湍流磨煤机
本文针对上述研究不足，选取一台 ZGM95G型中速磨煤机作为研究对象，采集了不同工况下的石子煤样本并进行了详细的化验分析，填补了国内石子煤研究数据的不足。湍流磨煤机图 5 给出了 3 个工况下 36 个喷嘴环处流量的分布，可以看到，6 号喷嘴环和31 号喷嘴环附近区域是2 个低流量区，其他喷嘴环的流量基本处于同一水平，而流量小的喷嘴环其流量比 70 中 国 电 机 工 程 学 报 第30 卷 0.60 0.50 0.40 0.30 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36喷嘴位置号 图5 3 种工况下各喷嘴环质量流量分布 Fig. 5 Mass flow distributions of nozzle rings under different working conditions 其他喷嘴环低1/3 左右。由于在磨煤机内一次 第23 期 朱宪然等：中速磨煤机的石子煤特性研究 69 1 号喷嘴环 18 号喷嘴环 27 号喷嘴环9 号喷嘴环图2 喷嘴环结构示意图 Fig. 2 Sketch of nozzle rings 风与煤粉的混合和传热、传质过程基本上发生在喷嘴环之上的位置，而本文的目的主要是研究喷嘴环处的流场对石子煤排放的影响，故为简化计算，本文的数值模型只进行磨煤机内的流动模拟，不进行传热模拟。石子煤直径较大时，密度对石子煤排放量的影响逐渐显著，此时密度越大，石子煤排出的量越多。固体颗粒直径较大时，密度对石子煤排放量的影响逐渐显著，此时密度越大，石子煤排出的量越多。低流量区的存在也意味着该区域一次风携带煤粉和石子煤的能力较低，从这2 个区域落向一次风室的石子煤比其他区域更多。
4）在粒径较小的情况下磨煤机内的固体颗粒基本上都能被一次风携带出磨煤机，而随着粒径的增加，排出石子煤的量也逐渐增多。多数固体颗粒在射入磨煤机后很快即被一次风携带出磨煤机，有少数则经过喷嘴环落入一次风室而成为石子煤。湍流磨煤机 3 结论 本文以 ZGM95 型中速磨煤机为对象，采集了不同工况下的多个石子煤样本，并进行了实验室化验分析。在中速磨煤机内，气相一次风所占的体积百分比要远高于固相石子煤的体积比，且固相是以离散颗粒的形态存在，故本文采用 DPM 模拟石子煤的排放情况。为减少计算量，模型并未包括磨煤机顶部的分离器，并对磨辊处的内部结构进行 入口风道 一次风入口上部空间 一次风室 喷嘴环图1 ZGM磨煤机数值模型 Fig. 1 Numerical model of ZGM medium speed mill 了简化。在DPM 中设置固相射入面时，与实际情况相近，以喷嘴环上方一个有一定锥度的环形面作为射入面，在DPM中该射入面为cone 型。
本文的石子煤实验室分析结果丰富了我国石子煤研究的数据。可以看到，在喷嘴环后由于一次风为旋转向上，故固体颗粒的运行趋势也是旋转向上的。 5）根据数值模拟结果，可有针对性地对中速磨煤机开展喷嘴环改造、风室改造以及防磨处理等工作，以使磨煤机的石子煤排放更加合理。 1 石子煤化验分析 本文收集了我国华北某电厂同一机组、不同68 中 国 电 机 工 程 学 报 第30 卷 ZGM95 型磨煤机在不同时段排放的大量石子煤试样，经过初步筛选形成了7 份较有代表性的石子煤 样本。 2.4 中速磨煤机改造建议 本文的模拟可精确分析石子煤的排放，对中速磨煤机的改造具有极为现实的指导意义。湍流磨煤机将磨煤机内的一次风流动视作不可压缩、定常湍流流动，湍流模型采用了对近壁区处理更为精确的RNG k-ε模型，近壁区的处理采用壁面函数法。
一次风从磨煤机一侧吹入并由此产生的 2 个漩涡对磨煤机的性能影响很大，因为这意味着一次风室内的一次风静压是不均匀的，也即36 个喷嘴环入口处的静压是不均匀的。 2）由于一次风从磨煤机的一侧吹入，因此造成36 个喷嘴环处的入口静压和流量不均匀，流量小的喷嘴环的流量比其他喷嘴环低1/3 左右。湍流磨煤机本文中固体颗粒的数目选择为 10，并将其简化为一定直径的球形颗粒。 1）模拟结果显示，由于一次风是从磨煤机一侧吹入且在一次风室内形成漩涡，故不同喷嘴环的入口静压和流量均有不同。模拟时，先计算气相场即一次风的流动，再计算固相场即石子煤的流动。由于所选磨煤机的工况相差并不太大，而石子煤样本从外观上表现出如此大的区别，在一定程度上说明由于我国国内电厂存在着煤质变动较大、较频繁等情况，石子煤已不再仅仅是传统认识上的煤矸石，而是混杂了石块等多种物质，需对其重新认识和探讨。
首先，由于我国电厂实际燃用的煤种多变且与设计煤种有较大区别，石子煤的成分千差万别，且其排放过多或过少往往引起磨煤机着火或严重磨损等问题[2-3]。 2.3 固相模拟结果 由于在磨煤机内石子煤占的体积比例极低，故在利用 DPM 进行固相模拟时，并未考虑固体颗粒与气相场之间的耦合关系。 FLUENT 中，离散相模型(discrete phase model，DPM)用于模拟体积比例小于 10%~12%的固相流动。另外，在喷嘴环上方的一个环形区域内，还有极少量的固体颗粒长时间在此做周向的旋转运动，对比磨煤机实际的内部结构，此区域大致对应磨煤机的回煤导流环的位置。湍流磨煤机 3）模拟结果表明喷嘴环处风速，验证了喷嘴环处的风速是影响中速磨煤机石子煤排放的一个主要因素。模型的尺寸与磨煤机实际尺寸一致，其中共有36 个喷嘴环，根据位置将此36 个喷嘴环编号，其中正对一次风入口方向的为1 号喷嘴环，以俯视磨煤机时顺时针方向依次为 2~36 号磨煤机，喷嘴环模型和位置编号如图2 所示。
利用 FLUENT 程序对中速磨煤机内的流场进行模拟，结果显示，由于一次风是从磨煤机一侧吹入，导致不同喷嘴环处的入口静压和流量呈不均匀分布。3 个工况下的模拟结果在流场分布和喷嘴环流量分布上有相同的规律。国内学者也将数值模拟在电厂诸多方面进行了研究与应用[12-13]，但尚未涉及到制粉系统的模拟。湍流磨煤机因此，无论国内还是国外，石子煤成分和排放特性的研究数据极其缺乏，给石子煤的排放控制带来困难。 2.2 气相模拟结果 根据收集的磨煤机运行参数，本文选定中速磨煤机具有典型性的60%、80%、出力3 种运行工况作为模拟研究工况，3 种模拟工况的具体参数及在FLUENT 中设定的参数如表3 所示。由于一次风是从磨煤机一侧吹入，且由入口风道一次风室的流动是一个突扩的过程，因此，入口风道与一次风室相交处左右2 侧不可避免地出现了2 个小型漩涡，如图3 中漩涡1 和漩涡2 所示。
而石子煤试样的低位发热量值都非常低，远远低于文 献[14]规定的排放值6.27MJ/kg，但是根据采集时的统计石子煤的排放量却均已远远超过了中速磨煤机额定出力0.05%的规定值。湍流磨煤机可以看到，一次风进入磨煤机后首先在一次风室内均匀混合，然后进入喷嘴环，由于喷嘴环形状为倾斜向上，因此一次风在流过喷嘴环后呈现旋转上升的趋势。目前许多电厂为了控制石子煤排放量，都采取直接减小喷嘴环通流面积的方法，这些无法分离出来的石子煤都将被终磨成颗粒，铁含量的增多势必会增加磨煤机的碾磨电耗。因此，在模拟过程中本文选取了足够多的固体颗粒，观察其运动的统计规律。为了更为真实地模拟磨煤机内的固相场，本文考虑了湍流脉动性对粒子轨迹的影响，采用随机轨道模型跟踪颗粒的轨迹。根据结果可对磨煤机内相应区域进行防磨处理，如加装防磨衬板等。