。

傳熱控制方程為：

式中：Cp為空氣熱容；T為溫度；q為熱流密度。所有界面均設定為絕熱界面。

1.4 煤粉顆粒運動模型

忽略煤粉顆粒對空氣的反作用，煤粉顆粒的運動方程為：

式中：mp為煤粉顆粒質量；v為顆粒速度；t為時間；Ft為煤粉顆粒受到的拖曳力，見式(9)。

式中：u是顆粒所在位置的流體速度；τp是煤粉顆粒的速度響應時間，見式(10)。

式中：ρp是煤粉顆粒的密度；dp是煤粉顆粒的直徑。

考慮到計算量的緣故，每次從磨盤邊緣處釋放100個煤粉顆粒，計算煤粉顆粒的運動軌跡，煤粉顆粒密度取1 800 kg/m3[2]。分別在一次風室底部、磨盤表面、磨煤機內部2 800 mm高平面上對煤粉顆粒進行捕捉統(tǒng)計。

1.5 網格無關性分析

為分析網格劃分對模擬結果的影響，對原始風環(huán)的模型采用3組不同數量的網格進行流場計算。在風環(huán)上方圓周處取一個圓進行空氣流場速度測量，圓的半徑為1 730 mm，縱坐標為240 mm。對圓周上空氣流場的平均速度、最大速度、最小速度進行比較，結果見表2。由表2可知，隨著網格數量的增加，平均速度及最大速度增大，最小速度減小，但變化幅度均不大，平均速度偏差為4.5%，最大速度偏差為6.0%，最小速度偏差為-6.4%。

表2網格數量對風環(huán)上方圓周速度的影響Tab.2 Influence of mesh number on circular velocity above the throat

2 結果與討論

圖3為3種磨煤機風環(huán)結構磨盤邊緣外50 mm處圓周上的速度分布，此處為風環(huán)出口上方。由圖3可見：采用節(jié)流環(huán)的風環(huán)，在圓周方向上縮小了風環(huán)出口通風面積，有效提高了風速，主要提高的是豎直方向速度分量（圖3b)）；改進后的風環(huán)，在徑向方向上縮小了風環(huán)出口通風面積，也使風速得到了提高（圖3a)），主要提高了水平速度分量（圖3c)）。豎直方向速度分量提高，有利于攜帶煤粉顆粒向上運動；水平方向速度分量提高，有利于增強旋轉，使煤粉顆粒貼近磨煤機外壁運動。

圖3 磨盤邊緣外50 mm處圓周上的速度分布Fig.3 Velocity distribution on the circle 50 mm away from edge of the table

從圖3還可看出，風環(huán)出口速度的分布是不均勻的。已有多位研究工作者通過數值模擬方法發(fā)現(xiàn)了這種速度的不均勻性[5,7,12]，并提出了一次風改為兩側或者多側切向吹入、在一次風室加裝擋板及堵住部分出風口等一些改善方法[12]，但速度的不均勻性不僅僅存在于風環(huán)出風口附近。

圖4為磨盤表面到分離器下方中截面上的豎直方向速度分量等值線。由圖4可見：在磨煤機艙壁附近，氣流方向向上，位于這一區(qū)域的煤粉顆粒將在氣流的帶動下向上運動；而在磨煤機中心部位，氣流方向向下，形成了和煤粉顆粒輸送方向相反的環(huán)形流動，這一現(xiàn)象已在其他學者的模擬工作中被發(fā)現(xiàn)[2]；通過對比發(fā)現(xiàn)，帶有節(jié)流環(huán)的風環(huán)形成的流場中，反向的環(huán)形流動區(qū)域更大，流速更高；而改進后的風環(huán)形成的流場中，反向的環(huán)形流動區(qū)域更小，流速也較低。

圖4 磨盤表面到分離器下方中截面上的豎直方向速度分量等值線Fig.4 Verticle velocity component contour on middle section from the table to the separator

圖5為高度2 800 mm位置的速度等值線。由圖5可見：原始風環(huán)形成的流場，速度分布不均勻，低速區(qū)面積較大，而且擴展到整個橫截面上（圖5a)）；采用帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)，使氣流速度有所提高，但并未改善流場速度分布均勻性，低速區(qū)范圍稍有收縮，但仍存在于整個橫截面上（圖5b)）；采用改進后的風環(huán)，不僅提高了流場速度，而且流場速度分布更加均勻，速度等值線呈環(huán)形分布，低速區(qū)被局限于磨煤機中心區(qū)域，且低速區(qū)面積較?。▓D5c)）。當磨煤機內部流場速度分布不均勻、存在較大低速區(qū)時，較細的煤粉顆粒也可能由于氣流攜帶能力不足而落回到磨盤，重新參與碾磨。這不僅會降低磨煤機出力，而且會惡化碾磨條件，增加單位煤粉電耗，甚至引發(fā)火災和爆炸[2]。

圖5 高度2 800 mm位置的速度等值線Fig.5 Velocity contour at 2 800 mm height

圖6為直徑10 μm煤粉顆粒在磨煤機中的運動軌跡。由圖6可見：采用原始風環(huán)和帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)的磨煤機中，落入磨盤的煤粉顆粒較多，輸送到高處的煤粉顆粒在整個空間中都有分布；采用改進后風環(huán)的磨煤機中，落入磨盤的煤粉顆粒較少，輸送到高處的煤粉顆粒主要分布在磨煤機艙壁附近。

圖6 直徑10 μm煤粉顆粒在磨煤機中的運動軌跡Fig.6 Trajectories of 10 μm coal particles in the pulverizer

圖7為在磨煤機不同位置捕獲到的煤粉顆粒的比例和煤粉顆粒直徑的關系。如圖7a)所示，原始風環(huán)出風口速度低，不足以將大顆粒煤粉吹起，直徑大于600 μm的煤粉顆粒開始落入一次風室，成為石子煤，其比例隨煤粉顆粒直徑增加而迅速增大，當煤粉顆粒直徑大于1 000 μm后，幾乎全部落入一次風室。而帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)和改進后的風環(huán)出口風速高（圖3），大直徑煤粉顆粒落入一次風室的比例明顯降低。改進后的風環(huán)控制大直徑煤粉顆粒落入一次風室的效果比帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)更好。風環(huán)改進后，回落到磨盤上的和輸送到磨煤機上部的大直徑煤粉顆粒比例都更高（圖7b)、圖7c)）。

當煤粉顆粒直徑在100～600 μm時，在采用改進后風環(huán)的磨煤機中，回落到磨盤的比例最低（圖7b)），這是由于采用改進后風環(huán)的磨煤機流場的攜帶能力更強，將更多的煤粉顆粒輸送到了磨煤機上部（圖7d)）。這部分被輸送到磨煤機上部的大直徑煤粉顆粒將在分離器的作用下被分離出來，回落到磨盤上重新研磨。

圖7 磨煤機不同位置捕獲到的煤粉顆粒的比例與煤粉顆粒直徑的關系Fig.7 Relationship between ratio of coal particles captured at different sites of the mill and the coal particle dimeters

由圖7b)還可看到，直徑在幾十μm到100 μm范圍內的煤粉顆粒，幾乎不會回落到磨盤上，而是都被輸送到磨煤機上部（圖7d)）。但是，更小直徑的煤粉顆粒回落到磨盤上的比例卻增加了，特別是采用原始風環(huán)的磨煤機中，這一現(xiàn)象更為嚴重（圖7b)）。將圖7b)中煤粉顆粒直徑100 μm以下部分放大，如圖7c)所示，可以清楚地看到，采用原始風環(huán)，小直徑煤粉顆粒有一部分會回落到磨盤上，被重新研磨，并隨著煤粉顆粒直徑的減小，回落的比例增大。原始風環(huán)形成的流場水平方向速度分量小，旋轉作用弱，小直徑煤粉顆粒慣性小，不易在離心力的作用下進入磨煤機艙壁附近的上升氣流中，而是容易進入磨煤機中部低速區(qū)（圖6a)），在反向氣流的帶動和自身重力作用下，沉降到磨盤上，并且這種傾向會隨著煤粉顆粒直徑的減小而增大。帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)形成的低速區(qū)雖然有所減小，但速度分布均勻性并未改善，因此仍存在小直徑煤粉顆粒沉降問題。改進后的風環(huán)形成的流場水平速度增大，氣流旋轉作用增強，低速區(qū)范圍減小，同樣尺寸的煤粉顆粒其旋轉運動比在原始風環(huán)和帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)形成的流場中更強，更易在離心力的作用下進入磨煤機艙壁附近的上升氣流中，被輸送到高處（圖6c)）。

3 結 論

1）在磨煤機中部會形成方向向下的氣流，導致小直徑煤粉顆粒發(fā)生沉降。帶有節(jié)流環(huán)的風環(huán)形成的流場中，反向的環(huán)形流動區(qū)域更大，流速更高；改進后的風環(huán)形成的流場中，下沉氣流區(qū)域更小，下沉速度更低。

2）采用節(jié)流環(huán)的風環(huán)，主要提高的是流場豎直方向的速度分量；改進后的風環(huán)提高了流場水平速度分量，可以在磨煤機內獲得更高的旋轉速度，使煤粉顆粒貼近磨煤機外壁運動，從而使煤粉顆粒更容易進入上升氣流區(qū)。

3）采用節(jié)流環(huán)的風環(huán)，使氣流速度有所提高，但并未改善流場速度分布均勻性；改進后的風環(huán)大幅度減小了低速區(qū)范圍，而且使速度分布更加均勻，在防止小直徑煤粉顆粒沉降方面的作用更強，可以有效降低單位煤粉電耗，防止發(fā)生火災和爆炸。

4）改進后的風環(huán)減少石子煤的效果比帶節(jié)流環(huán)的風環(huán)更好。