立磨選粉機(jī)導(dǎo)流圈的數(shù)值模擬與分析

綦海軍，李雙躍，任朝富，李庭婷

（1.西南科技大學(xué) 制造學(xué)院，四川 綿陽621010；2.綿陽西金科技發(fā)展有限公司，四川 綿陽 621000）

立磨選粉機(jī)導(dǎo)流圈的數(shù)值模擬與分析

綦海軍1，李雙躍1，任朝富2，李庭婷1

（1.西南科技大學(xué) 制造學(xué)院，四川 綿陽621010；2.綿陽西金科技發(fā)展有限公司，四川 綿陽 621000）

為解決立磨改造中進(jìn)入選粉機(jī)分級室氣流速度過低的現(xiàn)象，設(shè)計了一種用于提升氣流速度的導(dǎo)流圈.采用RNG k－ε湍流模型和DPM模型分別對立磨選粉機(jī)的氣相流場和氣固兩相流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對比分析了不同導(dǎo)流圈α角下的速度、壓力分布云圖和顆粒運行軌跡.模擬發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流圈α角過大，會限制進(jìn)入選粉機(jī)分級室的氣流速度；α角過小，則將增大立磨選粉機(jī)的壓阻.結(jié)果表明：α角為60°時，大部分顆粒能夠被迅速提升至分級室，同時選粉機(jī)自身的壓阻也相對較小，細(xì)粉在選粉機(jī)內(nèi)的停留時間較短，選粉機(jī)具有最高的分級效率.試驗結(jié)果和工程應(yīng)用表明，導(dǎo)流圈的設(shè)計有效提升了立磨選粉機(jī)的性能和產(chǎn)量.

數(shù)值模擬；導(dǎo)流圈；立磨選粉機(jī)；兩相流

隨著人類對節(jié)能降耗的重視，低產(chǎn)高能的立磨都需要通過升級改造來實現(xiàn)新的應(yīng)用價值.對立磨所配備的選粉機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是立磨改造的重要手段之一，高性能的選粉機(jī)是保證粉磨質(zhì)量、提高磨機(jī)臺時產(chǎn)量的必要條件.立磨內(nèi)的合格顆粒物料在氣流的帶動下進(jìn)入選粉機(jī)分級室，因此控制進(jìn)入選粉機(jī)分級室的氣流速度是保證選粉機(jī)分級效率的關(guān)鍵.選粉機(jī)分級室入口風(fēng)速決定被提升顆粒物料的粒度，從而影響磨內(nèi)的循環(huán)量和磨盤上的料床厚度，合適的風(fēng)速有助于保證選粉機(jī)的分級性能，但風(fēng)速又不能過大，否則將造成大量物料循環(huán)、成品過粗等問題［1］.選粉機(jī)分級室入口風(fēng)速的控制可通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量和改變選粉機(jī)返料斗的傾斜角度來實現(xiàn).但是，系統(tǒng)風(fēng)量的改變會影響到其它設(shè)備的運行，改變選粉機(jī)返料斗的傾斜角度將增加立磨改造的成本.為了降低改造成本，筆者提出了增設(shè)導(dǎo)流圈來控制選粉機(jī)分級室入口風(fēng)速的新方法，以氣固兩相流理論為基礎(chǔ)，通過計算機(jī)數(shù)值模擬分析，對立磨選粉機(jī)的導(dǎo)流圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定和優(yōu)化.

1 導(dǎo)流圈結(jié)構(gòu)與流場模型

立磨選粉機(jī)位于被改造立磨的上部，其主要功能是將磨內(nèi)的合格顆粒物料快速高效地分選出來.如圖1所示，立磨選粉機(jī)主要由分級室殼體、導(dǎo)流圈、電機(jī)、導(dǎo)風(fēng)葉片等部件組成.在立磨改造過程中，經(jīng)常出現(xiàn)部分磨內(nèi)合格顆粒物料無法到達(dá)選粉機(jī)分級室的現(xiàn)象.其主要原因是返料斗與下殼體之間風(fēng)速過低［2］.因此，在選粉機(jī)分級室與下殼體的交界處增設(shè)導(dǎo)流圈，以此來提高帶料氣流進(jìn)入分級室的速度，從而有效地降低磨內(nèi)物料內(nèi)循環(huán)率，提高立磨選粉機(jī)的產(chǎn)量.

導(dǎo)流圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上板、下板和固定板組成，其上板與下板成一夾角，設(shè)為α角.為了匹配下殼體和返料斗的尺寸，導(dǎo)流圈的高度方向尺寸為定值，導(dǎo)流圈的外徑大小主要由α角決定.如果α過大，則導(dǎo)流圈的外徑會很小，其提速效果不明顯；α太小，導(dǎo)流圈的外徑會很大，從而使導(dǎo)流圈與下殼體之間的環(huán)口面積過小，導(dǎo)致大量的合格物料顆粒無法上升到選粉機(jī)分級室.

圖2 導(dǎo)流圈結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of diversion circle

由于導(dǎo)流圈的主要作用是提高磨內(nèi)合格顆粒物料上升到分級室的速度，因此把選粉機(jī)內(nèi)的氣相流動區(qū)域作為數(shù)值模擬的主要研究對象，忽略選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)風(fēng)葉片，抽象出立磨選粉機(jī)的計算模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到導(dǎo)流圈的流場模型如圖3所示.考慮到立磨選粉機(jī)由系統(tǒng)風(fēng)機(jī)提供風(fēng)量和負(fù)壓，定義流場模型的進(jìn)口邊界條件為velocityinlet，出口邊界條件為pressure-outlet［3－5］.

圖3 導(dǎo)流圈流場模型Fig.3 Fluid model of diversion circle

2 控制微分方程

立磨選粉機(jī)內(nèi)為氣固兩相流，其固相主要為離散的顆粒，由于選粉機(jī)內(nèi)部料氣比在3.5 kg／m3以下，即固相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10% ，因此采用拉格朗日離散相模型（DPM）計算最為合適［3］，它既可以方便地計算出這些離散顆粒的運動軌道，也可以將氣固兩相間的耦合作用考慮在內(nèi).

2.1 連續(xù)相（氣相）控制方程

考慮到立磨選粉機(jī)內(nèi)的流場為非完全湍流流場，因些對連續(xù)相進(jìn)行數(shù)值計算時采用RNG k－ε模型較合適.假定氣相流動不可壓縮，且不考慮用戶自定義的源項，其求解方程［5］分別為

時均連續(xù)相方程

雷諾時均動量方程

湍動能（k方程）

U為空間直角坐標(biāo)系下的速度各分量；μ為氣體動力粘度0.18×10－4Pa·s；經(jīng)驗系數(shù)Cμ＝0.084 5；μe為輸運系數(shù)，其計算方法如式（5）；Sφi為氣體i方向自身源相，其計算方法如式（6）；Spi為i方向顆粒作用源相，單相氣流計算時不考慮，兩相耦合計算見式（10）；gi為流體微元上i方向的體力，該模型中g(shù)x＝0，gy＝－9.8 m／s2，gz＝0.以上模型中各通用常量根據(jù)計算經(jīng)驗可取為［5－6］：αk＝αε＝1.39，C1ε＝1.42，C2ε＝1.68，η0＝4.377，β＝0.012.

2.2 顆粒相（固相）運動方程

考慮顆粒受到慣性力、氣體曳力和升力的作用［6］，根據(jù)顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式［4］為

U 為氣流速度（m／s）；up為顆粒速度（m／s）；μ為氣體動力粘度，取0.18×10－4Pa·s；ρ為氣體密度（kg／m3）；ρp為顆粒堆積密度（kg／m3）；dp為顆粒直徑（m）；Re為顆粒相對雷諾數(shù)；Fs為其他相間作用力.

2.3 氣相與顆粒相的耦合

在顆粒軌道的計算過程中，顆粒沿軌道的動量變化將影響到隨后的氣相計算，因此，在氣相影響顆粒相的同時，也必須考慮顆粒相對氣相的影響作用.通過交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程，直到兩者均收斂為止，即可完成兩相的雙向耦合計算.當(dāng)顆粒穿過模型控制體時，通過計算顆粒的動量變化來求解連續(xù)相傳遞給離散相的動量值.顆粒動量變化值［4］為

3 模擬邊界條件及求解

劃分網(wǎng)格時采用結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格，設(shè)定網(wǎng)格大小為size 80 mm，共劃分出4 839個網(wǎng)格.如圖3所示，設(shè)定選粉機(jī)底部為速度入口（velocity-inlet），根據(jù)選粉機(jī)風(fēng)量（5 500 m3／min）和進(jìn)風(fēng)口面積計算出入口速度為3.55 m／s；設(shè)定出口邊界條件為pressure-outlet，出口靜壓為－2 500 Pa；其余設(shè)為壁面（wal1），采用reflect壁面類型，其回彈系數(shù)參考文獻(xiàn)［7］.用硅酸鹽水泥生料作為離散相材料，其堆積密度為 3.15×103kg／m3，顆粒形狀系數(shù)取0.8［8］.在速度入口處分別建立20，80，200，300μm等12組均勻噴射源，其質(zhì)量流率均取0.5 kg／s，其速度均為3.55 m／s.求解方法：首先計算選粉機(jī)氣相流場得到收斂或部分收斂的連續(xù)相流場，然后創(chuàng)建顆粒噴射源進(jìn)行耦合計算［9－11］.

4 模擬結(jié)果及分析

利用相同的邊界條件和求解方法，分別對不同α角下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬.模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α角為60°左右時，立磨選粉機(jī)的分析性能最優(yōu).為了闡述方便，后文僅對α角為50°，60°和180°時的分級流場進(jìn)行對比分析.

4.1 導(dǎo)流圈對速度場和壓力場的影響

圖4為在同一邊界條件下，不同導(dǎo)流圈α角下的立磨選粉機(jī)氣相速度分布云圖.通過對比可以看出：α＝50°時，氣流進(jìn)入分級室后，緊貼分級室壁面向上流動，在分級室上部的密封環(huán)附近高度集中，形成了狹窄的高速氣流帶，對密封環(huán)、導(dǎo)風(fēng)葉片和分級室外殼都會造成嚴(yán)重的磨損；α＝60°時，選粉機(jī)內(nèi)的氣相流場較均勻，氣流進(jìn)入分級室速度明顯提高；α＝180°（即無導(dǎo)流圈）時，雖然流場分布比較均勻，但氣流進(jìn)入選粉機(jī)分級室的速度偏低，導(dǎo)致被噴風(fēng)環(huán)吹起的部分物料無法上升到分級室，從而造成了大量的物料內(nèi)循環(huán)，限制了選粉機(jī)效率和產(chǎn)量的提高.

圖4 氣相速度分布云圖Fig.4 Contour of gas-phase velocity

圖5為在同一邊界條件下，不同導(dǎo)流圈α角下的立磨選粉機(jī)氣相壓力分布云圖.通過對比可以看出：α＝50°時，導(dǎo)流圈的外徑較大，使得氣體進(jìn)入分級室的環(huán)口面積較小，這直接導(dǎo)致了立磨選粉機(jī)內(nèi)壓阻的增大，從圖5可以看出此時壓阻約有2 300 Pa；α＝60°時，由于氣體進(jìn)入分級室的環(huán)口面積較大，選粉機(jī)的壓阻較小，約為900 Pa；α＝180°（即無導(dǎo)流圈）時，選粉機(jī)壓阻最小，只有500 Pa左右.由此可以得出，隨著導(dǎo)流圈α角的減小，氣體進(jìn)入分級室的環(huán)口面積也逐漸減小，這提升了物料進(jìn)入分級室的速度，但同時也會導(dǎo)致選粉機(jī)內(nèi)壓阻的增大.

圖5 壓力分布云圖Fig.5 Contour of pressure

4.2 導(dǎo)流圈對顆粒運行軌跡的影響

圖6為在同一邊界條件下，不同導(dǎo)流圈α角下的500μm顆粒軌跡，左側(cè)顏色圖條表示顆粒在選粉機(jī)內(nèi)的停留時間.通過對比可以看出：α＝50°時，物料顆粒多數(shù)能夠被提升到分級室進(jìn)行分級，但由于選粉機(jī)內(nèi)壓阻過大，顆粒在選粉機(jī)內(nèi)的停留時間較長，無法實現(xiàn)迅速分級；α＝60°時，顆粒被迅速提升至分級室，在選粉機(jī)內(nèi)的停留時間較短，得以迅速分級，有利于選粉機(jī)分級效率的提高；α＝180°（即無導(dǎo)流圈）時，由于氣流進(jìn)入分級室的速度較低，多數(shù)粗物料顆粒無法上升至分級室進(jìn)行分級，由于重力的作用而直接返回至立磨磨盤邊緣，造成了嚴(yán)重的物料內(nèi)循環(huán).

圖6 500μm顆粒軌跡Fig.6 Track of 500μm particle

4.3 導(dǎo)流圈對選粉機(jī)分級性能的影響

為了更全面地研究導(dǎo)流圈對選粉機(jī)分級性能的影響，分別對不同α角下的12組顆粒噴射源進(jìn)行離散相數(shù)值模擬計算.通過離散相的顆粒軌道跟蹤，可以計算出不同粒徑顆粒的軌道模型，并且利用細(xì)粉出口“逃逸”出的顆粒軌道數(shù)（escaped）和顆粒軌跡總數(shù)（tracked）的比值來表示立磨選粉機(jī)的分級效率，如圖7所示.

圖7 不同α角下的選粉機(jī)分級效率Fig.7 The efficiency of classifier under differentα

由圖7可以看出，隨著導(dǎo)流圈α角的減小，氣流進(jìn)入分級室的速度得以提升，選粉機(jī)對粗顆粒的分級效率較高，但同時由于選粉機(jī)自身壓阻的增大，大量進(jìn)入分級室的細(xì)粉不能被迅速分級，導(dǎo)致選粉機(jī)對細(xì)顆粒的分級效率較低；反之，導(dǎo)流圈α角越大，選粉機(jī)的壓阻就越小，多數(shù)細(xì)粉顆粒能夠上升至分級室被迅速分級，但是由于氣流進(jìn)入分級室速度的降低，大量合格的粗顆粒無法上升至分級室，由于自身重力的作用而再次返回至立磨磨盤邊緣，極大地降低了立磨選粉機(jī)的分級效率.綜合以上分析可以得出，α角為60°時，立磨選粉機(jī)的分級性能最優(yōu).

5 試驗與工程應(yīng)用

根據(jù)數(shù)值分析得出的結(jié)論，取導(dǎo)流圈α為60°，將其用于SMG800試驗分級機(jī)上進(jìn)行試驗.在進(jìn)行硅酸鹽水泥生料分級試驗中，取選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為500 r／min（轉(zhuǎn)子半徑400 mm）、系統(tǒng)風(fēng)量為3 200 m3／h，測得成品80μm方孔篩篩余為15.7%，SLG80磨機(jī)吐渣量少，吐渣口粗料800μm篩余為81.7%，成品產(chǎn)量為15 kg／min.采用同樣的方法對α為50°和無導(dǎo)流圈時的情況進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果表明，α角為60°的導(dǎo)流圈對立磨選粉機(jī)分級效率的提高最有利.

在SMG800試驗機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了用于工業(yè)生產(chǎn)的SMG5500生料立磨選粉機(jī)，并成功應(yīng)用于湖南某水泥廠的立磨改造，導(dǎo)流圈也被應(yīng)用在SMG5500立磨選粉機(jī)上，其工程安裝如圖8所示.工程應(yīng)用表明，經(jīng)SMG選粉機(jī)改造后的立磨，在保證產(chǎn)品質(zhì)量80μm篩余小于15%的前提下，其產(chǎn)量可提升12%以上，同時其單位能耗可降低11%.實踐證明，采用導(dǎo)流圈來提升物料進(jìn)入選粉機(jī)分級室的速度是實現(xiàn)立磨節(jié)能降耗的關(guān)鍵.

圖8 導(dǎo)流圈工程安裝Fig.8 Installation of diversion circle

6 結(jié) 論

導(dǎo)流圈的設(shè)計有效提升了氣流進(jìn)入分級室的速度，使合格粗料顆粒能夠順利進(jìn)入分級室.隨著導(dǎo)流圈α角的減小，選粉機(jī)對較粗顆粒的提升效率不斷提高，同時也增加了選粉機(jī)自身的壓阻，導(dǎo)致大量進(jìn)入分級室的細(xì)粉不能被迅速分級，降低了選粉機(jī)對細(xì)顆粒的分級效率；相反，導(dǎo)流圈α角越大，選粉機(jī)的壓阻就越小，多數(shù)細(xì)粉顆粒能夠上升至分級室被迅速分級，但是由于氣流進(jìn)入分級室速度的降低，大量合格的粗顆粒無法上升至分級室進(jìn)行分級，極大地限制了選粉機(jī)的分級效率.通過數(shù)值模擬分析不同導(dǎo)流圈α角下的選粉機(jī)氣相流場特性和顆粒軌跡模型，得出α＝60°時，立磨選粉機(jī)的分級性能最優(yōu).

本文得到了西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（11ycjj31）的資助.

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Numerical simulation and analysis on diversion circle of vertical mill classifier

QI Hai-jun1，LI Shuang－yue1，REN Chao-fu2，LI Ting-ting1
（1.College of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Mianyang Seeker Science and Technology Development Co.，Led.，Mianyang 621000，China）

In order to improve the velocity of airflow into grading room，a diversion circle is designed in vertical mill modification.The RNG k—εturbulent model and DPM model are applied to carry out air-solid two-phase numerical simulation in the vertical mill classifier.The contour of gas-phase velocity，pressure and the particle trajectory are compared and analyzed as the angleα of diversion circle varies.Simulation results show that the velocity of airflow is limited under large value ofα，while the pressure drop of classifier increases under small value ofα.It is also shown that the classifier has the highest efficiency whenαequals 60°because then the pressure drop of classifier is small and the residence time of fine powder is the shortest.The experiment and application indicate that the design of diversion circle improves the efficiency and productivity of the vertical mill classifier.

numerical simulation；diversion circle；vertical mill classifier；two-phase flow

TB44

A

1006-4303（2012）01-0070-05

2010-11-18

國家火炬計劃基金資助項目（09C2621502330）

綦海軍（1986—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，研究方向為粉體制備技術(shù)及裝備研究，E-mail：qihaijun417＠163.com.通信作者：李雙躍教授，E-mail：shuangyue－58＠263.net.

（

劉 巖）