不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟

研究开发不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟袁书林，陈海焱（西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010）摘 要：为研究流化床气流粉碎机在不同工质下内部流场的变化，利用 FLUENT 流体计算软件对流化床气流粉碎分级机进行整体建模。对不同工质的模拟结果表明：不同工质下气流动压相差不大，但分子量越小的工质经 过 Laval 喷嘴得到的喷嘴出口速率越大，同时粉碎腔内的引射气流速率越大，颗粒进入轴心速率区的概率也增 大，故分子量小的工质能有效提高粉碎效率。不同进口压力和背压对气流速率影响的模拟结果表明，提高进口 压力，气流速率明显提高；增大负压对提高气流速率不明显。关键词：流化床气流粉碎机；流场；数值模拟中图分类号：O 242.1；TB 115文献标识码：A文章编号：1000-6613（2010）06-1004-05Numerical simulation of fluid bed jet mill under different working mediaYUAN Shulin，CHEN Haiyan（Department of Materials Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）Abstract：Based on integral modeling method，FLUENT software was used to simulate fluidized bedjet mill to explore the changes in internal flow field under different actuating medium. Simulation results showed that there is little difference in air flow velocity pressure with different actuatingmedium，while a higher outlet velocity can be obtained when actuating medium with lower molecularweight flow through the Laval nozzle. Meanwhile，higher velocity of injective air in grinding chamber provides more chance for particles to enter the axial velocity area. Therefore，anactuating medium with lower molecular weight can increase the grinding efficiency effectively. Simulation results for different inlet pressure and back pressure on grinding airflow showed that theairflow velocity increases obviously with the building up in the inlet pressure，but less effected by thebuilding up in the back pressure .Key words：fluid bed jet mill；flow-field；numerical simulation热蒸汽和惰性气体。陈海焱等2认为蒸汽气流磨的能耗远远小于空气气流磨，蒸汽气流磨的粉碎力大 大高于空气气流磨。吉晓莉等3分析了气流磨中工质种类和状态对能耗和效率的影响，表明蒸汽与空气流粉碎技术在国外已有近一个世纪的历史，而我国在 20 世纪 80 年代才开始研究1 。纵观气流 粉碎与气流分级技术的开发研究现状，大部分集中 在应用开发、气流粉碎分级设备的形式、各种操作 参数对气流粉碎分级性能的影响方面，而关于气流 粉碎和气流分级的机理、气流粉碎和分级流场的特 性、甚至结构参数的研究还很不成熟。我国气流粉 碎技术主要是仿制设备，有关气流粉碎和气流分级 技术的理论研究及成果极少。气流粉碎最常用的工质有 3 种：压缩空气、过收稿日期：2009-10-09；修改稿日期：2009-11-06。基金项目：“十一五”国家支撑计划重大项目（2006BAF02A24）资助。 第一作者简介：袁书林（1981），男，硕士研究生，主要从事固体 废物资源化研究。E-mail 。联系人：陈海焱，教 授，主要从事超细粉碎、气流分级技术，通风除尘的研究与设备开发。 E-mail 。第 6 期袁书林等：不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟1005气相比具有压强高、临界速率高、能量利用率高、粉碎强度大等优点。Zhao 等4利用水平圆盘式气流 磨实验研究了氦、水蒸气、空气和二氧化碳作介质 对物料粒度的影响，结果表明：分子量小的气体能 研磨出更细粉体，在相同的能耗下，分子量越小的 研磨气体得到的物料产量越高。但文中未从不同工 质时气流磨的流场变化对粉碎效率的影响给予理 论上的解释。近年来，对流体速率、气固流的浓度 和 粒 子运行 轨 迹的测 量 ，虽然 有 热膜风 速（HWFA）、激光多普勒流速仪（LDV）、粒子成像 速率场仪（PW）、高速摄影（HSSV）测量等新的 技术手段，但对高速的超音速流场和高速旋转的分 级流场的测量仍然十分困难。所以通过数值模拟分 析气流粉碎机内部流场对气流粉碎分级理论研究 是必要的，目前国内对气流粉碎分级机的数值模拟 主要限于对气流粉碎机的喷嘴、分级机分开建模， 对气流粉碎分级机整体建模分析流场在文献中鲜 见报道。本文作者利用计算流体力学软件 FlUENT5，建 立流化床气流粉碎分级机的三维几何模型，对比不 同工质下气流粉碎机的流场变化和分布，对不同工 质下粉碎效率差异给予解释；通过模拟分析不同进 口压力和背压对流场的影响，可为气流磨系统结构 参数设计及系统优化配置提供理论依据。1数值计算方法1.1物理模型流化床气流粉碎分级机将高速气流与物料分 路进入粉碎室，避免了颗粒与管路的碰撞和摩擦， 大大降低了喷嘴和管路的磨损；在粉碎室，颗粒流 的对撞降低了颗粒对腔体的磨损；粉碎后达到要求 的颗粒及时经涡轮分级机分离，大大降低了过粉 碎，提高了能量的利用率；易于实现粉碎和分级一 体化，提高效率6 。流化床气流粉碎分级机模型 结构如图 1 所示：粉碎区高度约为 500 mm，腔体 直径为 300 mm，平面（BB 面）为 3 个喷嘴圆周 均布的面，圆心为粉碎腔喷射中心，坐标为（0，0，0）， Y=0 平面内喷嘴进口中心坐标为（181.5，0，0）， 喷嘴出口中心坐标（90，0，0）。模型模拟气流 粉碎流场，忽略进料口、二次分对流场的影响。 分级区总高度为 400 mm，上部圆柱筒体直径350 mm，分级叶轮最大回转直径为250 mm，叶片为 直叶片，高度为 152 mm，宽度为 30 mm，厚度为3 mm。图 1 流化床气流粉碎模型1.2计算网格气流粉碎分级机分为 4 部分进行建模：Laval喷嘴（nozzle）、分级区（lower）、叶轮与轴间的环（loop）、叶片流动区域（rator）。GAMBIT 可生成结构化网格、非结构化网格和 混合网格等多种类型网格，具有良好的自适应能力，能对网格进行细化或粗化，生成连续或不连续网格。 根据各个部分的结构形式，采用不同的网格划分形式：Laval 喷嘴采用结构化网格；分级区结构复杂， 采用混合网格和非结构化网格形式；叶片与轴间的环采用非结构化网格；叶片间流动区域采用结构化 网格。在喷嘴出口、分级机叶片进口使用局部网格加密技术，应用壁面函数法对壁面进行网格划分。1.3边界条件与数值方法喷嘴进口设为压力进口（pressure-inlet），出口 设为压力出口（pressure-outlet）；叶轮边壁设置 为旋转 wall，旋向为顺时针 z =1（俯视）；叶片 流动区域设为旋转流体，旋转速率设为 1800 r/min， 旋向同上。其余边界条件保持默认设置。本研究暂 不对分级机模拟结果进行讨论。模型外壁要考虑传 热，传热系数为 50 W/（m2K），外界温度 303 K。 分别选取空气、蒸汽等不同工质进行模拟计算， 均为可压缩流体，Materials 中的 Density 项设为 ideal-gas，Cp 按 piecewise-polynomial 计算，其余 条件保持默认设置。模型采用 FLUENT 的分离隐式稳态求解器、 k- 紊流模型、压力和速率耦合采用 SIMPLE 修正 算法，各参数的离散采用二阶迎风格式。1006化工进展2010 年第 29 卷质从喷嘴进口到粉碎中心的动压变化，表明不同工质的动压差异不明显，这说明速率越大，越能将颗 粒加速到较高的速率。此模型已经建成蒸汽气流粉碎分级试验系统，系统利用火电厂低品位过热蒸汽，以四川江油巴蜀电厂低等级干排粉煤灰为原料，结 果表明，以过热蒸汽为介质的气流磨能耗低粉碎力 大，过热蒸汽粉碎工艺可以低成本、规模化地对低 等级粉煤灰进行超细粉碎，能有效粉煤灰活性7。 不同工质下喷嘴进口中心到粉碎腔中心沿 X 轴 方向的速率变化趋势是一致的，气流速率在喷嘴喉 部达到音速，但速率的最大值不是在喷嘴出口，而 是出现在远离喷嘴出口几毫米处（如图 4），原因 是气流经喷嘴出口后，体积会继续膨胀，压强下降 速率继续增大。从喷嘴出口到之后的 40mm 的距离 内气流会产生 W 形状的激波，激波造成速率的上下 震荡。激波产生的原因是模型中喷嘴出口背压与喷 嘴理论计算状态出口截面的压强不一致。当喷嘴出 口背压为喷嘴理论计算状态出口截面的压强时，才 能获得最大的射流速率；若背压偏离此值，在喷嘴 附近会出现不同强度、不同位置的激波，使气流速 率和气流动压降低。当然，也有认为气流粉碎过程 中产生的激波对提高粉碎效果有利8，但这种观点未得到论证。从图 5 中可以看出，不同工质的速率变化不一 样，从喷嘴出口起喷射距离为 70 mm 的这段内， 不同工质的速率衰减相对缓慢，颗粒通过这段距离 的加速得到很高的颗粒碰撞速率，实现粉碎。空气 的速率变化范围为 514400 m/s；蒸汽的速率变化 范围为 914625 m/s；因为氮气的分子量和空气的 接近，所以速率变化曲线几乎重合，氦气的分子量 最小速率变化范围为 13341000 m/s。在之后的20 mm 距离内速率急剧衰减，原因是三股气流2 计算结果与分析2.1 不同工质气流粉碎速率的变化分别选用空气、蒸汽、氮气、氦气为工质模拟， 进口压力为 0.5 MPa（文中所用压力均为相对压 力），出口背压为5000 Pa，空气、氮气、氦气进 口温度为 300 K，蒸汽进口温度为 570 K。FLUENT 的计算结果导入后处理软件 Tecplot 生成 X-Y 图。如图 2 所示为过热蒸汽在喷嘴平面（图 1 中的 BB 截面）的速率云图，其它工质的速率云图略。 云图速率分布是一个典型的拉伐尔喷嘴的速率分布，在喷嘴出口处产生了超音速气流。空气、氮气、 蒸汽和氦气经过喷嘴加速得到的最大速率分别是514 m/s、523 m/s、914 m/s、1334 m/s，过热蒸汽工 质的是空气工质的 1.78 倍，氦气工质的是空气工质 的 2.6 倍。表明工质的分子量越小，经过喷嘴得到 的速率越大，小分子量的气体能研磨出更细粉体， 这与文献4的试验结果吻合。如图 3 所示为不同工图 2 过热蒸汽速率云图图 3 不同工质下喷嘴进口到碎粉中心动压图图 4 不同工质下喷嘴出口到粉碎中心速率图第 6 期袁书林等：不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟1007图 5 不同工质下喷嘴进口到粉碎中心速率图图 7 不同工质下喷嘴出口到粉碎中心静压图在粉碎中心相互碰撞抵消，形成负激波加剧气流速率的衰减。2.2 不同工质下粉碎腔内引射气流变化情况流化床气流粉碎依靠喷嘴出口高速气流引射 颗粒进行加速，加速后的颗粒在流化床的中心相互 碰撞实现粉碎，因此颗粒被有效地加速，并在其最大速率下实现碰撞是提高气流粉碎效率的重要条件。为研究不同工质的引射气流速率的大小，在喷 嘴出口从（85，20，0）到点（85，20，0） 取 Y 方向速率直线，如图 5 所示。Y 方向的速率代 表引射气流速率，分子量小的工质喷射速率越大， 引射气流速率也越大，颗粒进入轴心速率区的概 率更大，故分子量较小的工质能有效提高物料的 粉碎效率。2.3 喷嘴出口到气流粉碎中心静压数值变化取喷嘴出口中心到气流粉碎中心的静压值，见 图 7，可见喷射气流的最大负压出现在喷嘴出口几 毫米处，这与最大气流速率出现的位置是一致的；从喷嘴出口到之后的 50 mm 内静压曲线成波形图变化，趋势逐渐变缓，原因是产生 W 形状激波使压力急剧增高或减小；激波后静压出现一段稳定区，在喷射气流中心区由于受负激波的影响，压力又迅速 上升。不同工质的静压曲线变化规律一致。2.4 不同进口压力对粉碎气流速率的影响选用工质为空气，进口压力分别为 0.5 MPa、0.7MPa、0.9 MPa，出口背压为5000 Pa，进口温度为300 K 进行模拟。从图 8 可以看出，随着压力的增大，气流粉碎 速率增大，0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa 时得到的最大速率分别是 514 m/s、538 m/s、584 m/s；不同进口 压力下曲线的趋势一样，都会产生 W 形状的激波，0.7 MPa 和 0.9 MPa 的速率衰减较 0.5 MPa 时缓慢。 模拟采用的喷嘴设计马赫数是 1.95，如图 9 的模拟结果验证了喷嘴不同进口压力经相同设计马赫数的 喷嘴加速，喷嘴出口速率是一样的。在气流粉碎中物料颗粒的加速性能不仅与速率 有关，而且与流体密度相关。图 10 描述了不同压力下气流的动压变化曲线，虽然不同进口压力下喷嘴 出口处气流速率是一样的，但动压却相差较大。动压的衰减比速率的衰减激烈，这也就能解释气流粉 碎为何能耗大，效率低。图 6 不同工质下粉碎腔内引射气流速率图图 8 不同压力下喷嘴进口到碎粉中心速率图1008化工进展2010 年第 29 卷粉碎速率不明显。国内引风机的参数配置，除去系统阻力、分级机阻力和系统中颗粒的阻力外，粉碎 区的背压低于5 kPa 易于配置，引风机负压要求太 高，不仅难以配置，而且可能使风机能耗急剧增加， 除尘器承压要求急增。因此，要提高喷嘴的气流速 率，最好将粉碎腔内背压控制在合理的范围内，通 过提高喷嘴入口压力，来提高喷嘴出口的速率与 动压。3结论图 9不同压力下喷嘴出口到碎粉中心速率图（1）分子量越小的工质，经过 Laval 喷嘴得到更大出口速率和气流引射速率，过热蒸汽工质气流 速率的最大值是空气工质时的 1.78 倍；氦气工质气 流速率的最大值是空气工质时的 2.6 倍，所以分子 量小的气体能提高气流粉碎效率。（2）不同进口压力对粉碎气流的影响表明，随着进口压力的增大，气流速率有明显提高；不同进 口压力下经相同设计马赫数的喷嘴加速，喷嘴出口 速率相同，但动压却相差较大，而且动压的衰减比 速率的衰减激烈，这就能解释气流粉碎为何能耗大、 效率低。（3）增大负压对提高气流速率不明显，综合考 虑到目前国内袋式除尘器的承压能力和引风机系列 的流量与压力参数，最好将粉碎腔内背压控制在合 理的范围内，通过提高工质入口压力，来提高粉碎 效率。图 10不同压力下喷嘴进口到碎粉中心动压图2.5不同背压对粉碎气流速率的影响选用