120 萬 t/a 立磨選粉機(jī)優(yōu)化設(shè)計研究

孫潞潞，劉云峰，于偉濤，李 珂，符惜煒

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

立 磨是廣泛應(yīng)用于建材行業(yè)的一種粉磨設(shè)備，它集粉碎、烘干、分級于一體，可用于水泥生料、熟料、煤粉和礦渣的粉磨[1]。選粉機(jī)作為立磨的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到整個立磨設(shè)備的生產(chǎn)效率與穩(wěn)定性[2]。目前，很多研究者采用數(shù)值模擬(CFD) 方法從不同角度對動態(tài)選粉機(jī)做了大量的研究工作。黃億輝等人[3]以計算流體動力學(xué)理論為依據(jù)，得出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對選粉性能有很大影響，且轉(zhuǎn)速需控制在一定范圍內(nèi)。李翔等人[4]利用 Fluent 軟件對選粉機(jī)進(jìn)行 2D 數(shù)值模擬，得出立磨選粉機(jī)的分級環(huán)間距在適當(dāng)范圍內(nèi)時選粉性能最優(yōu)。王朝霞等人[5]應(yīng)用氣固耦合方法對選粉機(jī)出風(fēng)口及定葉片和動葉片之間的間距進(jìn)行了優(yōu)化研究。童聰?shù)热薣6]分析了立磨選粉機(jī)的葉片參數(shù)，并通過改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。由于市場上不同廠家設(shè)計的動態(tài)選粉機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理存在差別，因此上述研究成果僅適用于某一特定結(jié)構(gòu)的選粉機(jī)。本文立足于本公司的立磨產(chǎn)品，利用 CFD計算軟件 Fluent 對 120 萬 t/a 立磨用動態(tài)選粉機(jī)進(jìn)行研究，通過分析不同葉片設(shè)計參數(shù)對選粉機(jī)分級性能的影響，提出了該動態(tài)選粉機(jī)優(yōu)化設(shè)計方案。

1 研究思路及計算模型

1.1 研究思路

動態(tài)選粉是一個涉及到流場、多相流的復(fù)雜過程。物料經(jīng)磨盤粉碎后，被立磨內(nèi)高速氣流裹挾到位于立磨設(shè)備上部的選粉機(jī)內(nèi)，通過定子葉片整流后，進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)籠內(nèi)進(jìn)行分級處理。符合粒度要求的物料顆粒通過選粉機(jī)跟隨氣流排出，在出料口被收集，不符合粒度要求的物料顆粒會通過料斗回落至磨盤繼續(xù)粉磨。整個選粉過程影響因素繁多，需要各個參數(shù)相互配合緊密，因此研究動態(tài)選粉機(jī)各種參數(shù)影響對立磨的優(yōu)化十分重要。

使用 Fluent 軟件研究選粉機(jī)的分級效率，其基本模擬計算流程如圖 1 所示。

1.2 計算模型及條件

采用計算流體力學(xué) (CFD) 方法研究動態(tài)選粉機(jī)，主要技術(shù)難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子運(yùn)動區(qū)域與整體計算域之間運(yùn)動關(guān)系的處理。根據(jù)轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)動情況，使用 Sliding mesh 法處理轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子與轉(zhuǎn)子的相對位置時刻發(fā)生變化，計算量大，對網(wǎng)格要求高，計算結(jié)果不好收斂。為避免此問題，研究使用 RMF 法。計算時，在轉(zhuǎn)子運(yùn)動區(qū)域上施加旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，定子與轉(zhuǎn)子的相對位置不發(fā)生改變，大大減少了計算量。研究計算前需對模型進(jìn)行處理，通過區(qū)域切割將模型分為定子區(qū)、轉(zhuǎn)子區(qū)及立磨出料區(qū)，處理后的三維模型如圖2 所示。

選粉機(jī)模型中，定子葉片有 60 片；轉(zhuǎn)子原設(shè)計葉片有 200 片，沿圓周方向均勻分布，轉(zhuǎn)子設(shè)計轉(zhuǎn)速為 120 r/min。計算時，入口采用速度入口 (Velocityinlet) 邊界條件，出口為自由流出口 (outflow)，定子區(qū)、轉(zhuǎn)子區(qū)、出口區(qū)采用內(nèi)部邊界條件 (interface) 連接，其余壁面設(shè)置為 wall；選粉機(jī)內(nèi)為中等強(qiáng)度的湍流流動，計算模型選擇κ-ε模型[7]；物料粒子采用DPM 入射流，粒徑分布符合R-R分布；設(shè)計工況風(fēng)量為 700 000 m3/h。

2 葉片設(shè)計對選粉效率的影響

2.1 定子葉片偏轉(zhuǎn)角度

定子葉片偏轉(zhuǎn)角度指的是定子葉片與中心連線夾角，如圖 3 所示。選粉機(jī)定子葉片偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，會導(dǎo)致通過的氣流經(jīng)過整流后，進(jìn)入選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片時的入射角度發(fā)生改變，進(jìn)而會影響到選粉機(jī)的整機(jī)流場。制定了不同定子葉片偏轉(zhuǎn)角度對選粉效率影響的研究方案，如表 1 所列。

表1 定子葉片偏轉(zhuǎn)角度的研究方案Tab.1 Research scheme for deflection angle of stator blade

分別對上述 5 種研究方案計算，得到了定子葉片不同偏轉(zhuǎn)角度下選粉機(jī)的選粉效率曲線，如圖 4 所示。

由圖 4 可知：5 種方案得到的選粉效率曲線趨勢基本一致；定子偏轉(zhuǎn)角度小范圍內(nèi)變化對選粉機(jī)選粉效率影響不大，該影響因素在優(yōu)化設(shè)計中可不予考慮。物料粒徑在 40 μm 以下，選粉機(jī)維持在高選粉效率區(qū)間；物料粒徑大于 40 μm，選粉效率急劇下降；這樣的效率分布符合對選粉機(jī)的要求。

2.2 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量

選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量對通過轉(zhuǎn)子區(qū)域的流場產(chǎn)生影響。在風(fēng)量一定的情況下，轉(zhuǎn)子葉片越稀疏，物料顆粒通過旋轉(zhuǎn)葉片的難度越低，選出的物料粒徑越大；轉(zhuǎn)子葉片越密集，物料顆粒通過旋轉(zhuǎn)葉片的難度越高，選出的粉就會越細(xì)。轉(zhuǎn)子數(shù)量也會對選粉機(jī)的功率產(chǎn)生影響，因此如何設(shè)計出既能滿足選粉粒度要求，消耗功率又低的選粉機(jī)，是設(shè)計者追求的目標(biāo)。基于上述設(shè)想，制定了 120 萬 t/a 立磨動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量的研究方案，如表 2 所列。對 5 種方案進(jìn)行計算，得到了不同轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量下選粉機(jī)選粉效率曲線，如圖 5 所示。

表2 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量的研究方案Tab.2 Research scheme for number of rotor blade

由圖 5 可知：5 種不同轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量下，選粉效率曲線差別不大，這說明轉(zhuǎn)子葉片達(dá)到一定數(shù)量后，選粉效率不會隨著葉片數(shù)量增加而產(chǎn)生變化；轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量降到 180 片，對選粉效率結(jié)果影響不大，這說明轉(zhuǎn)子數(shù)量應(yīng)作為選粉機(jī)后續(xù)優(yōu)化的方向，深入研究，繼續(xù)降低設(shè)計冗余量。

2.3 轉(zhuǎn)子葉片寬度

立磨內(nèi)流場裹挾的物料顆粒經(jīng)過定子葉片整流后，進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片高速旋轉(zhuǎn)形成的物料通道。此通道的形成又與轉(zhuǎn)子葉片寬度相關(guān)，葉片寬度小，形成的通道短，進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片間的大粒徑物料容易進(jìn)入成品粉中，分級效果差；葉片寬度大，形成的通道長，物料顆粒通過時間變長，部分符合要求的物料粒子會隨著轉(zhuǎn)子葉片的高速旋轉(zhuǎn)甩向葉片壁面，失去動能而不能被選出，影響選粉效率。針對選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片寬度設(shè)計了 3 種研究方案，如表 3 所列。葉片寬度變化如圖 6 所示。對 3 種方案進(jìn)行計算，得到了不同轉(zhuǎn)子葉片寬度下選粉機(jī)選粉效率曲線，如圖 7 所示。

表3 轉(zhuǎn)子葉片寬度的研究方案Tab.3 Research scheme for width of rotor blade

由圖 7 可知：葉片寬度增加，選粉效果提升；但葉片寬度過大時，選粉效果降低；轉(zhuǎn)子葉片寬度增大25 mm 和增大 50 mm 后，選粉效果都優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計，說明現(xiàn)有轉(zhuǎn)子寬度的設(shè)計存在優(yōu)化空間。此轉(zhuǎn)子葉片參數(shù)也可作為選粉機(jī)后續(xù)優(yōu)化的方向，深入研究，最大限度地提高選粉效率。

3 120 萬 t/a 立磨選粉機(jī)優(yōu)化方案及結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化方案

綜合上述研究結(jié)果，結(jié)合其他選粉機(jī)廠家選粉機(jī)使用調(diào)研情況及我公司設(shè)計選粉機(jī)現(xiàn)狀，初步提出了選粉機(jī)設(shè)計優(yōu)化的兩種可能方案，具體如表 4 所列。本文將對比分析優(yōu)化方案與現(xiàn)有設(shè)計在相關(guān)指標(biāo)上的差異。

表4 優(yōu)化設(shè)計方案Tab.4 Optimization design scheme

3.2 選粉效率對比分析

按照表 4 中方案進(jìn)行計算，得到不同方案的選粉效率曲線，結(jié)果如圖 8 所示。

由圖 8 可知：優(yōu)化方案 1 的轉(zhuǎn)子數(shù)量比現(xiàn)有設(shè)計少了 40 片，但葉片寬度增加了 25 mm，從選粉效率曲線上看，得到的選粉效果更好；優(yōu)化方案 2 的選粉效果不如現(xiàn)有選粉機(jī)。

3.3 功率對比分析

降低能耗是任何一臺設(shè)備在設(shè)計時都要考慮的事，在保證使用效果的同時，追求更低的能耗，直接反映了設(shè)備的設(shè)計水平。因此在上述計算選粉機(jī)效率的同時，也應(yīng)當(dāng)關(guān)注新設(shè)計選粉機(jī)的功率能耗。這里的計算僅僅對比選粉機(jī)的轉(zhuǎn)子功率，沒有考慮其他機(jī)械部件由于摩擦等原因造成的機(jī)械消耗功率。完成上述方案計算后，輸出特定部件的轉(zhuǎn)矩。選粉機(jī)轉(zhuǎn)子的功率與轉(zhuǎn)矩存在如下關(guān)系：

式中：P為轉(zhuǎn)子功率，kW；T為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，N·M；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/s。

計算軟件輸出的選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩如表 5 所列。

表5 不同設(shè)計方案時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩Tab.5 Rotor torque in various design schemes

按照式 (1) 分別得到各方案選粉機(jī)轉(zhuǎn)子的功率?，F(xiàn)有選粉機(jī)轉(zhuǎn)子功率

優(yōu)化方案 1 轉(zhuǎn)子功率

優(yōu)化方案 2 轉(zhuǎn)子功率

對比分析各方案的轉(zhuǎn)子功率可以看到：

(1) 優(yōu)化方案 1 的轉(zhuǎn)子功率低于現(xiàn)有設(shè)計方案10.6%；優(yōu)化方案 2 的轉(zhuǎn)子功率低于現(xiàn)有設(shè)計方案7.2%；

(2) 從選粉機(jī)轉(zhuǎn)子功率的計算上可以看到，選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片寬度比轉(zhuǎn)子數(shù)量對功率的影響更大。

4 結(jié)論

(1) 目前 120 萬 t/a 立磨選粉機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)量設(shè)計冗余量大，存在優(yōu)化空間；

(2) 選粉機(jī)選粉效果隨著轉(zhuǎn)子葉片寬度的增大，先提高后降低，每一種型號選粉機(jī)對應(yīng)有最佳轉(zhuǎn)子葉片寬度；

(3) 120 萬 t/a 立磨選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量降低至160 片，葉片寬度增加 25 mm 后，其選粉效果略優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計，功率降低約 10.6%。