六級預(yù)熱器優(yōu)化的數(shù)值模擬

陶從喜，趙 林，俞為民，張 凱，胡芝娟

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津 300400)

懸浮預(yù)熱是新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的核心之一，其最大的特點是將原來回轉(zhuǎn)窯內(nèi)堆積狀態(tài)的氣固換熱改進為在預(yù)熱器中的懸浮態(tài)氣固熱交換，大大提高了系統(tǒng)的換熱效率．預(yù)熱器的級數(shù)直接影響預(yù)熱器系統(tǒng)的綜合能耗，五級或六級預(yù)熱系統(tǒng)是目前國際上大量使用的預(yù)熱換熱系統(tǒng)，五級預(yù)熱器系統(tǒng)其出口廢氣溫度一般在 330 ℃，而采用六級預(yù)熱器系統(tǒng)后，出口廢氣溫度可控制在 280 ℃，再通過優(yōu)化改進后，可有效保證六級預(yù)熱器與五級預(yù)熱器功效基本相當(dāng)，因此六級預(yù)熱器系統(tǒng)其綜合能耗更低．

隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)物理理論、數(shù)值模擬方法以及計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)(CFD)在工程問題的應(yīng)用日漸成熟，顯示出了巨大的靈活性，已經(jīng)成為工程領(lǐng)域研究的主要發(fā)展方向．筆者采用大型商業(yè)通用軟件 Fluent對天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司最新開發(fā)設(shè)計的六級預(yù)熱器系統(tǒng)預(yù)熱單元進行模擬研究，提出了六級預(yù)熱器系統(tǒng)的優(yōu)化方案，為六級預(yù)熱器系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了理論支撐．

1 數(shù)學(xué)模型

按天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司最新開發(fā)設(shè)計的六級預(yù)熱器系統(tǒng)進行模擬計算，采用三維建模軟件生成計算所需的三維幾何模型，根據(jù)工程實際運行檢測的數(shù)據(jù)作為相關(guān)邊界參數(shù)．為便于了解各級預(yù)熱器的相關(guān)參數(shù)及減少計算工作量，這里采用分級計算的方法即每一計算單元為旋風(fēng)筒加其進口熱風(fēng)管道，其出口參數(shù)作為下一個計算單元的入口參數(shù)，計算由六級預(yù)熱器開始至一級換熱單元結(jié)束，計算所用的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)見圖1．

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及計算單元Fig.1 System net diagram and computational unit

1.1 氣相數(shù)學(xué)模型

大量的研究已表明，預(yù)熱器單體內(nèi)部的流動狀態(tài)為不可壓縮湍流流動[1-3]．而旋風(fēng)筒內(nèi)顆粒相的體積比率很低，滿足顆粒群軌道模型的基本條件，筆者通過大量的對比分析確定采用各向異性處理的 RSM(Reynolds stress model)對預(yù)熱器旋風(fēng)筒內(nèi)氣相的運動情況進行模擬計算．因為 RSM 能較好地捕捉切向速度和軸向速度的分布特點，能很好地反映氣體在旋風(fēng)筒內(nèi)的運動情況，能夠滿足旋風(fēng)筒模擬計算的要求[4-7]．

流體的運動雖然形式千變?nèi)f化，但都遵循基本的控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程．

質(zhì)量守恒方程又稱為連續(xù)性方程，其表達(dá)式為

式中：ρ為流體的密度；u為流體的速度；t為時間．

動量方程又稱 Navier-Stokes方程(簡稱 N-S方程)，其雷諾平均表達(dá)式[7]為

式中：h為流體的比焓；u、v和 w是流體在 x、y和 z方向上的速度；U為流體絕對速度；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；p為流體壓力；T為溫度；Φ是熱流量；Sh是源相．

在模擬計算中，為了使方程組封閉，必須對雷諾應(yīng)力進行處理．RSM放棄了各向同性假設(shè)，而是直接求解雷諾應(yīng)力方程，F(xiàn)luent中其形式為

式中： Ωk為模型常數(shù)；ε為湍流耗散率；userS為用戶源相．

1.2 顆粒相數(shù)學(xué)模型

為了計算的精確性，筆者選用離散相模型(discrete phase model，DPM)，并運用其中的隨機軌道模型追蹤預(yù)熱器內(nèi)的顆粒相的運動．當(dāng)顆粒穿過流體運動時，顆粒的軌道以及傳熱量、傳質(zhì)量可通過當(dāng)?shù)亓黧w作用于顆粒上的各種平衡作用力、對流輻射引起的熱量質(zhì)量傳遞來進行計算[8-9]．離散相模型既可以通過在一個固定的流場中(非耦合方法)來預(yù)測離散相的分布，也可以在考慮離散相對連續(xù)相有影響的流場(相間耦合方法)中考察顆粒的分布．相間耦合計算中，離散相的存在影響了連續(xù)相的流場，而連續(xù)相的流場反過來又影響了離散相的分布[10-12]．可以交替計算連續(xù)相和離散相直到兩相的計算結(jié)果都達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)．

2 計算結(jié)果分析

為了進一步優(yōu)化改進六級預(yù)熱器系統(tǒng)的性能，結(jié)合天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司開發(fā)的六級預(yù)熱器在工程中的實際使用情況，分別對原有六級預(yù)熱器和旋風(fēng)筒入口寬度增大的情況進行了模擬計算．2個系統(tǒng)的模擬計算邊界參數(shù)均相同，只是對旋風(fēng)筒入口寬度進行了調(diào)整，見表1．

表1 各級旋風(fēng)筒入口寬度對比Tab.1 Comparison of cyclone inlet width for all stages mm

2.1 壓力損失

入口加寬后，各級旋風(fēng)筒的壓力損失明顯減小，這主要是由于入口加寬后，旋風(fēng)筒入口風(fēng)速降低，從而使各級旋風(fēng)筒的壓力損失減?。倪M前后的壓力損失模擬結(jié)果如表2所示．從表2可以看出，入口加寬后，各級旋風(fēng)筒的壓力損失都明顯減小，C5～C2入口面積平均增大約 10%左右，旋風(fēng)筒壓力損失平均降低約14%左右；C1入口面積增大7.7%，壓力損失降低約 12%．這說明入口面積對旋風(fēng)筒的壓力損失影響顯著，壓損變化與面積變化之比大于1．

表2 六級預(yù)熱器系統(tǒng)旋風(fēng)筒壓力損失對比Tab.2 Comparison of cyclone pressure loss of the six-stage preheater system

2.2 換熱效果

旋風(fēng)筒入口加寬后，對于各級旋風(fēng)筒，旋風(fēng)筒內(nèi)氣體流速減小，使得筒內(nèi)部的對流換熱系數(shù)降低．但是顆粒在內(nèi)部的停留時間增大，又使筒內(nèi)換熱增強．因此系統(tǒng)換熱的影響必須綜合這幾方面的因素一起考慮．改進前后的換熱模擬結(jié)果如表3所示．

表3 六級預(yù)熱器系統(tǒng)換熱對比Tab.3 Comparison of heat exchange of the six-stage preheater system

從表3可以看出，改進后，旋風(fēng)筒換熱有小幅降低，并且隨著預(yù)熱單元級數(shù)的增大，總體上降低幅度也越來越小．因為隨著級數(shù)增大，氣體和生料顆粒之間的溫差不斷降低，氣體和生料顆粒之間的換熱量也不斷降低，這樣氣速的降低對換熱的影響就逐漸降低．

2.3 分離效率

顆粒的分離功能主要由預(yù)熱單元的旋風(fēng)筒實現(xiàn)，各級旋風(fēng)筒入口寬度擴大后，旋風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速減小，顆粒的離心作用減弱，故分離效果減低．模擬計算的結(jié)果如表4所示．

從表 4可以看出，入口加寬后，各級旋風(fēng)筒的分離效率都有所降低，但降低的幅度并不是很大，平均只有 1.4%左右，遠(yuǎn)低于入口面積變化率(平均約10.4%)，更低于壓損變化率(平均約 13.8%)．這說明旋風(fēng)筒的入口面積對分離效率有一定影響，但作用效果并不是非常顯著．

表4 六級預(yù)熱器系統(tǒng)分離效率比較Tab.4 Comparison of separation efficiency of the six-stage preheater system

2.4 流場結(jié)果

旋風(fēng)筒入口加寬后，壓力損失、換熱效果和分離效率等都發(fā)生了變化，筆者對改進前后的流場進行了對比分析，主要比較了軸向速度和切向速度．

2.4.1 軸向速度

氣體進入旋風(fēng)筒后沿邊壁旋轉(zhuǎn)向下運動，在底部發(fā)生折返，從中心螺旋流出，軸向速度呈現(xiàn)出雙峰分布的典型特點．模擬計算準(zhǔn)確地捕捉到了這一特性．旋風(fēng)筒入口加寬后，雖然入口速度減小，但由于流量保持不變，所以對軸向速度的影響并不顯著．筆者對各級旋風(fēng)筒內(nèi)不同部位的軸向速度都進行了比較，發(fā)現(xiàn)各級旋風(fēng)筒的軸向速度變化規(guī)律基本一致．故本文只給出了 C4旋風(fēng)筒的比較結(jié)果．圖 2給出了C4旋風(fēng)筒比較位置．

圖2 C4級旋風(fēng)筒比較位置示意Fig.2 Schematic drawing of the comparison position for Fig.2 the fourth stage cyclone

從圖 3(a)～(d)可以看出，旋風(fēng)筒內(nèi)的軸向速度呈典型的雙峰分布特性，軸向速度并不是很高，在平均入口風(fēng)速 18,m/s的情況下，大部分區(qū)域的軸向速度都在 20,m/s之內(nèi)，這說明由軸向速度引起的流動損失比較小，與相關(guān)的研究結(jié)論吻合[13-16]．從圖 3(e)和圖 4可以看出，入口寬度改大后，外部的準(zhǔn)自由渦不斷擠壓中間的剛性強制渦，使中間的強制渦區(qū)域不斷減?。@樣能量耗損和壓力損失將極大地減?。畯膱D 3(f)和圖 5可以看出，旋風(fēng)筒入口加寬后，旋風(fēng)筒下錐體內(nèi)的局部渦流減弱，這樣有助于減小旋風(fēng)筒底部飛灰的二次飛散問題．

2.4.2 切向速度

旋風(fēng)筒入口加寬后，入口風(fēng)速降低，入口角動量也相應(yīng)降低，根據(jù)角動量守恒，旋風(fēng)筒內(nèi)的切向速度也會相應(yīng)減小，模擬計算的結(jié)果與理論分析吻合得很好．筆者對各級旋風(fēng)筒內(nèi)不同部位的切向速度都進行了對比，發(fā)現(xiàn)各級旋風(fēng)筒的切向速度變化規(guī)律基本一致．圖 6給出了 C4旋風(fēng)筒的比較結(jié)果，比較位置與軸向速度相同．

從圖6可以看出，旋風(fēng)筒內(nèi)的切向速度呈明顯的強制渦，即準(zhǔn)自由渦分布特點，切向速度很大，對氣體在旋風(fēng)筒內(nèi)的運動起主導(dǎo)作用，這與前人許多研究成果相近[17-18]．在平均入口風(fēng)速 18,m/s的情況下，大部分區(qū)域的切向速度都在 20,m/s以上，峰值切向速度接近 50,m/s，約是入口平均風(fēng)速的 2.5倍．這些都表明旋風(fēng)筒的阻力損失主要由切向速度決定．

圖3 軸向速度比較Fig.3 Comparison of axial velocity

圖4 線5處截面軸向速度云圖Fig.4 Axial velocity field in the cross section denoted by Line 5

圖5 底部斜椎截面軸向速度矢量圖Fig.5 Axial velocity vector in the cross section of the bottom cone

圖6 切向速度比較Fig.6 Comparison of tangential velocity

從這些圖中還可以看出，旋風(fēng)筒入口加寬后，切向速度發(fā)生了較明顯變化，且變化分布區(qū)域明顯不同．在中心強制渦區(qū)域，切向速度受到的影響很小，基本可以忽略不計．在外部準(zhǔn)自由渦區(qū)域，切向速度明顯減小，從而對壓力損失和分離效率產(chǎn)生較大的影響．切向速度減小，氣體與壁面以及氣體內(nèi)部的各種摩擦損失、碰撞損失等都會減小，從而使旋風(fēng)筒的壓力損失減?。邢蛩俣葴p小，顆粒受到的離心力也減小，顆粒不容易被分離，從而使旋風(fēng)筒的分離效率下降．從這里可以看出，準(zhǔn)自由渦區(qū)的切向速度對壓力損失和分離效率的影響作用是相互矛盾的，需要相互權(quán)衡，選擇一個相對較合適的值．

從圖 7中還可以看出，旋風(fēng)筒入口加寬后，準(zhǔn)自由渦的區(qū)域有輕微的增大，這意味著旋風(fēng)筒的有效分離區(qū)域增大，對分離效率的提高是有利的．這主要是由于入口向內(nèi)加寬后，外部氣體對旋風(fēng)筒內(nèi)氣體的沖擊區(qū)域加大，從而抑制了中心區(qū)強制渦的發(fā)展，使準(zhǔn)自由渦區(qū)域增大．

圖7 線6處截面切向速度云圖Fig.7 Tangential velocity field in the cross section denoted by Line 6

2.5 實際應(yīng)用

根據(jù)本文對旋風(fēng)筒入口加寬后的優(yōu)化研究，筆者在五級預(yù)熱器上做了工程實踐，改進前的五級預(yù)熱器總壓力損失為4,100,Pa，投產(chǎn)后改進的五級預(yù)熱器系統(tǒng)總壓力損失為3,523,Pa，系統(tǒng)壓損減少577,Pa，而預(yù)熱器出口溫度變化很小，與本研究結(jié)果十分吻合，這也對今后六級預(yù)熱器的優(yōu)化改進進一步明確了方向．

3 結(jié) 論

采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)和離散相模型(DPM)對天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司開發(fā)的六級預(yù)熱器原型及其優(yōu)化改進的的預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)流場、預(yù)熱器系統(tǒng)換熱效果及物料分離效率進行了模擬計算及研究分析，得出以下結(jié)論：

(1) 優(yōu)化改進后的六級預(yù)熱器系統(tǒng)總體壓損較原系統(tǒng)降低 593 Pa，降幅為 13.8%，旋風(fēng)筒的總分離效率僅降低 1.4%，系統(tǒng)換熱效果略有降低，預(yù)熱器出口溫度將小幅上升 1.7%，說明優(yōu)化后的六級預(yù)熱器系統(tǒng)其性能指標(biāo)較原系統(tǒng)更能實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能減排的要求．

(2) 軸向速度的結(jié)果表明，優(yōu)化改進后的旋風(fēng)筒入口加寬，旋風(fēng)筒下錐體內(nèi)的局部渦流減弱，這樣有助于減小旋風(fēng)筒底部飛灰的二次飛散問題，從而可有效防止旋風(fēng)筒的分離效率的降低．

(3) 切向速度的結(jié)果表明，優(yōu)化改進后的旋風(fēng)筒入口加寬，切向速度減小，從而使旋風(fēng)筒的壓力損失減??；顆粒受到的離心力也減小，顆粒不容易被分離，從而使旋風(fēng)筒的分離效率有所下降．但準(zhǔn)自由渦的區(qū)域有輕微的增大，這意味著旋風(fēng)筒的有效分離區(qū)域增大，對分離效率的提高是有利的．各方面的綜合結(jié)果優(yōu)化后的旋風(fēng)筒其分離效率降低很小，但阻力降低幅度較大．

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