系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)立磨選粉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)及顆粒分級(jí)篩選性能影響分析與研究*

張偉麗 馬國(guó)興 劉運(yùn)華

(1 合肥中亞建材裝備有限責(zé)任公司 合肥 230051)(2 南方水泥有限公司 上海 200120)

HRM 立式輥磨機(jī)具有水泥生產(chǎn)、礦物碾碎、垃圾粉碎回收等性能。具有粉磨效率高、烘干能力強(qiáng)、入磨物料粒度大、粉磨可控性好、工藝簡(jiǎn)單、污染小等優(yōu)點(diǎn)。立磨進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程中，立磨本身的系統(tǒng)參數(shù)會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能耗產(chǎn)生很大的影響，近幾年在陶瓷行業(yè)也有使用。

西南科技大學(xué)童聰?shù)萚1]針對(duì)MLS3626進(jìn)行數(shù)值模擬得出物料在重力分級(jí)下較為理想的系統(tǒng)風(fēng)量，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化提出參考意見(jiàn)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)譚心等[2]以立式磨入風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)量為研究對(duì)象，分析了立式磨內(nèi)腔的氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并分析了氣流速度和壓力與磨粉體運(yùn)輸和分離的關(guān)系。河北工業(yè)大學(xué)侯曉洪等[3]忽略選粉機(jī)結(jié)構(gòu)，選用MRF 多重參考坐標(biāo)系處理動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，選用拉格朗日模型作為多相流模型，分析得出選粉區(qū)域出現(xiàn)渦流的原因，并對(duì)風(fēng)環(huán)調(diào)風(fēng)板角度進(jìn)行優(yōu)化，提高立磨氣流輸送效率。Kozo?ub P等[4]采用歐拉-拉格朗日方法以及氣固兩相雙向耦合研究了旋風(fēng)分離器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。Eswaraiah C 等[5]獲得了循環(huán)空氣分級(jí)器中，在兩種不同流動(dòng)條件下輕質(zhì)片狀物質(zhì)(稻殼)和致密物質(zhì)(粉煤灰)的分級(jí)數(shù)據(jù)得到分級(jí)效率變化曲線。

對(duì)比上述文獻(xiàn)所做的研究，因?yàn)殡x散相顆粒會(huì)對(duì)氣相流體的分布產(chǎn)生影響，單向耦合是不適應(yīng)的。筆者采用DPM 離散相模型中的雙向耦合計(jì)算方法，以HRM22.2X 立式磨整機(jī)為研究對(duì)象，建立三維模型，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε作為湍流模型，針對(duì)腔體內(nèi)部氣固顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡采用DPM 模型的顆粒運(yùn)動(dòng)方程對(duì)時(shí)間積分進(jìn)行求解，為解決選粉機(jī)在垂直方向的穩(wěn)態(tài)難點(diǎn)采用MRF多重參考坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)多組理論參數(shù)的設(shè)定，將模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，得出最佳的立磨系統(tǒng)風(fēng)量，為設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供理論參數(shù)。

1 工作原理及顆粒分級(jí)原理

立式輥磨機(jī)基本的工作原理是：電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器使連接的減速器帶動(dòng)磨盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，磨輥通過(guò)滾動(dòng)對(duì)磨上的物料進(jìn)行碾磨，產(chǎn)生的細(xì)料被來(lái)自入風(fēng)口的氣流帶入分級(jí)區(qū)，通過(guò)分級(jí)結(jié)構(gòu)的篩選，粗顆粒會(huì)重新落入磨盤(pán)繼續(xù)碾磨，符合要求的細(xì)顆粒會(huì)被分級(jí)機(jī)構(gòu)送入收塵設(shè)備，繼而實(shí)現(xiàn)整個(gè)作業(yè)流程。HRM22.2X 立式輥磨機(jī)的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 HRM22.2X 立式磨

進(jìn)入選粉機(jī)物料顆粒粒徑為Dp，顆粒密度及空氣密度分別為ρp和ρ，顆粒角速度為ω，空氣徑向流動(dòng)速度為μr，顆?；剞D(zhuǎn)半徑為r，那么物料所受離心力Fc和介質(zhì)阻力Fd分別為：

當(dāng)離心力大于介質(zhì)阻力，顆粒沿著半徑方向運(yùn)動(dòng)，與靜葉片碰撞造成能量損失，同時(shí)在重力作用下，沿灰斗重新進(jìn)入磨盤(pán)，當(dāng)介質(zhì)阻力大于離心力，顆粒會(huì)向回轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)，符合粒徑要求的細(xì)顆粒被分離，實(shí)現(xiàn)分級(jí)[6]。

2 計(jì)算模型

2.1 湍流模型

該模型的氣體雷諾數(shù)Re=9.2×105，為高雷諾湍流流動(dòng)，磨腔內(nèi)部為發(fā)展非常充分的湍流流動(dòng)，通過(guò)引入湍動(dòng)能耗散率因此選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。其主要的湍動(dòng)能k方程和流體湍能耗散率ε如下所示：

式中：Gk——由于速度梯度均值產(chǎn)生的湍動(dòng)能k的增加項(xiàng)；

Gb——由于浮力導(dǎo)致的湍動(dòng)能k的項(xiàng)；

YM——可壓湍流脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；

σk和σε——分別是與k和ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；

Sk和Sε——用戶定義源項(xiàng)。

式(5)中對(duì)于不可壓流體，不考慮用戶定義源項(xiàng)，Gb=0，YM=0，Sk=0，Sε=0時(shí)模型參數(shù)取值如下：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3[7]。

2.2 離散相模型

由于立式磨氣體雷諾數(shù)Re值相對(duì)湍流臨界值較大，磨腔內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)形式主要是湍流，湍流強(qiáng)度約為0.03[8]，腔體內(nèi)部顆粒離散相的體積分?jǐn)?shù)C 遠(yuǎn)小于10%，故采用離散相DPM 模型作為求解模型。對(duì)于顆粒在立磨腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可采用拉格朗日方程進(jìn)行求解，其具體的公式如下所示：

式中：μ——連續(xù)相速度，m/s；

μp——顆粒速度，m/s；

μ——流體的分子粘性系數(shù)；

ρ——流體密度，kg/s；

ρp——顆粒密度，kg/s；

DP——顆粒直徑，m；

Re——相對(duì)雷諾數(shù)；

Fx——其它相間單位質(zhì)量作用力；對(duì)于球形顆粒曳力系數(shù)CD中為a1，a2，a3常數(shù)[9]。

2.3 離散相與連續(xù)相耦合

立磨內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)，兩相之間相互影響，包含熱量、質(zhì)量、動(dòng)量的相互交換，由于在質(zhì)量交換與熱量交換在基體內(nèi)部的影響可以省略，故對(duì)于雙向耦合作用今需要考慮動(dòng)量交換的影響。故離散相與連續(xù)相耦合在這樣的條件下的方程如下：

式中：mp——顆粒質(zhì)量流率，kg/s；

Δt——時(shí)間步長(zhǎng)，s。

2.4 多參考坐標(biāo)系模型

通過(guò)MRF模型模擬選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，將選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程近似為定常運(yùn)動(dòng)。MRF 模型就是在分界面利用從移動(dòng)參考系到絕對(duì)慣性系的轉(zhuǎn)換對(duì)速度和速度梯度進(jìn)行計(jì)算，其轉(zhuǎn)換計(jì)算公式如下：

3 數(shù)值模擬

3.1 模型網(wǎng)格

根據(jù)三維軟件對(duì)HRM22.2X 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并根據(jù)實(shí)際的流體流動(dòng)情況進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，立式磨網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 HRM22.2X 網(wǎng)格模型

3.2 邊界條件

HRM22.2X 立式磨流場(chǎng)邊界條件如表1所示。

表1 HRM22.2X 立式磨流場(chǎng)邊界條件

DPM 離散相顆粒分布采用Rosin-Rammler分布，最小粒徑為1×10-6m，最大粒徑：當(dāng)Yd=0.368時(shí)，計(jì)算得平均粒徑為63×10-6m，分布系數(shù)n=1.76，number of diameters設(shè)置為10，DPM 離散相顆粒質(zhì)量流量為3.3 kg/s。

4 系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)立磨流場(chǎng)和分級(jí)篩選性能的影響分析

系統(tǒng)風(fēng)量是立磨生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)風(fēng)量能夠提升作業(yè)產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，所以研究系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)立磨流場(chǎng)的作用具有十分重要意義。在結(jié)合網(wǎng)格劃分的模擬基礎(chǔ)上，為了優(yōu)化立磨流場(chǎng)，提高分級(jí)篩選性能，將從系統(tǒng)風(fēng)量這一系統(tǒng)參數(shù)對(duì)立磨流場(chǎng)和分級(jí)篩選性能影響進(jìn)行分析。

4.1 系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)立磨流場(chǎng)的影響

結(jié)合已有的立磨氣固兩相流分析研究[10]及筆者研究對(duì)象，在動(dòng)葉片轉(zhuǎn)速及其他參數(shù)不變的前提下，研究系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)立磨流場(chǎng)和分級(jí)篩選性能的影響規(guī)律。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際選擇動(dòng)葉片轉(zhuǎn)速為200 r/min，選擇系統(tǒng)風(fēng)量Q 分別為40 000 m3/h、45 000 m3/h、50 000 m3/h、55 000 m3/h、60 000 m3/h，即進(jìn)風(fēng)風(fēng)速v分別為14.59 m/s、16.41 m/s、18.24 m/s、20.05 m/s、21.88 m/s。為了準(zhǔn)確表征風(fēng)環(huán)處速度隨風(fēng)量的變化關(guān)系，在風(fēng)環(huán)處建立一條數(shù)據(jù)采集線line1(如圖3所示)。

line1起點(diǎn)坐標(biāo)P1(-1.289，0.042，0)，終點(diǎn)坐標(biāo)P2(-1.129，0.199，0)，從Fluent中導(dǎo)出line3上各點(diǎn)速度大小，并繪制速度變化曲線圖4。

圖4 不同系統(tǒng)風(fēng)量line1上速度大小曲線圖

由圖4可見(jiàn)，在同一系統(tǒng)風(fēng)量的情況下，line1上給點(diǎn)從P1到P2速度變化過(guò)程是先增大，然后逐漸減小，同時(shí)在x=-1.235處出現(xiàn)速度峰值，這主要是氣流經(jīng)過(guò)下風(fēng)環(huán)到達(dá)上風(fēng)環(huán)，隨著氣流速度增大，當(dāng)流通截面達(dá)到最小值時(shí)，速度達(dá)到峰值，之后隨著氣流進(jìn)入腔體內(nèi)部，其速度逐漸減小。隨著系統(tǒng)風(fēng)量的增加，line1上各點(diǎn)的速度也逐漸增大，單看各風(fēng)量下line1上速度變化曲線是大致相同的，這說(shuō)明該處結(jié)構(gòu)固定，系統(tǒng)風(fēng)量的變化不會(huì)對(duì)該處流場(chǎng)分布產(chǎn)生明顯影響。

為了解立磨壓差隨系統(tǒng)風(fēng)量的變化規(guī)律，通過(guò)仿真軟件統(tǒng)計(jì)模塊得到不同系統(tǒng)風(fēng)量下各面平均壓力。將不同系統(tǒng)風(fēng)量下各面壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到立磨整機(jī)壓損、風(fēng)環(huán)及磨輥區(qū)域壓損以及選粉機(jī)壓損及其變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 不同系統(tǒng)風(fēng)量下各區(qū)域壓損變化圖

由圖5可知，隨著系統(tǒng)風(fēng)量的逐漸增加，立磨風(fēng)環(huán)磨輥區(qū)域壓損、選粉機(jī)區(qū)域壓損以及立磨整機(jī)壓損也隨之增加，并且立磨整機(jī)壓損可近似看做風(fēng)環(huán)磨輥區(qū)域壓損與選粉機(jī)壓損之和。選粉機(jī)區(qū)域壓損相對(duì)于風(fēng)環(huán)區(qū)域壓損有較為明顯的損失，這是因?yàn)殡S著系統(tǒng)風(fēng)量增加，腔體內(nèi)的顆粒含量增多，導(dǎo)致氣固兩相的耦合作用增強(qiáng)，能量損失加大，導(dǎo)致風(fēng)環(huán)磨輥區(qū)域的壓損較大，而當(dāng)顆粒到達(dá)選粉機(jī)處時(shí)，由于大多數(shù)顆粒已經(jīng)滿足生產(chǎn)要求，此時(shí)選粉機(jī)區(qū)域產(chǎn)生的壓損增加，主要是因?yàn)闅夤虄上嗔魉俣仍龃笈c靜葉片、動(dòng)葉片之間碰撞加劇導(dǎo)致的，所以壓損變化較小。

4.2 系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)立磨篩選性能的影響

隨著系統(tǒng)風(fēng)量不斷增加，氣體對(duì)顆粒的托力增大，由于顆粒本身的浮力和重力不變，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量增大后，在相同的加工物料條件下，被吹起的物料量增加，當(dāng)顆粒達(dá)到選粉機(jī)離心區(qū)域后，顆粒主要受向心氣流產(chǎn)生的向心力以及動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的影響，同時(shí)風(fēng)量對(duì)于該區(qū)域的顆粒所受向心力和離心力的大小有很大影響。為了研究系統(tǒng)風(fēng)量變化對(duì)于分級(jí)性能的影響，物料顆粒取實(shí)際生產(chǎn)中晉級(jí)停機(jī)狀態(tài)下磨盤(pán)邊緣中心對(duì)稱6個(gè)位置物料，顆粒粒徑選取如表2所示。

表2 入口取料各粒徑分布

根據(jù)已有的邊界條件設(shè)定下，在雙向耦合計(jì)算收斂之后，對(duì)選粉出口的物料數(shù)量進(jìn)行離散相顆粒統(tǒng)計(jì)，不同系統(tǒng)風(fēng)量下粒徑≤45μm 分級(jí)效率以及80μm 篩選粉效率變化曲線如圖6所示。

圖6 不同風(fēng)量分級(jí)效率及選粉效率變化圖

由圖6可以看出，在轉(zhuǎn)速不變的情況下隨著系統(tǒng)風(fēng)量的不斷增大，進(jìn)入到選粉機(jī)內(nèi)部的顆粒粒徑增大，導(dǎo)致50～100μm 之間的顆粒也被選粉機(jī)選出，所以80μm 篩選粉效率隨風(fēng)量增大而增大；于此同時(shí)造成選粉出口收集的成品中不符合粒徑要求的顆粒含量增多，導(dǎo)致成品中粒徑≤45μm 分級(jí)效率卻隨風(fēng)量增大而降低。立磨實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中應(yīng)該保證成品中粒徑≤45μm 分級(jí)效率符合實(shí)際生產(chǎn)要求的情況下，不斷提高產(chǎn)量，因此系統(tǒng)風(fēng)量應(yīng)選取50 000 m3/h，這樣既能保證成品粒徑要求，又能保證產(chǎn)量。

5 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，立磨機(jī)腔體內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)情況是十分復(fù)雜的，而系統(tǒng)風(fēng)量的不同則會(huì)直接影響到立磨機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，總結(jié)以上所述對(duì)其進(jìn)行的研究可得：

1)在風(fēng)環(huán)處會(huì)出現(xiàn)氣體速度峰值，是由于氣體流動(dòng)空間發(fā)生變化，由于流通空間減小速度逐漸變大，當(dāng)通過(guò)狹窄空間后，氣體流速開(kāi)始減小，但該處結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，系統(tǒng)風(fēng)量只是改變速度大小，對(duì)于流場(chǎng)的分布無(wú)明顯影響。

2)在立磨機(jī)其他工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，隨著系統(tǒng)風(fēng)量的增大，立磨機(jī)的整機(jī)壓損、風(fēng)環(huán)磨輥區(qū)域壓損以及選粉機(jī)區(qū)域壓損也會(huì)逐漸增大，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析可得，系統(tǒng)風(fēng)量應(yīng)當(dāng)選取50 000 m3/h，這樣既能保證成品粒徑要求，又能保證產(chǎn)量。