不同工質(zhì)下流化床氣流粉碎機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬

研究開發(fā)不同工質(zhì)下流化床氣流粉碎機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬袁書林，陳海焱（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010）摘 要：為研究流化床氣流粉碎機(jī)在不同工質(zhì)下內(nèi)部流場(chǎng)的變化，利用 FLUENT 流體計(jì)算軟件對(duì)流化床氣流粉碎分級(jí)機(jī)進(jìn)行整體建模。對(duì)不同工質(zhì)的模擬結(jié)果表明：不同工質(zhì)下氣流動(dòng)壓相差不大，但分子量越小的工質(zhì)經(jīng) 過 Laval 噴嘴得到的噴嘴出口速率越大，同時(shí)粉碎腔內(nèi)的引射氣流速率越大，顆粒進(jìn)入軸心速率區(qū)的概率也增 大，故分子量小的工質(zhì)能有效提高粉碎效率。不同進(jìn)口壓力和背壓對(duì)氣流速率影響的模擬結(jié)果表明，提高進(jìn)口 壓力，氣流速率明顯提高；增大負(fù)壓對(duì)提高氣流速率不明顯。關(guān)鍵詞：流化床氣流粉碎機(jī)；流場(chǎng)；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：O 242.1；TB 115文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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，F(xiàn)LUENT 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熱蒸汽和惰性氣體。陳海焱等2認(rèn)為蒸汽氣流磨的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣氣流磨，蒸汽氣流磨的粉碎力大 大高于空氣氣流磨。吉曉莉等3分析了氣流磨中工質(zhì)種類和狀態(tài)對(duì)能耗和效率的影響，表明蒸汽與空氣流粉碎技術(shù)在國外已有近一個(gè)世紀(jì)的歷史，而我國在 20 世紀(jì) 80 年代才開始研究1 ?？v觀氣流 粉碎與氣流分級(jí)技術(shù)的開發(fā)研究現(xiàn)狀，大部分集中 在應(yīng)用開發(fā)、氣流粉碎分級(jí)設(shè)備的形式、各種操作 參數(shù)對(duì)氣流粉碎分級(jí)性能的影響方面，而關(guān)于氣流 粉碎和氣流分級(jí)的機(jī)理、氣流粉碎和分級(jí)流場(chǎng)的特 性、甚至結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究還很不成熟。我國氣流粉 碎技術(shù)主要是仿制設(shè)備，有關(guān)氣流粉碎和氣流分級(jí) 技術(shù)的理論研究及成果極少。氣流粉碎最常用的工質(zhì)有 3 種：壓縮空氣、過收稿日期：2009-10-09；修改稿日期：2009-11-06?；痦?xiàng)目：“十一五”國家支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目（2006BAF02A24）資助。 第一作者簡介：袁書林（1981），男，碩士研究生，主要從事固體 廢物資源化研究。E-mail ybyang2007。聯(lián)系人：陳海焱，教 授，主要從事超細(xì)粉碎、氣流分級(jí)技術(shù)，通風(fēng)除塵的研究與設(shè)備開發(fā)。 E-mail chenhaiyan。第 6 期袁書林等：不同工質(zhì)下流化床氣流粉碎機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬·1005·氣相比具有壓強(qiáng)高、臨界速率高、能量利用率高、粉碎強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。Zhao 等4利用水平圓盤式氣流 磨實(shí)驗(yàn)研究了氦、水蒸氣、空氣和二氧化碳作介質(zhì) 對(duì)物料粒度的影響，結(jié)果表明：分子量小的氣體能 研磨出更細(xì)粉體，在相同的能耗下，分子量越小的 研磨氣體得到的物料產(chǎn)量越高。但文中未從不同工 質(zhì)時(shí)氣流磨的流場(chǎng)變化對(duì)粉碎效率的影響給予理 論上的解釋。近年來，對(duì)流體速率、氣固流的濃度 和 粒 子運(yùn)行 軌 跡的測(cè) 量 ，雖然 有 熱膜風(fēng) 速（HWFA）、激光多普勒流速儀（LDV）、粒子成像 速率場(chǎng)儀（PW）、高速攝影（HSSV）測(cè)量等新的 技術(shù)手段，但對(duì)高速的超音速流場(chǎng)和高速旋轉(zhuǎn)的分 級(jí)流場(chǎng)的測(cè)量仍然十分困難。所以通過數(shù)值模擬分 析氣流粉碎機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)氣流粉碎分級(jí)理論研究 是必要的，目前國內(nèi)對(duì)氣流粉碎分級(jí)機(jī)的數(shù)值模擬 主要限于對(duì)氣流粉碎機(jī)的噴嘴、分級(jí)機(jī)分開建模， 對(duì)氣流粉碎分級(jí)機(jī)整體建模分析流場(chǎng)在文獻(xiàn)中鮮 見報(bào)道。本文作者利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FlUENT5，建 立流化床氣流粉碎分級(jí)機(jī)的三維幾何模型，對(duì)比不 同工質(zhì)下氣流粉碎機(jī)的流場(chǎng)變化和分布，對(duì)不同工 質(zhì)下粉碎效率差異給予解釋；通過模擬分析不同進(jìn) 口壓力和背壓對(duì)流場(chǎng)的影響，可為氣流磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 參數(shù)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。1數(shù)值計(jì)算方法1.1物理模型流化床氣流粉碎分級(jí)機(jī)將高速氣流與物料分 路進(jìn)入粉碎室，避免了顆粒與管路的碰撞和摩擦， 大大降低了噴嘴和管路的磨損；在粉碎室，顆粒流 的對(duì)撞降低了顆粒對(duì)腔體的磨損；粉碎后達(dá)到要求 的顆粒及時(shí)經(jīng)渦輪分級(jí)機(jī)分離，大大降低了過粉 碎，提高了能量的利用率；易于實(shí)現(xiàn)粉碎和分級(jí)一 體化，提高效率6 。流化床氣流粉碎分級(jí)機(jī)模型 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示：粉碎區(qū)高度約為 500 mm，腔體 直徑為 300 mm，平面（BB 面）為 3 個(gè)噴嘴圓周 均布的面，圓心為粉碎腔噴射中心，坐標(biāo)為（0，0，0）， Y=0 平面內(nèi)噴嘴進(jìn)口中心坐標(biāo)為（181.5，0，0）， 噴嘴出口中心坐標(biāo)（90，0，0）。模型模擬氣流 粉碎流場(chǎng)，忽略進(jìn)料口、二次分對(duì)流場(chǎng)的影響。 分級(jí)區(qū)總高度為 400 mm，上部圓柱筒體直徑350 mm，分級(jí)葉輪最大回轉(zhuǎn)直徑為250 mm，葉片為 直葉片，高度為 152 mm，寬度為 30 mm，厚度為3 mm。圖 1 流化床氣流粉碎模型1.2計(jì)算網(wǎng)格氣流粉碎分級(jí)機(jī)分為 4 部分進(jìn)行建模：Laval噴嘴（nozzle）、分級(jí)區(qū)（lower）、葉輪與軸間的環(huán)（loop）、葉片流動(dòng)區(qū)域（rator）。GAMBIT 可生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和 混合網(wǎng)格等多種類型網(wǎng)格，具有良好的自適應(yīng)能力，能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化或粗化，生成連續(xù)或不連續(xù)網(wǎng)格。 根據(jù)各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)形式，采用不同的網(wǎng)格劃分形式：Laval 噴嘴采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；分級(jí)區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 采用混合網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式；葉片與軸間的環(huán)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；葉片間流動(dòng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化 網(wǎng)格。在噴嘴出口、分級(jí)機(jī)葉片進(jìn)口使用局部網(wǎng)格加密技術(shù)，應(yīng)用壁面函數(shù)法對(duì)壁面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。1.3邊界條件與數(shù)值方法噴嘴進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口（pressure-inlet），出口 設(shè)為壓力出口（pressure-outlet）；葉輪邊壁設(shè)置 為旋轉(zhuǎn) wall，旋向?yàn)轫槙r(shí)針 z =1（俯視）；葉片 流動(dòng)區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)流體，旋轉(zhuǎn)速率設(shè)為 1800 r/min， 旋向同上。其余邊界條件保持默認(rèn)設(shè)置。本研究暫 不對(duì)分級(jí)機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行討論。模型外壁要考慮傳 熱，傳熱系數(shù)為 50 W/（m2·K），外界溫度 303 K。 分別選取空氣、蒸汽等不同工質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算， 均為可壓縮流體，Materials 中的 Density 項(xiàng)設(shè)為 ideal-gas，Cp 按 piecewise-polynomial 計(jì)算，其余 條件保持默認(rèn)設(shè)置。模型采用 FLUENT 的分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器、 k- 紊流模型、壓力和速率耦合采用 SIMPLE 修正 算法，各參數(shù)的離散采用二階迎風(fēng)格式。·1006·化工進(jìn)展2010 年第 29 卷質(zhì)從噴嘴進(jìn)口到粉碎中心的動(dòng)壓變化，表明不同工質(zhì)的動(dòng)壓差異不明顯，這說明速率越大，越能將顆 粒加速到較高的速率。此模型已經(jīng)建成蒸汽氣流粉碎分級(jí)試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用火電廠低品位過熱蒸汽，以四川江油巴蜀電廠低等級(jí)干排粉煤灰為原料，結(jié) 果表明，以過熱蒸汽為介質(zhì)的氣流磨能耗低粉碎力 大，過熱蒸汽粉碎工藝可以低成本、規(guī)?；貙?duì)低 等級(jí)粉煤灰進(jìn)行超細(xì)粉碎，能有效粉煤灰活性7。 不同工質(zhì)下噴嘴進(jìn)口中心到粉碎腔中心沿 X 軸 方向的速率變化趨勢(shì)是一致的，氣流速率在噴嘴喉 部達(dá)到音速，但速率的最大值不是在噴嘴出口，而 是出現(xiàn)在遠(yuǎn)離噴嘴出口幾毫米處（如圖 4），原因 是氣流經(jīng)噴嘴出口后，體積會(huì)繼續(xù)膨脹，壓強(qiáng)下降 速率繼續(xù)增大。從噴嘴出口到之后的 40mm 的距離 內(nèi)氣流會(huì)產(chǎn)生 W 形狀的激波，激波造成速率的上下 震蕩。激波產(chǎn)生的原因是模型中噴嘴出口背壓與噴 嘴理論計(jì)算狀態(tài)出口截面的壓強(qiáng)不一致。當(dāng)噴嘴出 口背壓為噴嘴理論計(jì)算狀態(tài)出口截面的壓強(qiáng)時(shí)，才 能獲得最大的射流速率；若背壓偏離此值，在噴嘴 附近會(huì)出現(xiàn)不同強(qiáng)度、不同位置的激波，使氣流速 率和氣流動(dòng)壓降低。當(dāng)然，也有認(rèn)為氣流粉碎過程 中產(chǎn)生的激波對(duì)提高粉碎效果有利8，但這種觀點(diǎn)未得到論證。從圖 5 中可以看出，不同工質(zhì)的速率變化不一 樣，從噴嘴出口起噴射距離為 70 mm 的這段內(nèi)， 不同工質(zhì)的速率衰減相對(duì)緩慢，顆粒通過這段距離 的加速得到很高的顆粒碰撞速率，實(shí)現(xiàn)粉碎?？諝?的速率變化范圍為 514400 m/s；蒸汽的速率變化 范圍為 914625 m/s；因?yàn)榈獨(dú)獾姆肿恿亢涂諝獾?接近，所以速率變化曲線幾乎重合，氦氣的分子量 最小速率變化范圍為 13341000 m/s。在之后的20 mm 距離內(nèi)速率急劇衰減，原因是三股氣流2 計(jì)算結(jié)果與分析2.1 不同工質(zhì)氣流粉碎速率的變化分別選用空氣、蒸汽、氮?dú)?、氦氣為工質(zhì)模擬， 進(jìn)口壓力為 0.5 MPa（文中所用壓力均為相對(duì)壓 力），出口背壓為5000 Pa，空氣、氮?dú)?、氦氣進(jìn) 口溫度為 300 K，蒸汽進(jìn)口溫度為 570 K。FLUENT 的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入后處理軟件 Tecplot 生成 X-Y 圖。如圖 2 所示為過熱蒸汽在噴嘴平面（圖 1 中的 BB 截面）的速率云圖，其它工質(zhì)的速率云圖略。 云圖速率分布是一個(gè)典型的拉伐爾噴嘴的速率分布，在噴嘴出口處產(chǎn)生了超音速氣流?？諝?、氮?dú)狻?蒸汽和氦氣經(jīng)過噴嘴加速得到的最大速率分別是514 m/s、523 m/s、914 m/s、1334 m/s，過熱蒸汽工 質(zhì)的是空氣工質(zhì)的 1.78 倍，氦氣工質(zhì)的是空氣工質(zhì) 的 2.6 倍。表明工質(zhì)的分子量越小，經(jīng)過噴嘴得到 的速率越大，小分子量的氣體能研磨出更細(xì)粉體， 這與文獻(xiàn)4的試驗(yàn)結(jié)果吻合。如圖 3 所示為不同工圖 2 過熱蒸汽速率云圖圖 3 不同工質(zhì)下噴嘴進(jìn)口到碎粉中心動(dòng)壓圖圖 4 不同工質(zhì)下噴嘴出口到粉碎中心速率圖第 6 期袁書林等：不同工質(zhì)下流化床氣流粉碎機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬·1007·圖 5 不同工質(zhì)下噴嘴進(jìn)口到粉碎中心速率圖圖 7 不同工質(zhì)下噴嘴出口到粉碎中心靜壓圖在粉碎中心相互碰撞抵消，形成負(fù)激波加劇氣流速率的衰減。2.2 不同工質(zhì)下粉碎腔內(nèi)引射氣流變化情況流化床氣流粉碎依靠噴嘴出口高速氣流引射 顆粒進(jìn)行加速，加速后的顆粒在流化床的中心相互 碰撞實(shí)現(xiàn)粉碎，因此顆粒被有效地加速，并在其最大速率下實(shí)現(xiàn)碰撞是提高氣流粉碎效率的重要條件。為研究不同工質(zhì)的引射氣流速率的大小，在噴 嘴出口從（85，20，0）到點(diǎn)（85，20，0） 取 Y 方向速率直線，如圖 5 所示。Y 方向的速率代 表引射氣流速率，分子量小的工質(zhì)噴射速率越大， 引射氣流速率也越大，顆粒進(jìn)入軸心速率區(qū)的概 率更大，故分子量較小的工質(zhì)能有效提高物料的 粉碎效率。2.3 噴嘴出口到氣流粉碎中心靜壓數(shù)值變化取噴嘴出口中心到氣流粉碎中心的靜壓值，見 圖 7，可見噴射氣流的最大負(fù)壓出現(xiàn)在噴嘴出口幾 毫米處，這與最大氣流速率出現(xiàn)的位置是一致的；從噴嘴出口到之后的 50 mm 內(nèi)靜壓曲線成波形圖變化，趨勢(shì)逐漸變緩，原因是產(chǎn)生 W 形狀激波使壓力急劇增高或減小；激波后靜壓出現(xiàn)一段穩(wěn)定區(qū)，在噴射氣流中心區(qū)由于受負(fù)激波的影響，壓力又迅速 上升。不同工質(zhì)的靜壓曲線變化規(guī)律一致。2.4 不同進(jìn)口壓力對(duì)粉碎氣流速率的影響選用工質(zhì)為空氣，進(jìn)口壓力分別為 0.5 MPa、0.7MPa、0.9 MPa，出口背壓為5000 Pa，進(jìn)口溫度為300 K 進(jìn)行模擬。從圖 8 可以看出，隨著壓力的增大，氣流粉碎 速率增大，0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa 時(shí)得到的最大速率分別是 514 m/s、538 m/s、584 m/s；不同進(jìn)口 壓力下曲線的趨勢(shì)一樣，都會(huì)產(chǎn)生 W 形狀的激波，0.7 MPa 和 0.9 MPa 的速率衰減較 0.5 MPa 時(shí)緩慢。 模擬采用的噴嘴設(shè)計(jì)馬赫數(shù)是 1.95，如圖 9 的模擬結(jié)果驗(yàn)證了噴嘴不同進(jìn)口壓力經(jīng)相同設(shè)計(jì)馬赫數(shù)的 噴嘴加速，噴嘴出口速率是一樣的。在氣流粉碎中物料顆粒的加速性能不僅與速率 有關(guān)，而且與流體密度相關(guān)。圖 10 描述了不同壓力下氣流的動(dòng)壓變化曲線，雖然不同進(jìn)口壓力下噴嘴 出口處氣流速率是一樣的，但動(dòng)壓卻相差較大。動(dòng)壓的衰減比速率的衰減激烈，這也就能解釋氣流粉 碎為何能耗大，效率低。圖 6 不同工質(zhì)下粉碎腔內(nèi)引射氣流速率圖圖 8 不同壓力下噴嘴進(jìn)口到碎粉中心速率圖·1008·化工進(jìn)展2010 年第 29 卷粉碎速率不明顯。國內(nèi)引風(fēng)機(jī)的參數(shù)配置，除去系統(tǒng)阻力、分級(jí)機(jī)阻力和系統(tǒng)中顆粒的阻力外，粉碎 區(qū)的背壓低于5 kPa 易于配置，引風(fēng)機(jī)負(fù)壓要求太 高，不僅難以配置，而且可能使風(fēng)機(jī)能耗急劇增加， 除塵器承壓要求急增。因此，要提高噴嘴的氣流速 率，最好將粉碎腔內(nèi)背壓控制在合理的范圍內(nèi)，通 過提高噴嘴入口壓力，來提高噴嘴出口的速率與 動(dòng)壓。3結(jié)論圖 9不同壓力下噴嘴出口到碎粉中心速率圖（1）分子量越小的工質(zhì)，經(jīng)過 Laval 噴嘴得到更大出口速率和氣流引射速率，過熱蒸汽工質(zhì)氣流 速率的最大值是空氣工質(zhì)時(shí)的 1.78 倍；氦氣工質(zhì)氣 流速率的最大值是空氣工質(zhì)時(shí)的 2.6 倍，所以分子 量小的氣體能提高氣流粉碎效率。（2）不同進(jìn)口壓力對(duì)粉碎氣流的影響表明，隨著進(jìn)口壓力的增大，氣流速率有明顯提高；不同進(jìn) 口壓力下經(jīng)相同設(shè)計(jì)馬赫數(shù)的噴嘴加速，噴嘴出口 速率相同，但動(dòng)壓卻相差較大，而且動(dòng)壓的衰減比 速率的衰減激烈，這就能解釋氣流粉碎為何能耗大、 效率低。（3）增大負(fù)壓對(duì)提高氣流速率不明顯，綜合考 慮到目前國內(nèi)袋式除塵器的承壓能力和引風(fēng)機(jī)系列 的流量與壓力參數(shù)，最好將粉碎腔內(nèi)背壓控制在合 理的范圍內(nèi)，通過提高工質(zhì)入口壓力，來提高粉碎 效率。圖 10不同壓力下噴嘴進(jìn)口到碎粉中心動(dòng)壓圖2.5不同背壓對(duì)粉碎氣流速率的影響選用工質(zhì)為空氣，出口壓力分別為5 kPa、11 kPa、21 kPa，進(jìn)口壓力為 0.5 MPa，進(jìn)口溫度為300 K 進(jìn)行模擬。如圖 11 表明，不同背壓下噴嘴進(jìn)口中心到碎 粉中心速率變化趨勢(shì)一樣，背壓為21 kPa 的速率衰減較5 kPa 和11 kPa 略緩慢。背壓為21 kPa、11 kPa、5 kPa 時(shí)得到的最大速率分別為 525 m/s、517 m/s、514 m/s，可見增大負(fù)壓對(duì)提高氣流參考文獻(xiàn)1馬飛飛，王雅萍. 超細(xì)氣流粉碎技術(shù)的研究新進(jìn)展J.礦山機(jī)械，2006，34（10）：30-32.陳海焱，李顯寅，張家達(dá). 應(yīng)用過熱蒸汽干法制備超細(xì)粉的研究J.四川冶金，1997，19（3）：53-55.吉曉莉，崔亞偉，葉警. 流化床式氣流磨工作介質(zhì)和入料顆粒的 選擇J. 武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21（4）：40-43.Zhao Q Q，Sehurr G A. 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