HP1163磨煤機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬及風(fēng)環(huán)改進(jìn)

劉愛(ài)國(guó)，王曼曼，王微偉

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.江蘇瑞米克金屬技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213172）

磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)的作用是使一次熱風(fēng)分布均勻、提高其速度并形成旋轉(zhuǎn)上升的高速氣流，風(fēng)環(huán)出口風(fēng)速的大小、方向和分布的均勻性對(duì)磨煤機(jī)出粉質(zhì)量和安全生產(chǎn)至關(guān)重要。首先，風(fēng)環(huán)出口必須保證一定的風(fēng)速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，HP1163磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)風(fēng)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(fēng)環(huán)出口風(fēng)速必須有合適的水平分量和垂直分量，以形成旋轉(zhuǎn)上升的氣流。最后，風(fēng)環(huán)出口風(fēng)速分布應(yīng)盡量均勻。局部區(qū)域風(fēng)速過(guò)高，大顆粒煤粉將輸送到分離器，導(dǎo)致分離器堵塞可能性增大[2]，且大顆粒煤粉如果通過(guò)分離器進(jìn)入爐膛，還會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全，降低發(fā)電效率，增大空氣污染[3]，而局部風(fēng)速過(guò)低則可能導(dǎo)致細(xì)煤粉在低風(fēng)速區(qū)堆積，容易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸[2]。如在磨煤機(jī)內(nèi)部進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，則費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高昂[4]，數(shù)值模擬成為分析磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)及對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的有效工具[5-14]。閆順林等[5]采用數(shù)值模擬方法比較了RP型中速磨煤機(jī)和裝配有旋轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)的HP型磨煤機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)RP型中速磨煤機(jī)各風(fēng)環(huán)出口風(fēng)量不均勻，是導(dǎo)致石子煤排量過(guò)大的主要影響因素，旋轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)使各出口風(fēng)速趨于均勻，并對(duì)一次風(fēng)有加強(qiáng)作用，使HP型磨煤機(jī)石子煤排量顯著降低；杜躍斐[6]采用數(shù)值模擬方法研究了風(fēng)環(huán)導(dǎo)向板角度變化對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響；朱憲然等[7]采用數(shù)值模擬方法分析了HP中速磨煤機(jī)內(nèi)部一次風(fēng)流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)室內(nèi)存在2個(gè)漩渦區(qū)，相應(yīng)位置的風(fēng)環(huán)出口存在2個(gè)低流量區(qū)，該區(qū)域石子煤排出量更多。

HP1163磨煤機(jī)存在原始風(fēng)環(huán)出風(fēng)口風(fēng)速較低、石子煤量較大、磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)不均勻、小直徑煤粉顆粒回落到磨盤(pán)上重復(fù)碾磨等問(wèn)題，本文針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)HP1163磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析風(fēng)環(huán)附近的流場(chǎng)與風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)對(duì)風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1 磨煤機(jī)模型

1.1 幾何模型

HP1163磨煤機(jī)的幾何模型如圖1所示，取磨盤(pán)中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，主要幾何尺寸見(jiàn)表1。考慮到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源的局限性，對(duì)不影響流場(chǎng)總體狀態(tài)的局部幾何細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖1 磨煤機(jī)的幾何模型Fig.1 Geometric model of the pulverizer

表1 磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)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(jī)的風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)，原始風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2a)所示。為提高風(fēng)環(huán)出口風(fēng)速，通常會(huì)在風(fēng)環(huán)上方安裝節(jié)流環(huán)[7]，帶節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2b)所示，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出的改進(jìn)風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2c)所示。該風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)將節(jié)流環(huán)在圓周方向上對(duì)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(zhuǎn)速度、提高風(fēng)環(huán)出風(fēng)口風(fēng)速并改善磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)均勻性。改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)出風(fēng)口面積和采用節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)出風(fēng)口面積相等。

圖2 磨煤機(jī)的風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the throat in pulverizer

1.2 流體模型

HP1163中速磨煤機(jī)一次風(fēng)保證出力通風(fēng)量為41.97 kg/s，最大通風(fēng)量為43.72 kg/s，一次風(fēng)溫度為325 ℃，入口干燥介質(zhì)溫度為245 ℃[15]。一次風(fēng)入口若采用質(zhì)量邊界條件，收斂性不好，將質(zhì)量邊界條件轉(zhuǎn)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(dòng)壁面。分離器轉(zhuǎn)子位置切割出一個(gè)錐臺(tái)區(qū)域，作為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)域。錐臺(tái)區(qū)域尺寸稍大于分離器轉(zhuǎn)子，底面半徑為1 400 mm，頂面半徑為1 900 mm，高為1 349 mm。磨盤(pán)及風(fēng)環(huán)位置切割出一個(gè)圓柱區(qū)域，作為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)域。圓柱底面半徑為1 950 mm，高為600 mm。分離器與磨盤(pán)轉(zhuǎn)速分別為60、30 r/min，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮曧槙r(shí)針?lè)较颉?/p>

由計(jì)算可知，245 ℃時(shí)中速磨煤機(jī)的通風(fēng)量為41.97 kg/s，對(duì)應(yīng)的入口速度為38.58 m/s。經(jīng)計(jì)算，雷諾數(shù)為26.23×105，磨煤機(jī)內(nèi)空氣的流動(dòng)為湍流流動(dòng)，選用Realizablek-ε湍流模型。由于要考慮溫度變化對(duì)風(fēng)速的影響，將流體設(shè)定為可壓縮流體?？刂品匠虨椋?/p>

式中：k為湍流動(dòng)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(yīng)力張量；F為體積力；μ為動(dòng)力黏度；μT為湍流黏度；σk和σε分別是k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；C1和Cε2是常數(shù)。

1.3 傳熱分析

磨煤機(jī)內(nèi)部的傳熱過(guò)程非常復(fù)雜，模擬難度很大，考慮到主要關(guān)注的不是空氣的溫度變化，而是空氣溫度變化對(duì)流場(chǎng)可能產(chǎn)生的影響，故對(duì)傳熱問(wèn)題做如下簡(jiǎn)化：

入口干燥介質(zhì)溫度為245 ℃，出口風(fēng)溫為76 ℃，將各種吸熱、散熱條件全部忽略，統(tǒng)一簡(jiǎn)化成一個(gè)體熱源，該體熱源可將熱風(fēng)溫度從入口的245 ℃降到出口的76 ℃。考慮到一次風(fēng)室只有器壁散熱，對(duì)熱風(fēng)降溫貢獻(xiàn)較小，一次風(fēng)與煤粉的激烈換熱過(guò)程集中在風(fēng)煤混合接觸后的一小塊區(qū)域內(nèi)，熱風(fēng)溫度下降100 ℃的激烈換熱距離僅為60 mm[10]，故體熱源從磨盤(pán)上方開(kāi)始施加。

設(shè)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(shù)，經(jīng)過(guò)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(shè)定為絕熱界面。

1.4 煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)模型

忽略煤粉顆粒對(duì)空氣的反作用，煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：mp為煤粉顆粒質(zhì)量；v為顆粒速度；t為時(shí)間；Ft為煤粉顆粒受到的拖曳力，見(jiàn)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(yīng)時(shí)間，見(jiàn)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(jì)算量的緣故，每次從磨盤(pán)邊緣處釋放100個(gè)煤粉顆粒，計(jì)算煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，煤粉顆粒密度取1 800 kg/m3[2]。分別在一次風(fēng)室底部、磨盤(pán)表面、磨煤機(jī)內(nèi)部2 800 mm高平面上對(duì)煤粉顆粒進(jìn)行捕捉統(tǒng)計(jì)。

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

為分析網(wǎng)格劃分對(duì)模擬結(jié)果的影響，對(duì)原始風(fēng)環(huán)的模型采用3組不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。在風(fēng)環(huán)上方圓周處取一個(gè)圓進(jìn)行空氣流場(chǎng)速度測(cè)量，圓的半徑為1 730 mm，縱坐標(biāo)為240 mm。對(duì)圓周上空氣流場(chǎng)的平均速度、最大速度、最小速度進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，隨著網(wǎng)格數(shù)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(wǎng)格數(shù)量對(duì)風(fēng)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(jié)果與討論

圖3為3種磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)磨盤(pán)邊緣外50 mm處圓周上的速度分布，此處為風(fēng)環(huán)出口上方。由圖3可見(jiàn)：采用節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)，在圓周方向上縮小了風(fēng)環(huán)出口通風(fēng)面積，有效提高了風(fēng)速，主要提高的是豎直方向速度分量（圖3b)）；改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)，在徑向方向上縮小了風(fēng)環(huán)出口通風(fēng)面積，也使風(fēng)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(yùn)動(dòng)；水平方向速度分量提高，有利于增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)，使煤粉顆粒貼近磨煤機(jī)外壁運(yùn)動(dòng)。

圖3 磨盤(pán)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(fēng)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(guò)數(shù)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(fēng)改為兩側(cè)或者多側(cè)切向吹入、在一次風(fēng)室加裝擋板及堵住部分出風(fēng)口等一些改善方法[12]，但速度的不均勻性不僅僅存在于風(fēng)環(huán)出風(fēng)口附近。

圖4為磨盤(pán)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(jiàn)：在磨煤機(jī)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(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)；而在磨煤機(jī)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(dòng)，這一現(xiàn)象已在其他學(xué)者的模擬工作中被發(fā)現(xiàn)[2]；通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，帶有節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)中，反向的環(huán)形流動(dòng)區(qū)域更大，流速更高；而改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)中，反向的環(huán)形流動(dòng)區(qū)域更小，流速也較低。

圖4 磨盤(pán)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(jiàn)：原始風(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)，速度分布不均勻，低速區(qū)面積較大，而且擴(kuò)展到整個(gè)橫截面上（圖5a)）；采用帶節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)，使氣流速度有所提高，但并未改善流場(chǎng)速度分布均勻性，低速區(qū)范圍稍有收縮，但仍存在于整個(gè)橫截面上（圖5b)）；采用改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)，不僅提高了流場(chǎng)速度，而且流場(chǎng)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(jī)中心區(qū)域，且低速區(qū)面積較?。▓D5c)）。當(dāng)磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)速度分布不均勻、存在較大低速區(qū)時(shí)，較細(xì)的煤粉顆粒也可能由于氣流攜帶能力不足而落回到磨盤(pán)，重新參與碾磨。這不僅會(huì)降低磨煤機(jī)出力，而且會(huì)惡化碾磨條件，增加單位煤粉電耗，甚至引發(fā)火災(zāi)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(jī)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖6可見(jiàn)：采用原始風(fēng)環(huán)和帶節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)的磨煤機(jī)中，落入磨盤(pán)的煤粉顆粒較多，輸送到高處的煤粉顆粒在整個(gè)空間中都有分布；采用改進(jìn)后風(fēng)環(huán)的磨煤機(jī)中，落入磨盤(pán)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(jī)艙壁附近。

圖6 直徑10 μm煤粉顆粒在磨煤機(jī)中的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Trajectories of 10 μm coal particles in the pulverizer

圖7為在磨煤機(jī)不同位置捕獲到的煤粉顆粒的比例和煤粉顆粒直徑的關(guān)系。如圖7a)所示，原始風(fēng)環(huán)出風(fēng)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(kāi)始落入一次風(fēng)室，成為石子煤，其比例隨煤粉顆粒直徑增加而迅速增大，當(dāng)煤粉顆粒直徑大于1 000 μm后，幾乎全部落入一次風(fēng)室。而帶節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)和改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)出口風(fēng)速高（圖3），大直徑煤粉顆粒落入一次風(fēng)室的比例明顯降低。改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)控制大直徑煤粉顆粒落入一次風(fēng)室的效果比帶節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)更好。風(fēng)環(huán)改進(jìn)后，回落到磨盤(pán)上的和輸送到磨煤機(jī)上部的大直徑煤粉顆粒比例都更高（圖7b)、圖7c)）。

當(dāng)煤粉顆粒直徑在100～600 μm時(shí)，在采用改進(jìn)后風(fēng)環(huán)的磨煤機(jī)中，回落到磨盤(pán)的比例最低（圖7b)），這是由于采用改進(jìn)后風(fēng)環(huán)的磨煤機(jī)流場(chǎng)的攜帶能力更強(qiáng)，將更多的煤粉顆粒輸送到了磨煤機(jī)上部（圖7d)）。這部分被輸送到磨煤機(jī)上部的大直徑煤粉顆粒將在分離器的作用下被分離出來(lái)，回落到磨盤(pán)上重新研磨。

圖7 磨煤機(jī)不同位置捕獲到的煤粉顆粒的比例與煤粉顆粒直徑的關(guān)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(nèi)的煤粉顆粒，幾乎不會(huì)回落到磨盤(pán)上，而是都被輸送到磨煤機(jī)上部（圖7d)）。但是，更小直徑的煤粉顆?；芈涞侥ケP(pán)上的比例卻增加了，特別是采用原始風(fēng)環(huán)的磨煤機(jī)中，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)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(fēng)環(huán)，小直徑煤粉顆粒有一部分會(huì)回落到磨盤(pán)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(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)水平方向速度分量小，旋轉(zhuǎn)作用弱，小直徑煤粉顆粒慣性小，不易在離心力的作用下進(jìn)入磨煤機(jī)艙壁附近的上升氣流中，而是容易進(jìn)入磨煤機(jī)中部低速區(qū)（圖6a)），在反向氣流的帶動(dòng)和自身重力作用下，沉降到磨盤(pán)上，并且這種傾向會(huì)隨著煤粉顆粒直徑的減小而增大。帶節(jié)流環(huán)的風(fēng)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(wèn)題。改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)水平速度增大，氣流旋轉(zhuǎn)作用增強(qiáng)，低速區(qū)范圍減小，同樣尺寸的煤粉顆粒其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比在原始風(fēng)環(huán)和帶節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)中更強(qiáng)，更易在離心力的作用下進(jìn)入磨煤機(jī)艙壁附近的上升氣流中，被輸送到高處（圖6c)）。

3 結(jié) 論

1）在磨煤機(jī)中部會(huì)形成方向向下的氣流，導(dǎo)致小直徑煤粉顆粒發(fā)生沉降。帶有節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)中，反向的環(huán)形流動(dòng)區(qū)域更大，流速更高；改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)形成的流場(chǎng)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(fēng)環(huán)，主要提高的是流場(chǎng)豎直方向的速度分量；改進(jìn)后的風(fēng)環(huán)提高了流場(chǎng)水平速度分量，可以在磨煤機(jī)內(nèi)獲得更高的旋轉(zhuǎn)速度，使煤粉顆粒貼近磨煤機(jī)外壁運(yùn)動(dòng)，從而使煤粉顆粒更容易進(jìn)入上升氣流區(qū)。

3）采用節(jié)流環(huán)的風(fēng)環(huán)，使氣流速度有所提高，但并未改善流場(chǎng)速度分布均勻性；改進(jìn)后的風(fēng)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(qiáng)，可以有效降低單位煤粉電耗，防止發(fā)生火災(zāi)和爆炸。

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