SLK分級機(jī)兩種進(jìn)風(fēng)口的數(shù)值模擬與實驗

祝良明，李雙躍

（西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

為適應(yīng)粉體工業(yè)越來越高的分級要求，獲得性能優(yōu)良的分級機(jī)，學(xué)者們設(shè)計了各種類型的分級機(jī)[1-2]，并在應(yīng)用過程中對其結(jié)構(gòu)改進(jìn)對了大量的研究工作[3-4]。其中李進(jìn)春、李雙躍等[5]研發(fā)的SLK 分級機(jī)以其優(yōu)良的分級精度與分級效率在業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。SLK 選粉機(jī)在結(jié)構(gòu)上引入了異形葉片、新型氣動密封裝置和有效的顆粒預(yù)分散系統(tǒng)。其獨特的結(jié)構(gòu)使得其在高濃度的情況下仍能保持高分級精度、高分級效率，可廣泛適用于金屬、非金屬礦物與化工原料粉體的大批量處理。在SLK 的顆粒預(yù)分散系統(tǒng)中，采用了對側(cè)進(jìn)風(fēng)口的入口結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)相對于底部進(jìn)風(fēng)而言，具有良好的顆粒分散效果。在對側(cè)風(fēng)口的基礎(chǔ)上提出了環(huán)面進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)。本文作者采用數(shù)值模擬的方法，對分級機(jī)分別采用對側(cè)風(fēng)口、環(huán)面風(fēng)口時的送料筒內(nèi)氣流流場作了分析，同時進(jìn)行了風(fēng)口面積的單因素實驗，探討風(fēng)口速度分布對于分級粒徑、分級精度的影響。

1 兩種進(jìn)風(fēng)口時氣流在送料筒內(nèi)分布模擬

當(dāng)前對于單相流的模擬較為成熟，雖然存在著邊界設(shè)定等困難，但其結(jié)果依舊相對可靠，具有較高的參考價值。對于氣固兩相流主要采用離散相和多相流模型進(jìn)行模擬，其困難程度加大。同時即使在送風(fēng)筒內(nèi)引入顆粒相，進(jìn)行了氣固兩相流模擬，也難以使用確切指標(biāo)如分級粒徑與分級精度等進(jìn)行顆粒分散的評價。故本研究只對其氣流場進(jìn)行模擬分析，而對加入顆粒后的氣固兩相流不作模擬。

1.1 送料筒模型

1.1.1 物理模型

圖1 兩種進(jìn)風(fēng)口形式

物理模型如圖1 所示。對側(cè)進(jìn)風(fēng)形式結(jié)構(gòu)的兩側(cè)是矩形風(fēng)口，也可以是圓形風(fēng)口，此處采用 矩形風(fēng)口。環(huán)面進(jìn)風(fēng)形式的結(jié)構(gòu)則是采用環(huán)面風(fēng)口。對其兩個模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析以得到其內(nèi)部流場的一般規(guī)律。

1.1.2 數(shù)學(xué)模型

在Fluent 軟件中，有S-A、k-ε、k-ω 等幾種紊流模型。結(jié)合實際情況，選用在工程應(yīng)用最 為廣泛的 k-ε 模型。本研究的流體是可壓縮流 體——空氣。整個計算模型按單相流進(jìn)行模擬，所以有如式（1）～式（4）公式。

流場的動量守恒方程[6]

質(zhì)量守恒方程[7]

湍動能方程和擴(kuò)散率的輸運方程[8-9]

式中，Gk湍能體積生成率；ueff為有效黏性系數(shù)。其余各符號具體意義與注解請詳細(xì)參考引用文獻(xiàn)。

1.1.3 計算模型與網(wǎng)格劃分

由于模型較為簡單，直接使用Fluent 軟件的前處理程序Gambit 進(jìn)行計算區(qū)域的建模和網(wǎng)格的劃分。根據(jù)實際情況，計算模型在物理模型的基礎(chǔ)上做了如下幾點修改：①物料堆積在撒料錐上形成物料錐，故計算模型中添加物料錐，其尺寸與撒料錐一致；②環(huán)面進(jìn)風(fēng)的連接筋對于氣流影響不大，故省略。其主要參數(shù)如表1。

整個模型較為簡單，用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算模型生成網(wǎng)格是相對合理的。

1.1.4 設(shè)置與求解

在實際運行中，入口處的壓力并不知道，故假設(shè)入口湍流已經(jīng)得到充分地發(fā)展，因此將入口設(shè)置成速度進(jìn)口（velocity-inlet）。V=Q/S，風(fēng)量Q=50 m3/min。出口壓力不可知，故假設(shè)氣流在送料筒內(nèi)的運動為已經(jīng)充分發(fā)展的管流，出口邊界設(shè)置為 outlet。選用 Steady、Pressure Based/ Implicit 進(jìn)行計算，將標(biāo)準(zhǔn)的 k-ε 模型作為湍流黏度模型，流體密度和黏度均為默認(rèn)設(shè)置。壁面函數(shù)采取Standard Wall Functions，固壁無滑移。采用Simple 算法作為壓力-速度耦合方程的核心算法；動量、湍動能、湍流耗散率均采用收斂性較好的一階迎風(fēng)格式；壓力梯度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)格式；欠松弛因子默認(rèn)，殘差值設(shè)置為 10-4，然后對其初始化，最后進(jìn)行迭代計算直至收斂。

表1 模型主要尺寸參數(shù)

1.2 流場模擬結(jié)果與分析

1.2.1 對側(cè)進(jìn)風(fēng)口時送料筒內(nèi)的流場

兩股射流在同一軸心線上，則稱之為正對沖射流。理論上，兩股射流流量相等，噴口直徑相同的正對稱射流的流動過程，射流相互碰撞后，有一個擠壓和轉(zhuǎn)向的過程，向著與初始射流想垂直的方向均勻流去，而且很對稱，這是在一個很大的自由空間內(nèi)的理想流動過程。對側(cè)進(jìn)風(fēng)口時送料筒內(nèi)的速度云圖分布如圖2 所示。圖2 中按照左右順序分別為兩入口的中垂面與中平面的截圖。通過該速度分布圖可以看出：入口氣流均勻，在接近送料筒內(nèi)壁過程中，發(fā)生偏移。在送料筒內(nèi)，對沖氣流的運動是一個相互擠壓、存在壓扁與轉(zhuǎn)向的過程。氣流被壓扁，向?qū)_面的兩側(cè)延 伸，并對筒壁進(jìn)行沖刷。同時在壓力作用下，氣流也向送料筒上部轉(zhuǎn)向。壓扁與轉(zhuǎn)向過程中，風(fēng)口兩側(cè)的部分空間與料筒底部內(nèi)存在回流現(xiàn)象，局部區(qū)域速度為零。筒內(nèi)氣流分布不均勻，落入撒料錐以下的顆粒，很難再次返回，其返料能力有限。故在實際應(yīng)用中加入沸騰床，以增加其返料能力。同時氣流分布不均勻會導(dǎo)致顆粒分布的不均勻，進(jìn)而降低分級的精度。

圖2 對側(cè)進(jìn)風(fēng)口時送料筒內(nèi)的速度分布

1.2.2 環(huán)面進(jìn)風(fēng)口時送料筒內(nèi)的流場

環(huán)面進(jìn)風(fēng)可以近似的理解為許多個對沖射流集合。氣流不存在壓扁現(xiàn)象，氣流是軸對稱分布的，只有偏移。由其速度分布圖3 可以看出，入口氣流水平進(jìn)入，在接近筒壁的過程中逐漸向上偏移。高速流域是一個類錐體形狀。氣流運動是一個匯集、分散、轉(zhuǎn)向的過程。偏向豎直方向并沒有發(fā)散，因而在撒料錐邊緣形成一個高速區(qū)域，這對于料簾的沖擊分散是極其有利的。由于氣流分布是軸對稱分布，故在同一高度截面上氣流分布呈同心圓分布，有利于顆粒的均勻分散，使得分級精度較高。

2 進(jìn)風(fēng)口面積實驗

分級機(jī)主要操作參數(shù)主要有喂料速度、風(fēng)量以及轉(zhuǎn)速[10-13]。對于SLK 分級機(jī)而言，風(fēng)口面積同樣也是一個重要的操作參數(shù)。調(diào)節(jié)風(fēng)口面積變化可以影響系統(tǒng)壓降、改變風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量，又可以影響氣流在送料筒內(nèi)的速度分布。圖4 為對側(cè)進(jìn)風(fēng)的風(fēng)口與擋板的圖片，環(huán)面進(jìn)風(fēng)口與擋板與此類似。在實際操作中，通過調(diào)節(jié)風(fēng)口擋板高度對風(fēng)口面積進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 環(huán)面進(jìn)風(fēng)口時送料筒內(nèi)的速度分布

2.1 實驗平臺

實驗系統(tǒng)如圖5 所示，實驗平臺為開路分級系統(tǒng)，主要由料倉、剛性葉輪喂料器、SLK 分級機(jī)、旋風(fēng)收塵器、脈沖式布袋收塵器、離心風(fēng)機(jī)、連接各個設(shè)備間的管道以及設(shè)備支架組成。

2.2 實驗操作

實驗采用江油火電廠粉煤灰原灰[14]作為實驗原料。每次實驗前先對系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)氣密性檢測與清灰操作。實驗時先開啟風(fēng)機(jī)，使得整個實驗系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，再開啟分級機(jī)的調(diào)速電動機(jī)并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后往分級機(jī)的進(jìn)料口均勻喂料，直到喂料完成，然后關(guān)機(jī)。

圖4 風(fēng)口與擋板

圖5 實驗平臺與設(shè)備

操作過程中，喂料速度、分級機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)風(fēng)量始終保持一定，以排除風(fēng)量、分級機(jī)轉(zhuǎn)速對于分級精度等參數(shù)的影響。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在2900 r/min。其中風(fēng)口高度分別調(diào)節(jié)為180 mm、160 mm、140 mm、…、40 mm，共計8 次。其中隨著風(fēng)口高度的降低，風(fēng)口面積減小，系統(tǒng)壓降增大，需調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)口大小，以調(diào)節(jié)風(fēng)量，使得系統(tǒng)風(fēng)量 始終保持在3000 m3/h。其中風(fēng)量以風(fēng)速測速傳感器測定風(fēng)機(jī)出口管管道風(fēng)速后換算得到。分級機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1050 r/min，喂料器葉輪轉(zhuǎn)速固定在15 r/min。 實驗中以分級粒徑D50與分級精度K 來評價分級機(jī)的分級性能。使用MS2000 激光粒度分析儀器對原粉與每次實驗粗粉進(jìn)行測試，處理得到各粒級的部分分級效率，并繪制部分分級效率曲線。在曲線中找出每次實驗的特征粒徑D50、D25、D75，并由式K= D25/D75計算出分級精度指數(shù)K。

2.3 實驗結(jié)果與分析

2.3.1 對側(cè)進(jìn)風(fēng)口面積對于分級系統(tǒng)性能影響

風(fēng)口面積主要由風(fēng)口高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，故實驗記錄時只需記錄風(fēng)口高度，其具體值可根據(jù)表1中數(shù)據(jù)換算得到。由表2 可以看出：對于對側(cè)風(fēng)口，在相同風(fēng)量條件下，隨著入風(fēng)口高度的降低，入風(fēng)口面積減小，入口速度增大，分級粒徑基本不變化。分級粒徑取決于喂料速度、系統(tǒng)風(fēng)量與分級機(jī)轉(zhuǎn)速。由于在操作過程中，始終保持者三項操作參數(shù)的不變，分級粒徑也應(yīng)當(dāng)基本不變。分級粒徑始終在38 μm、39 μm 變化。其變化范圍極小，可以認(rèn)為是實驗中的各種誤差導(dǎo)致這種細(xì)微的差異。對于對側(cè)風(fēng)口，分級精度隨入風(fēng)口面積的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的變化過程。這是由于隨著風(fēng)口高度的降低，進(jìn)風(fēng)口面積減小，入口風(fēng)速不斷增大。入口風(fēng)速的變化直接影響了氣流在送風(fēng)筒內(nèi)的分布與氣流對于顆粒的分散。風(fēng)口高度在160 mm 時，分級精度只有0.405。此時對側(cè)的進(jìn)風(fēng)在撒料錐平面氣流分布很不均勻，料簾顆粒分散在筒內(nèi)分布也不均勻，導(dǎo)致分級精度低。風(fēng)口高度在80 mm 時，分級精度提高到0.598。此時送料筒內(nèi)氣流在撒料錐平面分布相對均勻，致使顆粒分散也相對均勻，分級精度也較高。隨著實驗操作時對于風(fēng)口高度的降低，送風(fēng)筒內(nèi)氣流勻性再次變差，顆粒分散也變差。風(fēng)口高度在40 mm 時，分級精度已降低至0.392。分級精度隨風(fēng)口面積的變化實驗結(jié)果表明，風(fēng)口高度在80 mm 時，送風(fēng)筒內(nèi)顆粒的分散效果最佳。

表2 進(jìn)風(fēng)口面積對于分級系統(tǒng)性能影響

2.3.2 環(huán)面進(jìn)風(fēng)口面積對于分級系統(tǒng)性能影響

由表2 還可以看出：對于環(huán)面風(fēng)口，隨著入風(fēng)口高度的降低、風(fēng)口面積的減小，分級粒徑同樣基本不變。分級精度同樣隨著風(fēng)口面積的降低呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。隨著風(fēng)口高度由160 mm 逐步降至40 mm 的過程中，環(huán)面進(jìn)風(fēng)的分級精度先由 0.594 增大至 0.634，后減小至0.609，各個數(shù)據(jù)間變化幅度不大，始終保持在0.6 左右。這是由于環(huán)面風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)均勻，沒有發(fā)生壓扁現(xiàn)象，在撒料錐平面分布均勻，對于料簾顆粒的分散較好。實際操作中，風(fēng)口高度控制在80 mm 為宜。相對于側(cè)面進(jìn)風(fēng)而言，環(huán)面進(jìn)風(fēng)時分級機(jī)的分級精度相對較高，其值都在0.6 左右。這說明環(huán)面進(jìn)風(fēng)對于顆粒的分散性能較對側(cè)面進(jìn)風(fēng)更為優(yōu)越。

在某些分級系統(tǒng)中，常將主風(fēng)機(jī)出來的氣流再次導(dǎo)入分級機(jī)，形成循環(huán)風(fēng)。這樣可降低系統(tǒng)對于收塵器的要求[3]。在循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)中由于結(jié)構(gòu)的限制，分級機(jī)只能采用對側(cè)進(jìn)風(fēng)形式。對側(cè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)口面積需要深入研究，以確保氣流對于顆粒的良好分散。而對于本實驗平臺的中所采用的分級系統(tǒng)而言，雖然兩種風(fēng)口形式均可使用，但環(huán)面風(fēng)口明顯更為合適。

3 結(jié) 論

（1）可以采用Fluent 軟件對不同進(jìn)風(fēng)口形 式下送料筒內(nèi)氣流分布進(jìn)行模擬。對側(cè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)口時，送料筒內(nèi)氣流分布不均，其氣流運動屬于對沖、擠壓、壓扁與轉(zhuǎn)向的過程。環(huán)面進(jìn)風(fēng)時，送料筒內(nèi)氣流分布相對均勻，其氣流運動是一個偏轉(zhuǎn)匯集分散的過程。

（2）在分級實驗平臺上，以粉煤灰為原料，在同等的分級機(jī)轉(zhuǎn)速、分級轉(zhuǎn)速、喂料速度條件下，分別測定了兩種風(fēng)口不同高度時的分級粒徑、分級精度。實驗結(jié)果表明：隨著風(fēng)口面積的減小，進(jìn)口風(fēng)速增大，分級粒徑基本不變，分級精度有一個先減小后增大的過程。當(dāng)兩種風(fēng)口的高度均在80 mm 時，分級精度最高。

（3）在有循環(huán)風(fēng)的分級系統(tǒng)中的分級機(jī)宜采用對側(cè)進(jìn)風(fēng)口，而其它非循環(huán)風(fēng)的分級系統(tǒng)中的分級機(jī)采用環(huán)面進(jìn)風(fēng)口更為適宜。

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