張偉麗 馬國興 劉運華

(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、工藝簡單、污染小等優(yōu)點。立磨進(jìn)行生產(chǎn)過程中，立磨本身的系統(tǒng)參數(shù)會對生產(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MLS3626進(jìn)行數(shù)值模擬得出物料在重力分級下較為理想的系統(tǒng)風(fēng)量，對實際生產(chǎn)設(shè)計優(yōu)化提出參考意見。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)量為研究對象，分析了立式磨內(nèi)腔的氣流運動規(guī)律，并分析了氣流速度和壓力與磨粉體運輸和分離的關(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)系處理動葉片轉(zhuǎn)動過程，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)流動狀態(tài)。Eswaraiah C 等[5]獲得了循環(huán)空氣分級器中，在兩種不同流動條件下輕質(zhì)片狀物質(zhì)(稻殼)和致密物質(zhì)(粉煤灰)的分級數(shù)據(jù)得到分級效率變化曲線。

對比上述文獻(xiàn)所做的研究，因為離散相顆粒會對氣相流體的分布產(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算方法，以HRM22.2X 立式磨整機(jī)為研究對象，建立三維模型，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε作為湍流模型，針對腔體內(nèi)部氣固顆粒運動軌跡采用DPM 模型的顆粒運動方程對時間積分進(jìn)行求解，為解決選粉機(jī)在垂直方向的穩(wěn)態(tài)難點采用MRF多重參考坐標(biāo)系進(jìn)行計算。通過多組理論參數(shù)的設(shè)定，將模擬結(jié)果與生產(chǎn)實際相結(jié)合，得出最佳的立磨系統(tǒng)風(fēng)量，為設(shè)計生產(chǎn)提供理論參數(shù)。

1 工作原理及顆粒分級原理

立式輥磨機(jī)基本的工作原理是：電機(jī)帶動聯(lián)軸器使連接的減速器帶動磨盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動，磨輥通過滾動對磨上的物料進(jìn)行碾磨，產(chǎn)生的細(xì)料被來自入風(fēng)口的氣流帶入分級區(qū)，通過分級結(jié)構(gòu)的篩選，粗顆粒會重新落入磨盤繼續(xù)碾磨，符合要求的細(xì)顆粒會被分級機(jī)構(gòu)送入收塵設(shè)備，繼而實現(xiàn)整個作業(yè)流程。HRM22.2X 立式輥磨機(jī)的三維結(jié)構(gòu)簡圖如圖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動，與靜葉片碰撞造成能量損失，同時在重力作用下，沿灰斗重新進(jìn)入磨盤，當(dāng)介質(zhì)阻力大于離心力，顆粒會向回轉(zhuǎn)中心運動，符合粒徑要求的細(xì)顆粒被分離，實現(xiàn)分級[6]。

2 計算模型

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，磨腔內(nèi)部為發(fā)展非常充分的湍流流動，通過引入湍動能耗散率因此選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。其主要的湍動能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)生的湍動能k的增加項；

Gb——由于浮力導(dǎo)致的湍動能k的項；

YM——可壓湍流脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；

σk和σε——分別是與k和ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；

Sk和Sε——用戶定義源項。

式(5)中對于不可壓流體，不考慮用戶定義源項，Gb=0，YM=0，Sk=0，Sε=0時模型參數(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值相對湍流臨界值較大，磨腔內(nèi)部流場流動形式主要是湍流，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。對于顆粒在立磨腔體內(nèi)的運動軌跡，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——相對雷諾數(shù)；

Fx——其它相間單位質(zhì)量作用力；對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，兩相之間相互影響，包含熱量、質(zhì)量、動量的相互交換，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，故對于雙向耦合作用今需要考慮動量交換的影響。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——時間步長，s。

2.4 多參考坐標(biāo)系模型

通過MRF模型模擬選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程，將選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程近似為定常運動。MRF 模型就是在分界面利用從移動參考系到絕對慣性系的轉(zhuǎn)換對速度和速度梯度進(jìn)行計算，其轉(zhuǎn)換計算公式如下：

3 數(shù)值模擬

3.1 模型網(wǎng)格

根據(jù)三維軟件對HRM22.2X 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并根據(jù)實際的流體流動情況進(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 立式磨流場邊界條件如表1所示。

表1 HRM22.2X 立式磨流場邊界條件

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，計算得平均粒徑為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)量對立磨流場和分級篩選性能的影響分析

系統(tǒng)風(fēng)量是立磨生產(chǎn)中的一項重要設(shè)計參數(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)量對立磨流場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，提高分級篩選性能，將從系統(tǒng)風(fēng)量這一系統(tǒng)參數(shù)對立磨流場和分級篩選性能影響進(jìn)行分析。

4.1 系統(tǒng)風(fēng)量對立磨流場的影響

結(jié)合已有的立磨氣固兩相流分析研究[10]及筆者研究對象，在動葉片轉(zhuǎn)速及其他參數(shù)不變的前提下，研究系統(tǒng)風(fēng)量對立磨流場和分級篩選性能的影響規(guī)律。結(jié)合生產(chǎn)實際選擇動葉片轉(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起點坐標(biāo)P1(-1.289，0.042，0)，終點坐標(biāo)P2(-1.129，0.199，0)，從Fluent中導(dǎo)出line3上各點速度大小，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，在同一系統(tǒng)風(fēng)量的情況下，line1上給點從P1到P2速度變化過程是先增大，然后逐漸減小，同時在x=-1.235處出現(xiàn)速度峰值，這主要是氣流經(jīng)過下風(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，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，這說明該處結(jié)構(gòu)固定，系統(tǒng)風(fēng)量的變化不會對該處流場分布產(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，通過仿真軟件統(tǒng)計模塊得到不同系統(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)域壓損相對于風(fēng)環(huán)區(qū)域壓損有較為明顯的損失，這是因為隨著系統(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，由于大多數(shù)顆粒已經(jīng)滿足生產(chǎn)要求，此時選粉機(jī)區(qū)域產(chǎn)生的壓損增加，主要是因為氣固兩相流速度增大與靜葉片、動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)量對立磨篩選性能的影響

隨著系統(tǒng)風(fēng)量不斷增加，氣體對顆粒的托力增大，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)生的向心力以及動葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的影響，同時風(fēng)量對于該區(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)量變化對于分級性能的影響，物料顆粒取實際生產(chǎn)中晉級停機(jī)狀態(tài)下磨盤邊緣中心對稱6個位置物料，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，在雙向耦合計算收斂之后，對選粉出口的物料數(shù)量進(jìn)行離散相顆粒統(tǒng)計，不同系統(tǒng)風(fēng)量下粒徑≤45μm 分級效率以及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 分級效率卻隨風(fēng)量增大而降低。立磨實際生產(chǎn)運行中應(yīng)該保證成品中粒徑≤45μm 分級效率符合實際生產(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

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

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

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)域壓損也會逐漸增大，通過仿真數(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。