低階煤管式氣流干燥過(guò)程的數(shù)值模擬*

王 慧 渾寶炬 夏新茹

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

低階煤管式氣流干燥過(guò)程的數(shù)值模擬*

王 慧 渾寶炬 夏新茹

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

管式氣流干燥技術(shù)是當(dāng)前低階煤干燥提質(zhì)的主流技術(shù)之一，具有干燥效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為研究低階煤在氣流干燥過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)情況，對(duì)其中的倒U型干燥管采用Fluent軟件進(jìn)行了氣固兩相流的數(shù)值模擬，結(jié)果表明：熱煙氣和低階煤顆粒在干燥管的彎管部位傳熱最好，改變進(jìn)口熱煙氣溫度有助于兩者之間的換熱。

管式氣流干燥 低階煤 干燥提質(zhì)技術(shù) 數(shù)值模擬 Fluent

低階煤是低變質(zhì)程度的煤，其灰分、含硫量低，密度小，黏結(jié)性差，揮發(fā)分、含水量、活性強(qiáng)度高，但熱穩(wěn)定性很差，發(fā)熱量較低，易風(fēng)化、發(fā)生自燃，不宜長(zhǎng)期貯存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。低階煤干燥提質(zhì)技術(shù)是利用煙氣直接或間接傳熱給低階煤進(jìn)行脫水處理，實(shí)現(xiàn)煤發(fā)熱量的提高，因而被廣泛應(yīng)用于煤炭加工行業(yè)[1-3]。管式氣流干燥過(guò)程是高溫干燥介質(zhì)與濕物料直接接觸一并進(jìn)入倒U型干燥管，高溫介質(zhì)將熱能傳遞給濕物料后，濕物料中的水分以氣體形態(tài)擴(kuò)散出去，完成傳熱、傳質(zhì)過(guò)程[4-6]。本研究利用流體力學(xué)Fluent軟件[7]對(duì)倒U型干燥管中的高溫?zé)煔馀c濕低階煤兩相流的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析倒U型干燥管內(nèi)高溫?zé)煔飧稍餄竦碗A煤時(shí)的流動(dòng)與傳熱情況，有助于優(yōu)化管式氣流干燥管參數(shù)。

1 管式氣流干燥工藝

管式氣流干燥工藝設(shè)備主要有磨煤機(jī)、鍋爐、倒U型干燥管、一級(jí)分離器、二級(jí)除塵器、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)、煙囪等，工藝流程如圖1所示。

本研究數(shù)值模擬的對(duì)象為干燥管，該干燥管為一倒U型等直徑管，在干燥過(guò)程中，濕低階煤被高溫?zé)煔鈳?dòng)一起自下而上輸送至干燥管且同向運(yùn)動(dòng)，至彎管部位方向才有所變化[8]。煙氣在鍋爐內(nèi)加熱后在倒U型干燥管的進(jìn)口處與磨碎后的濕低階煤顆粒直接接觸，濕低階煤被高溫?zé)煔鈳?dòng)自下而上運(yùn)動(dòng)。在干燥時(shí)，熱煙氣與低階煤顆粒的溫度和速度一直發(fā)生變化，從而脫除低階煤內(nèi)的水分。干燥后的低階煤顆粒與煙氣進(jìn)入一級(jí)分離器進(jìn)行氣固分離，分離后的煙氣由二級(jí)除塵器、布袋除塵器進(jìn)行二次除塵，收集到的低階煤物料進(jìn)入煤倉(cāng)，經(jīng)過(guò)除塵的煙氣通過(guò)引風(fēng)機(jī)由煙囪排放至大氣中[9]。

圖1 管式氣流干燥技術(shù)流程

2 Fluent軟件數(shù)值模擬

根據(jù)管式氣流干燥技術(shù)特征，在構(gòu)建模型時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)置：①低階煤顆粒的濕度與溫度沿軸方向均勻變化；②低階煤顆粒與熱煙氣并流，且懸浮顆粒無(wú)回流；③低階煤顆粒大小均勻，屬于球形，低階煤顆粒均勻分布于干燥管內(nèi)，干燥管壁絕熱[10-11]。

2.1 干燥管模型構(gòu)建

利用Fluent軟件的前處理器Gambit對(duì)倒U型干燥管進(jìn)行模型繪制：高2 m，直徑0.038 m，模型共劃分為57 920個(gè)六面體網(wǎng)格，干燥管的模型網(wǎng)格如圖2所示。設(shè)置干燥管的進(jìn)口為“VELOCITY_INLET”、出口為“OUTFLOW”、壁面為“WALL”。

2.2 求解設(shè)定

將干燥管中的氣體-顆粒流視為不可壓縮，選擇基于有限體積法的壓力基求解器，并選擇隱式、穩(wěn)態(tài)。干燥時(shí)涉及到了傳熱，因而開(kāi)啟能量方程。湍流參數(shù)設(shè)置時(shí)選擇定義湍動(dòng)能k與湍動(dòng)耗散率ε。多相流模型選用Eulerian模型，主相為煙氣，次相為低階煤顆粒，其物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 倒U型干燥管的模型網(wǎng)格

表1 材料物理性質(zhì)參數(shù)

低階煤顆粒粒徑取300 μm，“Phase Interaction”中的曳力選擇“Gidaspow”，熱交換模型選擇“Gunn”。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 壓力場(chǎng)分析

壓力場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 氣固兩相混合的壓力云圖

圖4 氣固兩相混合的彎管部位壓力云圖

由圖3、圖4可知：干燥管從進(jìn)口到出口方向氣固兩相混合物的壓力呈逐漸減小的趨勢(shì)，壓力最大值出現(xiàn)在進(jìn)口處，上升區(qū)域的壓力降低較均勻，下降區(qū)域的壓力值變化幅度不大，直至接近出口處，壓力才下降至最小，且壓力值為負(fù)值，這是由于低階煤顆粒在熱煙氣的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)以及顆粒之間的碰撞造成了壓力損失。由于低階煤顆粒的慣性作用使得干燥管內(nèi)側(cè)的壓力低于外側(cè)。

2.3.2 速度場(chǎng)分析

低階煤顆粒在整體干燥管中的速度分布情況見(jiàn)圖5。由圖5可知：低階煤顆粒在進(jìn)口處在高溫?zé)煔獾膸?dòng)下開(kāi)始加速，且速度變化較大，隨后低階煤顆粒與熱煙氣的相對(duì)速度逐漸減小，顆粒由加速運(yùn)動(dòng)變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)，直至彎管部位速度才開(kāi)始減小，且干燥管外側(cè)的速度小于內(nèi)側(cè)，在剛進(jìn)入下降區(qū)域時(shí)低階煤顆粒的速度仍在減小，但隨后逐漸增大。進(jìn)一步分析可知：在倒U型干燥管的進(jìn)口處，低階煤顆粒的速度為0，在有一定速度的高溫?zé)煔鈳?dòng)下而產(chǎn)生了速度，此時(shí)顆粒與煙氣有最大的相對(duì)速度，且在進(jìn)口段低階煤顆粒量是最多的，有最大的傳熱表面積，所以該處的傳熱系數(shù)值最大，且該處的傳熱效率遠(yuǎn)高于隨后階段，可認(rèn)為倒U型干燥管的進(jìn)口加速階段是整體干燥中影響最多的階段。

圖5 低階煤顆粒的速度云圖

2.3.3 溫度場(chǎng)分析

熱煙氣在干燥管中的溫度分布情況見(jiàn)圖6、圖7。由圖6、圖7可知：在倒U型干燥管的上升區(qū)域煙氣溫度變化較明顯，而在彎管部位變化較平緩，且干燥管外側(cè)溫度高于內(nèi)側(cè)，原因是低階煤顆粒的慣性使其大多數(shù)聚集于彎管外側(cè)，濃度較大，從而使其與煙氣的熱交換更加劇烈，干燥管下降區(qū)域的煙氣溫度持續(xù)緩慢降低，到達(dá)出口時(shí)溫度達(dá)到了最低值。

在低階煤干燥脫水過(guò)程中，熱煙氣的熱量傳遞給低階煤顆粒表面，而低階煤顆粒的外在水分受熱后以氣體形態(tài)從顆粒表面擴(kuò)散出，因此熱煙氣的溫度逐漸降低，而低階煤顆粒的溫度逐漸升高，最終完成了低階煤顆粒的干燥，因此對(duì)傳熱進(jìn)行強(qiáng)化可使得低階煤顆粒干燥更加充分。

2.3.4 不同條件下干燥管內(nèi)Nu數(shù)的分布情況

由于努賽爾數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Nu數(shù))可更好地反映出倒U型干燥管內(nèi)的換熱情況，為此，在干燥管中不同長(zhǎng)度的位置設(shè)置了11個(gè)點(diǎn)，分別計(jì)算出各點(diǎn)的Nu數(shù)，得到了干燥管不同長(zhǎng)度位置的傳熱情況，見(jiàn)圖8。

圖6 煙氣的溫度云圖

圖7 煙氣彎管部位的溫度云圖

圖8 不同速度、溫度下干燥管各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Nu數(shù)

由圖8可知：①改變倒U形干燥管進(jìn)口處煙氣速度時(shí)，干燥管內(nèi)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Nu數(shù)變化不明顯，可見(jiàn)，改變進(jìn)口煙氣速度不影響低階煤顆粒與熱煙氣之間的傳熱效果；②升高U型干燥管進(jìn)口熱煙氣溫度易使整體干燥管內(nèi)混合物間的Nu數(shù)增大，說(shuō)明增加進(jìn)口熱煙氣溫度有助于煙氣與低階煤顆粒之間的換熱；③倒U型干燥管內(nèi)低階煤顆粒在干燥時(shí)，上升區(qū)域的Nu數(shù)逐漸增大，彎管部位的Nu數(shù)快速增大，這是因?yàn)榈碗A煤顆粒與熱煙氣在該處的相對(duì)速度最大，而在下降區(qū)域時(shí)Nu數(shù)又逐漸減小。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用Fluent軟件對(duì)低階煤管式氣流的干燥過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)干燥時(shí)熱煙氣與低階煤顆粒兩相流的流場(chǎng)分布情況及干燥管進(jìn)口處的不同煙氣速度與溫度對(duì)傳熱效果的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，為相關(guān)研究提供參考。

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·記者在線·

紫金礦業(yè)下屬威斯特銅業(yè)通過(guò)CNAS能源管理體系認(rèn)證

近日，紫金礦業(yè)集團(tuán)權(quán)屬企業(yè)青海威斯特銅業(yè)取得具有“cnas”標(biāo)志的gb/t23331—2012能源管理體系認(rèn)證證書(shū)。

cnas是由國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)批準(zhǔn)設(shè)立并授權(quán)的國(guó)家認(rèn)可機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一負(fù)責(zé)對(duì)認(rèn)證機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室和檢查機(jī)構(gòu)等相關(guān)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可工作，其“cnas”標(biāo)志在全球具有很高的權(quán)威性，在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家均獲承認(rèn)。

*河北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究基金項(xiàng)目(編號(hào)：ZD20131063)。

2015-07-27)

王 慧(1990—)，女，碩士研究生，063000 河北省唐山市新華西道46號(hào)。