本文針對上述研究不足，選取一臺 ZGM95G型中速磨煤機作為研究對象，采集了不同工況下的石子煤樣本并進行了詳細的化驗分析，填補了國內石子煤研究數據的不足。湍流磨煤機圖 5 給出了 3 個工況下 36 個噴嘴環處流量的分布，可以看到，6 號噴嘴環和31 號噴嘴環附近區域是2 個低流量區，其他噴嘴環的流量基本處于同一水平，而流量小的噴嘴環其流量比 70 中 國 電 機 工 程 學 報 第30 卷 0.60 0.50 0.40 0.30 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36噴嘴位置號 圖5 3 種工況下各噴嘴環質量流量分布 Fig. 5 Mass flow distributions of nozzle rings under different working conditions 其他噴嘴環低1/3 左右。由于在磨煤機內一次 第23 期 朱憲然等：中速磨煤機的石子煤特性研究 69 1 號噴嘴環 18 號噴嘴環 27 號噴嘴環9 號噴嘴環圖2 噴嘴環結構示意圖 Fig. 2 Sketch of nozzle rings 風與煤粉的混合和傳熱、傳質過程基本上發生在噴嘴環之上的位置，而本文的目的主要是研究噴嘴環處的流場對石子煤排放的影響，故為簡化計算，本文的數值模型只進行磨煤機內的流動模擬，不進行傳熱模擬。石子煤直徑較大時，密度對石子煤排放量的影響逐漸顯著，此時密度越大，石子煤排出的量越多。固體顆粒直徑較大時，密度對石子煤排放量的影響逐漸顯著，此時密度越大，石子煤排出的量越多。低流量區的存在也意味著該區域一次風攜帶煤粉和石子煤的能力較低，從這2 個區域落向一次風室的石子煤比其他區域更多。

 4）在粒徑較小的情況下磨煤機內的固體顆粒基本上都能被一次風攜帶出磨煤機，而隨著粒徑的增加，排出石子煤的量也逐漸增多。多數固體顆粒在射入磨煤機后很快即被一次風攜帶出磨煤機，有少數則經過噴嘴環落入一次風室而成為石子煤。湍流磨煤機 3 結論 本文以 ZGM95 型中速磨煤機為對象，采集了不同工況下的多個石子煤樣本，并進行了實驗室化驗分析。在中速磨煤機內，氣相一次風所占的體積百分比要遠高于固相石子煤的體積比，且固相是以離散顆粒的形態存在，故本文采用 DPM 模擬石子煤的排放情況。為減少計算量，模型并未包括磨煤機頂部的分離器，并對磨輥處的內部結構進行 入口風道 一次風入口上部空間 一次風室 噴嘴環圖1 ZGM磨煤機數值模型 Fig. 1 Numerical model of ZGM medium speed mill 了簡化。在DPM 中設置固相射入面時，與實際情況相近，以噴嘴環上方一個有一定錐度的環形面作為射入面，在DPM中該射入面為cone 型。

本文的石子煤實驗室分析結果豐富了我國石子煤研究的數據。可以看到，在噴嘴環后由于一次風為旋轉向上，故固體顆粒的運行趨勢也是旋轉向上的。 5）根據數值模擬結果，可有針對性地對中速磨煤機開展噴嘴環改造、風室改造以及防磨處理等工作，以使磨煤機的石子煤排放更加合理。 1 石子煤化驗分析 本文收集了我國華北某電廠同一機組、不同68 中 國 電 機 工 程 學 報 第30 卷 ZGM95 型磨煤機在不同時段排放的大量石子煤試樣，經過初步篩選形成了7 份較有代表性的石子煤 樣本。 2.4 中速磨煤機改造建議 本文的模擬可精確分析石子煤的排放，對中速磨煤機的改造具有極為現實的指導意義。湍流磨煤機將磨煤機內的一次風流動視作不可壓縮、定常湍流流動，湍流模型采用了對近壁區處理更為精確的RNG k-ε模型，近壁區的處理采用壁面函數法。

一次風從磨煤機一側吹入并由此產生的 2 個漩渦對磨煤機的性能影響很大，因為這意味著一次風室內的一次風靜壓是不均勻的，也即36 個噴嘴環入口處的靜壓是不均勻的。 2）由于一次風從磨煤機的一側吹入，因此造成36 個噴嘴環處的入口靜壓和流量不均勻，流量小的噴嘴環的流量比其他噴嘴環低1/3 左右。湍流磨煤機本文中固體顆粒的數目選擇為 10，并將其簡化為一定直徑的球形顆粒。 1）模擬結果顯示，由于一次風是從磨煤機一側吹入且在一次風室內形成漩渦，故不同噴嘴環的入口靜壓和流量均有不同。模擬時，先計算氣相場即一次風的流動，再計算固相場即石子煤的流動。由于所選磨煤機的工況相差并不太大，而石子煤樣本從外觀上表現出如此大的區別，在一定程度上說明由于我國國內電廠存在著煤質變動較大、較頻繁等情況，石子煤已不再僅僅是傳統認識上的煤矸石，而是混雜了石塊等多種物質，需對其重新認識和探討。

首先，由于我國電廠實際燃用的煤種多變且與設計煤種有較大區別，石子煤的成分千差萬別，且其排放過多或過少往往引起磨煤機著火或嚴重磨損等問題[2-3]。 2.3 固相模擬結果 由于在磨煤機內石子煤占的體積比例極低，故在利用 DPM 進行固相模擬時，并未考慮固體顆粒與氣相場之間的耦合關系。 FLUENT 中，離散相模型(discrete phase model，DPM)用于模擬體積比例小于 10%~12%的固相流動。另外，在噴嘴環上方的一個環形區域內，還有極少量的固體顆粒長時間在此做周向的旋轉運動，對比磨煤機實際的內部結構，此區域大致對應磨煤機的回煤導流環的位置。湍流磨煤機 3）模擬結果表明噴嘴環處風速，驗證了噴嘴環處的風速是影響中速磨煤機石子煤排放的一個主要因素。模型的尺寸與磨煤機實際尺寸一致，其中共有36 個噴嘴環，根據位置將此36 個噴嘴環編號，其中正對一次風入口方向的為1 號噴嘴環，以俯視磨煤機時順時針方向依次為 2~36 號磨煤機，噴嘴環模型和位置編號如圖2 所示。

利用 FLUENT 程序對中速磨煤機內的流場進行模擬，結果顯示，由于一次風是從磨煤機一側吹入，導致不同噴嘴環處的入口靜壓和流量呈不均勻分布。3 個工況下的模擬結果在流場分布和噴嘴環流量分布上有相同的規律。國內學者也將數值模擬在電廠諸多方面進行了研究與應用[12-13]，但尚未涉及到制粉系統的模擬。湍流磨煤機因此，無論國內還是國外，石子煤成分和排放特性的研究數據極其缺乏，給石子煤的排放控制帶來困難。 2.2 氣相模擬結果 根據收集的磨煤機運行參數，本文選定中速磨煤機具有典型性的60%、80%、出力3 種運行工況作為模擬研究工況，3 種模擬工況的具體參數及在FLUENT 中設定的參數如表3 所示。由于一次風是從磨煤機一側吹入，且由入口風道一次風室的流動是一個突擴的過程，因此，入口風道與一次風室相交處左右2 側不可避免地出現了2 個小型漩渦，如圖3 中漩渦1 和漩渦2 所示。

而石子煤試樣的低位發熱量值都非常低，遠遠低于文 獻[14]規定的排放值6.27MJ/kg，但是根據采集時的統計石子煤的排放量卻均已遠遠超過了中速磨煤機額定出力0.05%的規定值。湍流磨煤機可以看到，一次風進入磨煤機后首先在一次風室內均勻混合，然后進入噴嘴環，由于噴嘴環形狀為傾斜向上，因此一次風在流過噴嘴環后呈現旋轉上升的趨勢。目前許多電廠為了控制石子煤排放量，都采取直接減小噴嘴環通流面積的方法，這些無法分離出來的石子煤都將被終磨成顆粒，鐵含量的增多勢必會增加磨煤機的碾磨電耗。因此，在模擬過程中本文選取了足夠多的固體顆粒，觀察其運動的統計規律。為了更為真實地模擬磨煤機內的固相場，本文考慮了湍流脈動性對粒子軌跡的影響，采用隨機軌道模型跟蹤顆粒的軌跡。根據結果可對磨煤機內相應區域進行防磨處理，如加裝防磨襯板等。