中速磨煤機氣固兩相流動特性研究進展

摘 要：對中速磨煤機氣固兩相流動特性研究進展進行總結，進而指出已有研究存在采用數值模擬方法時對磨煤機內部流域的建模簡化過多的問題。為考量流域簡化帶來的數值模擬誤差，針對磨煤機內部完整流域以及磨煤機上部與下部流域分別開展氣固兩相流動數值模擬，并對模擬結果進行對比分析。結果表明，僅考慮磨煤機上部區域得到的氣固兩相流動特性存在較大的誤差；僅考慮磨煤機下部區域，折向裝置以下的氣相場結果較為準確，顆粒軌跡更為分散。因此，在數值模擬研究中，特別是針對分離器流場及分離特性開展研究時，應盡可能考慮磨煤機內部完整流域，以提高模擬預測的可靠性。

關鍵詞：中速磨煤機；氣固兩相流動；氣相場；顆粒軌跡；數值模擬

中圖分類號：TM621.7 文獻標志碼：A

Research progress on gas-solid biphase flow characteristics inmedium-speed coal pulverizer

YU"Gang1，XUE"Xiaolei2，HU"Yanhui3，ZHOU"Xu1，YUAN"Cenjie1，"DONG"Qunli1，TIAN"Bing1，SHAO"Mingqiang1

（1."Zhejiang"Zheneng"Jiahua"Electric"Power"Generation"Co.，"Ltd.，"Jiaxing"314201，"China;"2."Suzhou"TPRI"Ener"amp;"Enviro"Tech.

Co.，"Ltd.，"Suzhou"215153，"China;"3."Zhejiang"Provincial"Energy"Group"Company"Ltd.，"Hangzhou"310007，"China）

Abstract：The"research"progress"on"gas-solid"biphase"flow"characteristics"in"medium-speed"coalpulverizers"was"summarized."The"existing"problem"concerning"the"oversimplification"of"internalflow"domain"in"the"coal"pulverizer"has"been"pointed"out"in"the"numerical"simulation."To"evaluatethe"errors"caused"by"the"simplification"of"flow"domain，"the"numerical"simulation"of"gas-solidbiphase"flow"was"conducted"in"the"complete"flow"domain"of"coal"pulverizer"as"well"as"its"upper"andlower"flow"domain."The"comparative"analysis"of"simulation"results"was"subsequently"performed.Results"show"that"the"big"error"of"gas-solid"biphase"flow"characteristics"exists"by"only"consideringthe"upper"region"of"coal"pulverizer."When"only"considering"the"lower"part"of"coal"pulverizer，"thegas"phase"field"below"the"deflector"shows"relatively"accurate"with"relatively"dispersed"particletrajectories."Therefore，"it"is"necessary"to"consider"the"complete"flow"domain"in"the"coal"pulverizerto"improve"the"prediction"reliability"in"the"numerical"simulation，"particularly"when"attention"is"paidto"the"flow"field"and"separation"performance"of"pulverizer"separator.

Keywords：medium-speed"coal"pulverizer;"gas-solid"biphase"flow;"gas"phase"field;"particletrajectory;"numerical"simulation

隨著“雙碳”目標的推進，火電機組向著大容量、高效能、低排放轉型，對火電機組輔機系統提出了更高的節能降耗要求。磨煤機作為火電機組制粉系統中的重要部件，通常可按照研磨部件的轉速分為三類：低速磨煤機、中速磨煤機和高速磨煤機，其中，中速磨煤機應用最為廣泛。中速磨煤機的工作原理是：在加載裝置的作用下，對磨輥施加作用力，擠壓磨輥與磨碗之間的煤塊使其破碎成一定細度的煤粉，后經分離器分離并通過粉管送至爐膛燃燒。

中速磨煤機內部氣固兩相流的合理組織對于磨煤機穩定、高效運行有著重要作用。磨煤機內部氣固兩相流組織不合理，可能導致石子煤排放量大、出力降低、粉管煤粉分配偏差大等問題。基于這些問題，研究者對中速磨煤機內部氣固兩相流動特性開展了一系列研究。然而，鑒于磨煤機結構復雜，實際運行過程中煤粉顆粒數目龐大，目前實驗室實驗與數值模擬往往建立在對磨煤機內部流域進行較多簡化的基礎上，這可能導致研究結果的可靠性下降。

本文將對中速磨煤機氣固兩相流動特性的國內外研究進展進行總結，進而指出已有研究存在的問題，在此基礎上，開展磨煤機完整流域及局部流域氣固兩相流動數值模擬研究，將得到的氣相場特性與顆粒運動軌跡進行對比分析，從而提出今后對中速磨煤機氣固兩相流動特性進行研究"的思路。

1""""研究現狀分析

圖1給出了中速磨煤機工作過程示意圖。原煤顆粒經位于磨煤機中心的落煤管掉落至磨碗中央，磨碗在電機帶動下旋轉，原煤顆粒受離心力作用滑移至磨輥與磨碗的間隙處，在磨輥的擠壓作用下，原煤顆粒被研磨為煤粉。來自一次風道的一次風氣流由風環噴口高速噴出，研磨后的煤粉顆粒經一次風攜帶向上運動進入分離器，難以研磨的大粒徑石子煤顆粒經風環落下，進而被排出。在分離器內部，較大的顆粒受重力作用沉降至磨碗，進行二次研磨，而細度符合要求的煤粉則經過磨煤機頂部的出粉管輸送至爐膛進行燃燒。可見，磨煤機內部氣固兩相流動區域形狀復雜，且存在運動邊界，使得磨煤機內部流動為具有強旋轉效應的湍流。縱觀已有磨煤機內部氣固兩相流動特性的相關研究，其重點集中在風環結構對流場的影響、分離器流場及分離性能兩個方面。

1.1""""風環結構對流場的影響

2010年以來，文獻［5–7］中不考慮磨煤機上部分離器，并對磨輥結構進行簡化，采用RNGk–ε湍流模型描述氣相場，采用離散相模型描述顆粒場，對磨煤機內部氣固兩相流動開展數值模擬研究。結果表明，風環噴嘴處一次風速低是石子煤排放量大的主要原因，石子煤的排放量受到其密度和粒徑的影響；封堵低流量噴嘴不足以在

磨煤機內部得到均勻流場。閆順林等

構建了包含磨煤機一次風道及風環區域的幾何模型，通過數值模擬，對帶有旋轉風環的HP型中速磨煤機與不帶旋轉風環的RP型中速磨煤機內部流場、風環出口速度、一次風入口到風環出口的阻力等進行了對比分析。結果表明，HP型磨煤機各風環噴嘴處風速分布更為均勻且渦流更小，能有效

改善石子煤排放以及裝置磨損問題。趙虹等

對磨煤機氣固兩相流場特性進行數值模擬分析，獲得了不同風環葉片傾角（40°、45°、50°）下氣流速度、石子煤沉降率、煤粉顆粒分離效率。劉愛

國等

采用Realizable"k–ε湍流模型描述氣相場，考慮氣流對顆粒的曳力，采用數值模擬方法對"HP1163"磨煤機氣固兩相流場進行數值分析，獲得了風環的節流環布置對氣相場與顆粒運動的"影響。

1.2""""分離器流場及分離性能

分離器流場及分離性能的實驗研究主要集中在通過測試手段獲得氣相速度、煤粉細度與分離效率等。Parham等［10］采用三維激光多普勒測速儀測量立式磨煤機靜態分離器縮尺模型內的氣相速度分布，以期為分離器內空氣動力場的模擬預測提供實驗數據支撐。樊泉桂等對不同分離器擋板開度下，ZGM133型中速磨煤機出口煤粉細度及煤粉分配均勻性進行現場試驗，給出了磨煤機優化方案及相應的鍋爐運行性能。鄒磊等將HP1003型中速磨煤機靜態分離器改造為動態分離器，試驗研究了分離器轉速對煤粉細度及均勻性、磨煤機差壓的影響。葉如祥等對ZGM113G型中速磨煤機靜態分離器的內錐體、導流板等結構進行改進，試驗研究了改進后風粉混合物的流動特性。Li等［14］對不同煤種、一次風率、磨輥加載壓力下ZGM–95型磨煤機分離器的循環負荷和分離效率進行現場試驗。Li等［15］對實驗室規模立式磨煤機靜態分離器分離效率的影響因素開展實驗研究。

與此同時，一些研究者針對磨煤機分離器區域氣固兩相流開展了數值模擬分析。Vuthaluru采用歐拉–歐拉方法對簡化的工業規模磨煤機氣固兩相流動開展研究。Shah"等［17］彩用歐拉–拉格朗日方法對工業規模磨煤機分離器氣相場特性與煤粉顆粒分離特性開展研究。Afolabi等對實驗室規模磨煤機分離器氣相場開展數值模擬，結合實驗結果評估湍流模型，指出Realizable"k–ε模型能夠兼顧計算速度和精度，是磨煤機分離器性能優化的良好選擇。董素艷等采用歐拉–拉格朗日方法，對工業規模磨煤機分離器效率的影響因素開展數值模擬研究。Ata?等［20］利用雷諾應力模型描述氣相場，對磨煤機出口煤粉氣流總質量流量和煤粉粒徑分布進行數值分析。張峰彬等針對實驗室規模分離器［22］分離效率進行了數值模擬。毛永清等采用數值模擬方法考察了加裝風環噴嘴擾動風裝置及切斷分離器前后的磨煤機內部氣流速度與出口煤粉濃度。Feng等［23］對不同葉輪轉速下相鄰葉片間的氣流速度分布、分離器的切割粒徑和分離效率開展數值模擬。Li等［24］針對工業規模磨煤機粗粉分離器內氣固兩相流場開展數值模擬，重點研究了風量和擋板開度對顆粒分離效率的影響。王鵬皓等對實驗室規模磨煤機分離器氣固兩相流動行為開展了雙向耦合模擬，給出了顆粒分布與"分離器的分級效率。

2""""中速磨煤機氣固兩相流研究存在的問題

現階段針對中速磨煤機氣固兩相流場已開展了一系列數值模擬和實驗研究，取得了一些有益的研究成果，特別是通過數值模擬對磨煤機改造方案進行優化和篩選，提高了磨煤機的運行性能。然而，由于磨煤機組件復雜，這些數值模擬研究往往對磨煤機流域進行大量簡化。例如，關注石子煤排放與風環磨損時僅對磨煤機下部的研磨區及一次風室進行建模，關注分離器性能與風粉分配特性時僅對磨煤機上部的分離區及粉管進行建模。因此，已有研究仍缺乏對磨煤機內部氣相速度場、壓力場的完整展示，也缺少對煤粉運動軌跡的系統描述。

選取中速磨煤機局部流域進行數值模擬研究，能夠縮短建模周期，降低計算成本。然而，這種簡化處理方法勢必帶來磨煤機上部流域難以設置準確的進口邊界、磨煤機下部流域難以設置準確的出口邊界的問題，從而導致模擬預測結果的可靠性下降，而這種模擬誤差尚未引起關注。因此，很有必要對磨煤機局部流域氣固兩相流動"模擬誤差進行分析。

3""""局部流域模擬誤差分析

3.1""""數值模擬方法

以HP1003型中速磨煤機為研究對象，采用歐拉–拉格朗日方法開展中速磨煤機氣固兩相流動特性模擬。由于中速磨煤機氣固兩相流中煤粉顆粒的體積分數小于10%，可認為顆粒相為稀相，此時，可忽略顆粒間的相互作用與碰撞，且可不考慮顆粒存在及運動對氣流的影響，采用單向耦合模擬。磨煤機內部氣相場為高速湍流狀態，基于歐拉方法，在假設氣相為黏性不可壓縮流體的前提下，構建氣相的連續性方程與雷諾平均納維–斯托克斯方程，采用Realizable"k–ε模型描述氣相湍流。基于拉格朗日方法追蹤離散顆粒在流場中的運動，考慮到湍流脈動對顆粒運動的作用，采用附加隨機軌道模型的離散相模型描述顆粒運動，則有

式中：vp為顆粒速度；t為時間；μg為氣體黏度；CD為曳力系數；Re為基于顆粒的雷諾數；ρ為顆粒密度；d為顆粒直徑；u為氣體速ppg度；ρ為氣體密度；g為重力加速度。gug的表達式為

式中：

uˉg為氣體時均速度矢量；

速度矢量；ζ為高斯分布的隨機數矢量；k為湍動能。

顆粒位移方程可表示為

式中，x為顆粒位移矢量。

p基于上述氣固兩相流動模型，開展如圖2所示的三種計算區域下的數值模擬。

各區域及相應的邊界條件為：

（1）"磨煤機整體區域：包含一次風道、一次風室、研磨區、分離區、出粉管等磨煤機完整流域，分離器擋板開度為45°。對于氣相，采用質量流量入口、自由出流出口、無滑移壁面邊界條件；對于顆粒相，在風環上方的環形區域隨機均勻地添加粒徑分布服從特征粒徑為176"μm、均勻性指數為1.566的羅辛–拉姆勒分布的顆粒，并認為顆粒與磨碗平面碰撞后被捕獲，顆粒與其余壁面碰撞后發生反彈。

（2）"磨煤機上部區域：包含分離器、出粉管。分離器擋板開度、氣相邊界條件以及顆粒粒徑分布與整體區域模擬時一致，顆粒隨機均勻添加到環形入口中；對于顆粒相，壁面采用反彈邊界條件。

（3）"磨煤機下部區域：包含一次風道、一次風室、研磨區。采用與整體區域模擬時完全一致的氣相與顆粒相邊界條件，但是流域不同導致出口位置不同。

三種計算區域下對網格進行劃分時，若涉及風環區域，則對該區域采用結構化網格，其余區域采用非結構化網格，采用的網格大小與筆者針對HP1003型中速磨煤機氣相場開展網格無關性驗證后確定的網格大小一致，詳見文獻［3］，此處不再對網格無關性驗證進行贅述。表1給出了數值模擬時采用的參數條件。其中，計算時一次性添加13.88nbsp;kg顆粒，采用顆粒包模型，將多個顆粒作為一個統一的整體（包）來模擬和追蹤。在本文模擬工況下，顆粒包數目為12"000個，采用12個核并行計算，磨煤機整體區域模擬耗時約6"h，上部與下部區域模擬耗時分別約為5"、2"h。

3.2""""數值模擬結果分析

圖3給出了三種計算區域下磨煤機中心縱向截面上氣相場速度云圖。由圖3（a）可以看出，對磨煤機整體區域進行建模時，在風環處氣相速度達到最大，經過風環后氣相速度迅速下降并呈現貼壁流動的特征。這是由于風環處流通面積最小，并且風環葉片在磨煤機筒體鄰近的圓周上以45°的傾角布置所致。由圖3（a）還可以看出，氣相進入分離器前，筒壁側流速高于錐體側；氣相進入分離器后，受流道截面變化的影響，錐體中下部氣流速度相對較小，而粉管入口氣流速度迅速增大。由圖3（b）可見，若僅考慮磨煤機上部區域，進入分離器前氣流速度分布較為均勻，流速相比圖3（a）偏低；而進入分離器后，由于流動發展更為充分，錐體內部氣流速度相比圖3（a）偏高。由圖3（c）可見，若僅考慮磨煤機下部區域，氣流經過風環向上運動，經折向裝置后迅速向磨輥蔓延，這與圖3（a）中氣流貼壁運動的特性存在顯著差異。

圖4給出了三種計算區域下氣固兩相流動阻力損失。由圖可知，整體模擬和分區域模擬得到的磨煤機下部區域流動阻力損失非常接近；得到的上部區域流動阻力損失相差0.28"kPa，總體上分區域模擬得到的流動阻力損失比整體模擬得到的高11.3%。這表明，對磨煤機上部分離器區進行單獨建模將導致流動阻力增大，使得模擬準確性降低。其原因與對磨煤機上部流域開展模擬時，入口采用質量流量邊界條件，將流速視為均勻分布，與實際情況存在較大偏差的特性密切相關。此外，筆者曾對風量分別為98、99"t·h?1磨煤機進、出口壓力進行測試，得到進、出口壓差分別為2.74、2.57"kPa，兩者均值為2.655"kPa；本模擬在100"t·h?1風量下進行，得到的進、出口壓差為2.28"kPa，比相近風量工況下的測試均值低14.1%。其原因是實際運行中磨煤機內部充滿煤粉顆粒，而本模擬中為降低計算量，采用單向耦合模擬，所給出的阻力中不含煤粉的一次風流動阻力，因此其值較小。

圖5給出了三種計算區域下顆粒運動軌跡。可以看出，在對磨煤機整體建模時，顆粒釋放后向上運動過程中受到折向裝置和磨輥臂和磨輥的阻礙作用，顆粒運動軌跡集中在三個明顯的流股上，磨煤機頂蓋附近存在粒徑較大的顆粒繞筒壁旋轉的現象。圖5（b）中結果表明，僅對磨煤機上部區域建模時，難以考慮一次風道及磨輥布置的不對稱性對氣流及顆粒運動的影響，從而使得顆粒運動軌跡分布均勻性好，顆粒被氣流攜帶且主要作軸向與徑向運動進入分離器，切向運動很弱，同時磨煤機頂蓋上顆粒繞筒壁旋轉的現象也很弱。這一流動特性促使更多大粒徑顆粒被氣流攜帶進入分離器內部，從而受離心力作用在分離器內部得到分離，使得顆粒溢出率降低。本文模擬條件下的模擬結果表明：僅對磨煤機上部區域建模時，顆粒從粉管溢出的溢出率為18.52%；而對磨煤機整體區域建模時，溢出率可達28.46%。圖5（c）中結果表明，僅對磨煤機下部區域建模時，由于計算區域出口為不受約束的自由出流邊界，顆粒運動軌跡與磨煤機整體建模時相比較為分散。這反映出僅對磨煤機下部區域建模時，風環上方氣相速度分布更為均勻，較為均勻的風環區域氣流速度有利于降低石子煤的排放量，因此，忽略磨煤機上部區域時，將得到"比實際更低的石子煤排放率。

4""""結語

本文將中速磨煤機氣固兩相流動歸納為風環結構對流場的影響、分離器流場及分離性能兩個方面，對相關研究進展進行評述，進而指出已有研究存在的問題。鑒于已有數值模擬研究中僅對磨煤機部分流域進行建模的情況，本文開展了磨煤機整體、上部和下部區域三種情況下的氣固兩相流動數值模擬，給出了三種情況下氣相速度場、氣固兩相流動阻力損失以及顆粒運動軌跡。對比結果顯示，若僅考慮磨煤機上部區域，數值模擬得到的氣相速度場、流動阻力損失及顆粒運動軌跡均存在較大的誤差；若僅考慮磨煤機下部區域，折向裝置以下的氣相速度分布與該區域流動阻力損失模擬結果較為準確，而顆粒的運動軌跡則更為分散。綜上，在今后的數值模擬研究中，特別是針對分離器流場及分離特性開展研究時，應盡可能考慮磨煤機完整流域，以避免因幾何模型簡化而帶來的模擬結果失真的問題。

參考文獻：

王鵬皓，"戴俐，"胡曉紅，"等."磨煤機分離器中氣固兩相流行為數值模擬[J]."煤炭學報，"2024，"49（8）：3658"?3666.

劉文華，"楊茉."330"MW旋流對沖鍋爐低負荷運行的低NOx燃燒優化[J]."上海理工大學學報，"2024，46（3）：293"?"300.

童紅政，"袁岑頡，"薛曉壘，"等."中速磨煤機構件對氣相場影響的數值模擬[J]."能源研究與信息，"2023，"39（3）：166"?"173.

劉愛國，"王曼曼，"王微偉."HP1163磨煤機流場數值模擬及風環改進[J]."熱力發電，"2022，"51（9）：141"?"147.

朱憲然，"趙振寧，"張清峰."中速磨煤機的石子煤特性研究[J]."中國電機工程學報，"2010，"30（23）：67"?"72.

ZHU"X，"ZHOU"T，"ZHAO"Z，"et"al."Characteristics"ofpulverizer"rejects"and"numerical"simulation"for"mediumspeed"mill[J]."Advanced"Science"Letters，"2011，"4（8"?9）：2875"?"2879.

朱憲然，"劉成永，"程亮."ZGM型中速磨煤機改造的模擬研究[J]."電站系統工程，"2013（5）：5"?"8.

閆順林，"滕龍，"劉志巍."火電廠中速磨煤機旋轉風環數值模擬研究[J]."電力科學與工程，"2014，"30（8）：12"?15.

趙虹，"劉晨曉，"楊建國，"等."中速磨煤機風環葉片傾角對磨煤機性能的影響[J]."能源工程，"2017（5）：80"?85.

PARHAM"J"J，"EASSON"W"J."Flow"visualisation"andvelocity"measurements"in"a"vertical"spindle"coal"millstatic"classifier[J]."Fuel，"2003，"82：2115"?"2123.

樊泉桂，"由俊坤，"王寧."中速磨煤機輸粉管煤粉分配均勻性的試驗研究[J]."動力工程，"2007，"27（4）：588"?591.

鄒磊，"岳峻峰，"寧新宇，"等."HP"中速磨煤機分離器改造后運行特性分析及改造效果評估[J]."熱力發電，"2012，41（6）：47"?"49.

葉如祥，"劉川槐."新型靜態分離器在MPS型磨煤機上的應用[J]."熱力發電，"2013，"42（6）：72"?"74.

LI"H，"HE"Y，"SHI"F，"et"al."Performance"of"the"static"airclassifier"in"a"vertical"spindle"mill[J]."Fuel，"2016，"177：8"?"14.

LI"H，"HE"Y，"YANG"J，"et"al."Segregation"of"coalparticles"in"air"classifier："Effect"of"particle"size"anddensity[J]."Energy"Sources"Part"A："Recovery，Utilization，"and"Environmental"Effects，"2018，"40（11）：1332"?"1341.

VUTHALURU"H"B，"PAREEK"V"K，"VUTHALURU"R.Multiphase"flow"simulation"of"a"simplified"coalpulveriser[J]."Fuel"Processing"Technology，"2005，86（11）：1195"?"1205.

SHAH"K"V，"VUTHALURU"R，"VUTHALURU"H"B.CFD"based"investigations"into"optimization"of"coalpulveriser"performance："effect"of"classifier"vanesettings[J]."Fuel"Processing"Technology，"2009，"90（9）：1135"?"1141.

AFOLABI"L，"AROUSSI"A，"ISA"N"M."Numericalmodelling"of"the"carrier"gas"phase"in"a"laboratory-scalecoal"classifier"model[J]."Fuel"Processing"Technology，2011，"92（3）：556"?"562.

董素艷，"劉松齡，"胡斌，"等."磨煤機內煤粉顆粒流的數值模擬[J]."熱力發電，"2012，"41（2）：20"?"23.

ATA?"S，"""TEKIR"U，"""PAKSOY"M"A，"et"al."Numericaland"experimental"analysis"of"pulverized"coal"millclassifier"performance"in"the"Soma"B"Power"Plant[J].Fuel"Processing"Technology，"2014，"126：441"?"452.

張峰彬，"何亞群，"李紅，"等."靜態煤粉分離器中顆粒運動特性數值模擬研究[J]."中國煤炭，"2017，"43（12）：115"?"122.

毛永清，"關天罡，"梅東升."提高中速磨煤機出力的數值模擬與試驗研究[J]."電站系統工程，"2018，"34（1）：26"?"28.

FENG"L，"ZHANG"H，"HU"L，"et"al."Classificationperformance"of"model"coal"mill"classifiers"with"swirlingand"non-swirling"inlets[J]."Chinese"Journal"of"ChemicalEngineering，"2020，"28（3）：777"?"784.

LI"H，"SONG"Z，"SUN"Z，"et"al."Operational"performancecharacteristics"of"an"axial"double"baffles"three"channelsclassifier"for"coarse"pulverized"coal[J]."PowderTechnology，"2022，"400：117250.