刘爱国，王曼曼，王微伟
（1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159；
2.江苏瑞米克金属技术有限公司，江苏 常州 213172）
磨煤机风环的作用是使一次热风分布均匀、提高其速度并形成旋转上升的高速气流，风环出口风速的大小、方向和分布的均匀性对磨煤机出粉质量和安全生产至关重要。首先，风环出口必须保证一定的风速。根据经验，HP1163磨煤机风环风速任何情况下均不得低于40 m/s，否则石子煤量将异常增加[1]。其次，风环出口风速必须有合适的水平分量和垂直分量，以形成旋转上升的气流。最后，风环出口风速分布应尽量均匀。局部区域风速过高，大颗粒煤粉将输送到分离器，导致分离器堵塞可能性增大[2]，且大颗粒煤粉如果通过分离器进入炉膛，还会导致燃烧不完全，降低发电效率，增大空气污染[3]，而局部风速过低则可能导致细煤粉在低风速区堆积，容易引发火灾甚至爆炸[2]。如在磨煤机内部进行风速测量，则费时费力、成本高昂[4]，数值模拟成为分析磨煤机内部流场及对结构进行优化的有效工具[5-14]。闫顺林等[5]采用数值模拟方法比较了RP型中速磨煤机和装配有旋转风环的HP型磨煤机内部的流场，发现RP型中速磨煤机各风环出口风量不均匀，是导致石子煤排量过大的主要影响因素，旋转风环使各出口风速趋于均匀，并对一次风有加强作用，使HP型磨煤机石子煤排量显著降低；
杜跃斐[6]采用数值模拟方法研究了风环导向板角度变化对磨煤机内部流场的影响；
朱宪然等[7]采用数值模拟方法分析了HP中速磨煤机内部一次风流场，发现一次风室内存在2个漩涡区，相应位置的风环出口存在2个低流量区，该区域石子煤排出量更多。
HP1163磨煤机存在原始风环出风口风速较低、石子煤量较大、磨煤机内部流场不均匀、小直径煤粉颗粒回落到磨盘上重复碾磨等问题，本文针对上述问题对HP1163磨煤机内部流场进行模拟，重点分析风环附近的流场与风环结构的关系，并以此为基础对风环结构进行改进。
1.1 几何模型
HP1163磨煤机的几何模型如图1所示，取磨盘中心点为坐标系原点，主要几何尺寸见表1。考虑到计算时间和计算资源的局限性，对不影响流场总体状态的局部几何细节进行简化。
图1 磨煤机的几何模型Fig.1 Geometric model of the pulverizer
表1 磨煤机内部流场模拟几何模型主要尺寸 单位：mTab.1 Dimensions of geometric model for simulation of the pulverizer flow field
图2为磨煤机的风环结构，原始风环结构如图2a)所示。为提高风环出口风速，通常会在风环上方安装节流环[7]，带节流环的风环结构如图2b)所示，根据数值模拟结果提出的改进风环结构如图2c)所示。该风环结构将节流环在圆周方向上对气流的遮挡，改为在半径方向上的遮挡，可增加气流的水平旋转速度、提高风环出风口风速并改善磨煤机内部流场均匀性。改进后的风环出风口面积和采用节流环的风环出风口面积相等。
图2 磨煤机的风环结构Fig.2 Structure of the throat in pulverizer
1.2 流体模型
HP1163中速磨煤机一次风保证出力通风量为41.97 kg/s，最大通风量为43.72 kg/s，一次风温度为325 ℃，入口干燥介质温度为245 ℃[15]。一次风入口若采用质量边界条件，收敛性不好，将质量边界条件转换为速度边界条件。出口为空气域柱体上表面，取常压边界条件，限制回流。其他所有壁面为非滑动壁面。分离器转子位置切割出一个锥台区域，作为动态旋转域。锥台区域尺寸稍大于分离器转子，底面半径为1 400 mm，顶面半径为1 900 mm，高为1 349 mm。磨盘及风环位置切割出一个圆柱区域，作为动态旋转域。圆柱底面半径为1 950 mm，高为600 mm。分离器与磨盘转速分别为60、30 r/min，旋转方向为俯视顺时针方向。
由计算可知，245 ℃时中速磨煤机的通风量为41.97 kg/s，对应的入口速度为38.58 m/s。经计算，雷诺数为26.23×105，磨煤机内空气的流动为湍流流动，选用Realizablek-ε湍流模型。由于要考虑温度变化对风速的影响，将流体设定为可压缩流体。控制方程为：
式中：k为湍流动能；
ε为湍流耗散率；
ρ为空气密度；
u为空气速度矢量；
p为空气压力；
I为单位矩阵；
K为黏性应力张量；
F为体积力；
μ为动力黏度；
μT为湍流黏度；
σk和σε分别是k和ε的湍流普朗特数；
C1和Cε2是常数。
1.3 传热分析
磨煤机内部的传热过程非常复杂，模拟难度很大，考虑到主要关注的不是空气的温度变化，而是空气温度变化对流场可能产生的影响，故对传热问题做如下简化：
入口干燥介质温度为245 ℃，出口风温为76 ℃，将各种吸热、散热条件全部忽略，统一简化成一个体热源，该体热源可将热风温度从入口的245 ℃降到出口的76 ℃。考虑到一次风室只有器壁散热，对热风降温贡献较小，一次风与煤粉的激烈换热过程集中在风煤混合接触后的一小块区域内，热风温度下降100 ℃的激烈换热距离仅为60 mm[10]，故体热源从磨盘上方开始施加。
设体热源Q为：
式中：Q为体热源发热量；
T为温度；
k为待定系数，经过循环尝试，确定k=10 000。
传热控制方程为：
式中：Cp为空气热容；
T为温度；
q为热流密度。所有界面均设定为绝热界面。
1.4 煤粉颗粒运动模型
忽略煤粉颗粒对空气的反作用，煤粉颗粒的运动方程为：
式中：mp为煤粉颗粒质量；
v为颗粒速度；
t为时间；
Ft为煤粉颗粒受到的拖曳力，见式(9)。
式中：u是颗粒所在位置的流体速度；
τp是煤粉颗粒的速度响应时间，见式(10)。
式中：ρp是煤粉颗粒的密度；
dp是煤粉颗粒的直径。
考虑到计算量的缘故，每次从磨盘边缘处释放100个煤粉颗粒，计算煤粉颗粒的运动轨迹，煤粉颗粒密度取1 800 kg/m3[2]。分别在一次风室底部、磨盘表面、磨煤机内部2 800 mm高平面上对煤粉颗粒进行捕捉统计。
1.5 网格无关性分析
为分析网格划分对模拟结果的影响，对原始风环的模型采用3组不同数量的网格进行流场计算。在风环上方圆周处取一个圆进行空气流场速度测量，圆的半径为1 730 mm，纵坐标为240 mm。对圆周上空气流场的平均速度、最大速度、最小速度进行比较，结果见表2。由表2可知，随着网格数量的增加，平均速度及最大速度增大，最小速度减小，但变化幅度均不大，平均速度偏差为4.5%，最大速度偏差为6.0%，最小速度偏差为-6.4%。
表2网格数量对风环上方圆周速度的影响Tab.2 Influence of mesh number on circular velocity above the throat
图3为3种磨煤机风环结构磨盘边缘外50 mm处圆周上的速度分布，此处为风环出口上方。由图3可见：采用节流环的风环，在圆周方向上缩小了风环出口通风面积，有效提高了风速，主要提高的是竖直方向速度分量（图3b)）；
改进后的风环，在径向方向上缩小了风环出口通风面积，也使风速得到了提高（图3a)），主要提高了水平速度分量（图3c)）。竖直方向速度分量提高，有利于携带煤粉颗粒向上运动；
水平方向速度分量提高，有利于增强旋转，使煤粉颗粒贴近磨煤机外壁运动。
图3 磨盘边缘外50 mm处圆周上的速度分布Fig.3 Velocity distribution on the circle 50 mm away from edge of the table
从图3还可看出，风环出口速度的分布是不均匀的。已有多位研究工作者通过数值模拟方法发现了这种速度的不均匀性[5,7,12]，并提出了一次风改为两侧或者多侧切向吹入、在一次风室加装挡板及堵住部分出风口等一些改善方法[12]，但速度的不均匀性不仅仅存在于风环出风口附近。
图4为磨盘表面到分离器下方中截面上的竖直方向速度分量等值线。由图4可见：在磨煤机舱壁附近，气流方向向上，位于这一区域的煤粉颗粒将在气流的带动下向上运动；
而在磨煤机中心部位，气流方向向下，形成了和煤粉颗粒输送方向相反的环形流动，这一现象已在其他学者的模拟工作中被发现[2]；
通过对比发现，带有节流环的风环形成的流场中，反向的环形流动区域更大，流速更高；
而改进后的风环形成的流场中，反向的环形流动区域更小，流速也较低。
图4 磨盘表面到分离器下方中截面上的竖直方向速度分量等值线Fig.4 Verticle velocity component contour on middle section from the table to the separator
图5为高度2 800 mm位置的速度等值线。由图5可见：原始风环形成的流场，速度分布不均匀，低速区面积较大，而且扩展到整个横截面上（图5a)）；
采用带节流环的风环，使气流速度有所提高，但并未改善流场速度分布均匀性，低速区范围稍有收缩，但仍存在于整个横截面上（图5b)）；
采用改进后的风环，不仅提高了流场速度，而且流场速度分布更加均匀，速度等值线呈环形分布，低速区被局限于磨煤机中心区域，且低速区面积较小（图5c)）。当磨煤机内部流场速度分布不均匀、存在较大低速区时，较细的煤粉颗粒也可能由于气流携带能力不足而落回到磨盘，重新参与碾磨。这不仅会降低磨煤机出力，而且会恶化碾磨条件，增加单位煤粉电耗，甚至引发火灾和爆炸[2]。
图5 高度2 800 mm位置的速度等值线Fig.5 Velocity contour at 2 800 mm height
图6为直径10 μm煤粉颗粒在磨煤机中的运动轨迹。由图6可见：采用原始风环和带节流环的风环的磨煤机中，落入磨盘的煤粉颗粒较多，输送到高处的煤粉颗粒在整个空间中都有分布；
采用改进后风环的磨煤机中，落入磨盘的煤粉颗粒较少，输送到高处的煤粉颗粒主要分布在磨煤机舱壁附近。
图6 直径10 μm煤粉颗粒在磨煤机中的运动轨迹Fig.6 Trajectories of 10 μm coal particles in the pulverizer
图7为在磨煤机不同位置捕获到的煤粉颗粒的比例和煤粉颗粒直径的关系。如图7a)所示，原始风环出风口速度低，不足以将大颗粒煤粉吹起，直径大于600 μm的煤粉颗粒开始落入一次风室，成为石子煤，其比例随煤粉颗粒直径增加而迅速增大，当煤粉颗粒直径大于1 000 μm后，几乎全部落入一次风室。而带节流环的风环和改进后的风环出口风速高（图3），大直径煤粉颗粒落入一次风室的比例明显降低。改进后的风环控制大直径煤粉颗粒落入一次风室的效果比带节流环的风环更好。风环改进后，回落到磨盘上的和输送到磨煤机上部的大直径煤粉颗粒比例都更高（图7b)、图7c)）。
当煤粉颗粒直径在100～600 μm时，在采用改进后风环的磨煤机中，回落到磨盘的比例最低（图7b)），这是由于采用改进后风环的磨煤机流场的携带能力更强，将更多的煤粉颗粒输送到了磨煤机上部（图7d)）。这部分被输送到磨煤机上部的大直径煤粉颗粒将在分离器的作用下被分离出来，回落到磨盘上重新研磨。
图7 磨煤机不同位置捕获到的煤粉颗粒的比例与煤粉颗粒直径的关系Fig.7 Relationship between ratio of coal particles captured at different sites of the mill and the coal particle dimeters
由图7b)还可看到，直径在几十μm到100 μm范围内的煤粉颗粒，几乎不会回落到磨盘上，而是都被输送到磨煤机上部（图7d)）。但是，更小直径的煤粉颗粒回落到磨盘上的比例却增加了，特别是采用原始风环的磨煤机中，这一现象更为严重（图7b)）。将图7b)中煤粉颗粒直径100 μm以下部分放大，如图7c)所示，可以清楚地看到，采用原始风环，小直径煤粉颗粒有一部分会回落到磨盘上，被重新研磨，并随着煤粉颗粒直径的减小，回落的比例增大。原始风环形成的流场水平方向速度分量小，旋转作用弱，小直径煤粉颗粒惯性小，不易在离心力的作用下进入磨煤机舱壁附近的上升气流中，而是容易进入磨煤机中部低速区（图6a)），在反向气流的带动和自身重力作用下，沉降到磨盘上，并且这种倾向会随着煤粉颗粒直径的减小而增大。带节流环的风环形成的低速区虽然有所减小，但速度分布均匀性并未改善，因此仍存在小直径煤粉颗粒沉降问题。改进后的风环形成的流场水平速度增大，气流旋转作用增强，低速区范围减小，同样尺寸的煤粉颗粒其旋转运动比在原始风环和带节流环的风环形成的流场中更强，更易在离心力的作用下进入磨煤机舱壁附近的上升气流中，被输送到高处（图6c)）。
1）在磨煤机中部会形成方向向下的气流，导致小直径煤粉颗粒发生沉降。带有节流环的风环形成的流场中，反向的环形流动区域更大，流速更高；
改进后的风环形成的流场中，下沉气流区域更小，下沉速度更低。
2）采用节流环的风环，主要提高的是流场竖直方向的速度分量；
改进后的风环提高了流场水平速度分量，可以在磨煤机内获得更高的旋转速度，使煤粉颗粒贴近磨煤机外壁运动，从而使煤粉颗粒更容易进入上升气流区。
3）采用节流环的风环，使气流速度有所提高，但并未改善流场速度分布均匀性；
改进后的风环大幅度减小了低速区范围，而且使速度分布更加均匀，在防止小直径煤粉颗粒沉降方面的作用更强，可以有效降低单位煤粉电耗，防止发生火灾和爆炸。
4）改进后的风环减少石子煤的效果比带节流环的风环更好。
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