脈沖氣流干燥器在粉煤灰干燥中的應(yīng)用研究

倪國林，時(shí) 彤,2，姜大志,2，侍 潔

(1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051；

2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122；

3.鹽城市市區(qū)防洪管理處，江蘇 鹽城 224001)

脈沖氣流干燥器在粉煤灰干燥中的應(yīng)用研究

倪國林1，時(shí) 彤1,2，姜大志1,2，侍 潔3

(1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051；

2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122；

3.鹽城市市區(qū)防洪管理處，江蘇 鹽城 224001)

對(duì)脈沖氣流干燥器在粉煤灰烘干中的應(yīng)用效果進(jìn)行研究，結(jié)合理論設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬對(duì)粉煤灰顆粒在脈沖氣流干燥器中的干燥過程進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)了適用于粉煤灰顆粒的脈沖氣流干燥器，并利用Fluent 14.0軟件模擬其干燥過程。結(jié)果顯示：顆粒濕含量變化情況與理論計(jì)算相一致，每管段的顆粒濕含量下降速度都由大變小，顆粒終濕含量滿足干燥要求；不同位置射入的顆粒軌跡不盡相同，但其在干燥器中的停留時(shí)間基本相同，保證了顆粒干燥的均勻性；較大粒徑顆粒受內(nèi)部傳熱速度較慢的影響，干燥效果較差，且干燥器中的壓降隨粒徑的增大而增大。

脈沖氣流干燥器；粉煤灰；數(shù)值模擬；兩相流動(dòng)；壓降

脈沖氣流干燥管廣泛運(yùn)用于顆粒干燥行業(yè)，其設(shè)備簡單、體積較小、熱效率高，特有的脈沖管能強(qiáng)化顆粒與干燥介質(zhì)之間的對(duì)流作用，得到了較為廣泛的運(yùn)用。粉煤灰為工業(yè)上常用的混合材料，其綜合利用多使用干灰，目前粉煤灰的干燥工藝多采用回轉(zhuǎn)烘干設(shè)備，此類設(shè)備占地面積較大，熱能耗較高，在工業(yè)生產(chǎn)中遇到較多的問題。而脈沖氣流干燥器由于其自身的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)這些不足。因此，嘗試將脈沖氣流干燥設(shè)備運(yùn)用在粉煤灰烘干中，采用理論設(shè)計(jì)加數(shù)值模擬的方法，力求真實(shí)地得到粉煤灰顆粒在脈沖氣流干燥器中的干燥過程，為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工業(yè)運(yùn)用提供依據(jù)。

1 粉煤灰脈沖氣流干燥器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)粉煤灰的性質(zhì)，并參考實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，粉煤灰脈沖氣流干燥器的初步設(shè)計(jì)參數(shù)為：入口氣流速度為20 m/s，氣流溫度為400 ℃，擬生產(chǎn)能力為500 kg/h，顆粒初濕含量為20%，終濕含量為1%。根據(jù)高旭[1]推導(dǎo)出的脈沖氣流干燥器的計(jì)算方法來設(shè)計(jì)粉煤灰脈沖氣流干燥器，該方法結(jié)合顆粒的受力和熱平衡情況，分段設(shè)計(jì)并計(jì)算脈沖管結(jié)構(gòu)，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證該方法正確合理。采用該法得到的粉煤灰脈沖氣流干燥器的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)工程優(yōu)化后列于表1。

表1 粉煤灰脈沖氣流干燥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 CFD實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

2.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)表1設(shè)計(jì)出的粉煤灰脈沖氣流干燥器，利用UG NX6.0軟件建立其三維模型如圖1所示，將進(jìn)口段放置在Y=0平面上，管高方向與Y軸平行。由于加速段和減速段的管徑不同，如采用直接連接，在過渡段將會(huì)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，因此在建模時(shí)過渡段采用60°傾斜角的圓錐體過渡，并采用60°的倒圓角將連接處順滑處理[2]。將建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，采用10 mm大小的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。通過Gambit對(duì)網(wǎng)格評(píng)價(jià)，網(wǎng)格單元夾角小于0.8，滿足計(jì)算要求。

圖1 粉煤灰脈沖氣流干燥器幾何模型Fig.1 Model of pulsed pneumatic dryer for coal fly ash

圖2 粉煤灰脈沖氣流干燥器網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh distribution of pulsed pneumatic dryer

2.2 模型設(shè)置

脈沖器中的流場為氣固兩相流場，采用Fluent 14.0中的歐拉-拉格朗日模型進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)大量的工程經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證[3-4]，該模型可以準(zhǔn)確合理地預(yù)測顆粒和熱氣流在氣流干燥中的運(yùn)動(dòng)狀況和傳熱情況。

在數(shù)值模擬中，將干燥器進(jìn)口段邊界條件設(shè)置為速度入口(velocity inlet)，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)，其它面的邊界條件設(shè)置為壁面(wall)；求解器選擇三維單精度分離求解器，同時(shí)選擇Realizablek-ε[5]湍流模型。由于顆粒的體積分?jǐn)?shù)較小，故在多相流模型選擇Dispersed multiphase model；在近壁處理(near-wall treatment)方面，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(standard wall functions)[6]；氣固相間的曳力系數(shù)選擇average discrete phase drag，顆粒恢復(fù)系數(shù)為0.9，熱傳遞系數(shù)選擇average discrete phase heat。

2.3 物性參數(shù)

由于空氣的溫度變化較大， 其物性參數(shù)必定隨著溫度的變化而變化，所以空氣的物性參數(shù)參照干燥設(shè)備手冊(cè)[7]中的空氣物理性質(zhì)表中參數(shù)進(jìn)行線性設(shè)置，而粉煤灰顆粒的性質(zhì)則根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]得到。各個(gè)物性參數(shù)見表2。

表2 物性參數(shù)表

3 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 顆粒濕含量變化情況

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，取每段管段的末端以及各整數(shù)高度位置(y=0,400,1 000,1 760,2 000,3 000,3 300,4 000,4 800,5 000,6 000,7 000,7 150,8 000,8 800,9 000,9 880 mm)截面作為研究對(duì)象，利用Fluent中質(zhì)量加權(quán)平均的方法計(jì)算得到各個(gè)界面上粉煤灰顆粒的平均濕含量值，并將數(shù)值做成變化曲線與理論計(jì)算值相對(duì)比得到圖3。

圖3 顆粒濕含量沿管高方向的變化曲線Fig.3 Particles moisture content change curve along the tube high direction

圖3為顆粒濕含量沿管高方向的變化曲線，可以看到，數(shù)值模擬得到的顆粒濕含量變化曲線與理論計(jì)算值的走向相符，且數(shù)值模擬得到的濕含量變化曲線更加順滑，這是因?yàn)槔碚撚?jì)算采用的是分段設(shè)計(jì)方法，所得到的顆粒濕含量的變化也是分段的，而數(shù)值模擬過程則是較為連續(xù)的過程。隨著干燥的進(jìn)行，曲線中顆粒濕含量變化逐漸放緩，在過渡管段，顆粒的濕含量沒有延續(xù)縮小段逐漸減小的變化趨勢，相反有一定的加速降低，說明管徑的變化強(qiáng)化了該段顆粒與熱空氣之間的對(duì)流傳熱。模擬所得到顆粒濕含量最終停留在1.3%左右，與理論計(jì)算的1%相差較小，且在工程實(shí)際中，濕含量為2%的粉煤灰已完全滿足生產(chǎn)需要。綜上表明脈沖氣流干燥器對(duì)于粉煤灰顆粒的干燥適應(yīng)性較好。

3.2 不同位置攝入顆粒的比較研究

在入口界面上，從干燥管中心向管壁位置，依次取(0,0,0)，(20,0,0)，(30,0,0)，(50,0,0)，(70,0,0)，(74,0,0)六點(diǎn)射入的顆粒，研究不同位置射入顆粒的干燥過程。

圖4為不同位置攝入顆粒的軌跡圖。不同位置射入顆粒都可以順利運(yùn)動(dòng)出干燥管，但其運(yùn)動(dòng)軌跡不同且無特定規(guī)律，說明顆粒是離散在整個(gè)干燥管中的。過渡段氣流的擾動(dòng)使得顆粒運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)不確定性，最后得到顆粒在干燥管中的停留時(shí)間幾乎相同，如圖5所示，這對(duì)于氣流干燥極為有利，保證了從不同位置加入的顆粒有著相同的干燥過程，最終得到的產(chǎn)品濕含量也較為均勻。

圖4 不同位置射入顆粒的軌跡圖Fig.4 Path chart of the particles injected from different position

圖5 不同位置攝入顆粒的停留時(shí)間Fig.5 Residence time change curve of particles injected from different position

3.3 不同大小顆粒的干燥過程比較

粉煤灰顆粒的粒徑在5 μm～300 μm的范圍內(nèi)分布不等[9]，不同大小的顆粒由于其質(zhì)量不同，顆粒濕分的分布不同，最終在干燥管中的干燥過程也會(huì)不盡相同。改變顆粒的粒徑，對(duì)粒徑為20 μm，50 μm，80 μm，100 μm，120 μm，150 μm，200 μm，250 μm，300 μm的顆粒分別進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同粒徑粉煤灰顆粒對(duì)干燥管壓降影響、顆粒停留時(shí)間和終濕含量之間的差別。

3.3.1 不同大小顆粒對(duì)干燥管壓降的影響

干燥管中顆粒由熱氣流帶動(dòng)，管中壓力損失(壓降△P=Pin-Pout)，根據(jù)壓降公式，在Fluent中計(jì)算不同粒徑情況下管中的壓降變化，得到不同粒徑顆粒的壓降變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隨著粒徑不斷增加，干燥管中的壓降值也不斷升高，這是因?yàn)轭w粒的質(zhì)量增加，使氣固之間的動(dòng)量交換加劇，干燥管中的沿程損失和局部阻力損失增大，造成干燥過程的壓降增大。因此在粉煤灰粒徑較大的場合，應(yīng)適當(dāng)提高進(jìn)口的風(fēng)壓。

3.3.2 不同大小顆粒在管中停留時(shí)間對(duì)比

不同粒徑顆粒在干燥器中的停留時(shí)間如圖7所示，可以看出顆粒停留時(shí)間隨著粒徑的增大而增大，最大差值達(dá)到0.4 s以上。分析可知在粒徑越大時(shí)，氣流對(duì)其加速效果越差，導(dǎo)致顆粒的速度相對(duì)較慢；同時(shí)顆粒越大，其含水率相對(duì)也越大，較長的停留時(shí)間能夠更有效地保證大顆粒得到充分干燥，對(duì)于提高干燥效果有利。

圖7 不同粒徑顆粒的停留時(shí)間比較Fig.7 Residence time of different size particles

3.3.3 不同大小顆粒的終濕含量對(duì)比

不同粒徑顆粒終濕含量變化曲線如圖8所示，可以看出顆粒的終濕含量隨著粒徑的增大而不斷增大。粒徑較小的顆粒的終濕含量最低能低于設(shè)計(jì)濕含量的1%，而粒徑較大的顆粒，其終濕含量較高，當(dāng)粒徑大于230 μm以后，顆粒的終濕含量超過2%，在粒徑為300 μm時(shí)，顆粒終濕含量高達(dá)3.5%以上，說明脈沖氣流干燥器對(duì)于較大粉煤灰顆粒的干燥效果較差。分析可知，在干燥過程中熱氣流首先干燥顆粒表面的水分，這部分水分蒸發(fā)比較快，而當(dāng)顆粒表面水分蒸發(fā)完畢后，顆粒表面出現(xiàn)干點(diǎn)；內(nèi)部水分的蒸發(fā)需要熱量從顆粒表面?zhèn)鬟f到顆粒內(nèi)部，這需要一個(gè)較長的時(shí)間過程,導(dǎo)致顆粒內(nèi)部的熱傳遞速度較低，濕分的干燥過程較慢。較小粒徑的顆粒，由于其體積較小，顆粒表面的熱量能較快地傳遞到顆粒內(nèi)部，最終造成不同大小顆粒的終濕含量有很大差異。雖然大顆粒的停留時(shí)間相對(duì)較長，但是較長時(shí)間的停留并不能有效地提高大顆粒的干燥效果。不過根據(jù)粉煤灰顆粒的粒度分布[9]可知，99%以上的顆粒粒度都在150 μm以下，所以幾乎所有的粉煤灰顆粒都能干燥到生產(chǎn)要求的濕含量，滿足生產(chǎn)要求。

圖8 不同粒徑顆粒的終濕含量變化趨勢Fig.8 Particles final moisture content of different size particles

4 結(jié)論

(1)脈沖氣流干燥器對(duì)于粉煤灰顆粒有著較好的適應(yīng)性，使用脈沖氣流干燥所得到的粉煤灰顆粒濕含量變化曲線與理論計(jì)算結(jié)果相一致；

(2)不同位置射入的粉煤灰顆粒在脈沖氣流干燥器中的軌跡無特定規(guī)律，且在干燥器中的停留時(shí)間基本相同，保證了濕顆粒能夠得到較均勻的干燥；

(3)當(dāng)粉煤灰顆粒增大時(shí)，干燥器中的壓降值升高，建議在粉煤灰顆粒較大的場合適當(dāng)增加進(jìn)口風(fēng)壓；

(4)顆粒在干燥器中的停留時(shí)間隨粒徑增大而增大，最大差值在0.4 s以上，但較長的停留時(shí)間并不能有效提高大顆粒的干燥效果，大顆粒的干燥效果相對(duì)較差，由于粉煤灰顆粒粒徑99%以上都在150 μm以下，在該粒徑范圍內(nèi)的顆粒濕含量都能達(dá)到生產(chǎn)要求。

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(責(zé)任編輯：李華云)

Application Research of Pulsed Pneumatic Dryer in Coal Fly Ash Drying

NI Guolin1, SHI Tong1,2, JIANG Dazhi1,2, SHI Jie3

(1.School of Mechanical Engineering , Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu 224051,China；2.School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China;3.Flood Control Project Manage Department at Urban Area in Yancheng City, Yancheng Jiangsu 224001, China)

In this study, the application research of pulsed pneumatic dryer in coal fly ash drying is conducted. By combining the structure design and numerical simulation, the drying process is showed in this text. The pulsed pneumatic dryer for coal fly ash is caculated, and the drying process is simulated by Fluent 14.0 software. The result shows that the changes of the particles moisture content is consistent with the theoretical calculation. The particles moisture content decreases in every segment. The final moisture content can fully meet the requirement. Particles injected from different positions move in different ways, but their residence time can keep at the same level, which ensure the particles dryed uniform. The drying result of the bigger particles shows worse than the smaller ones affected by the bad heat transfer rate. The pressure loss increases with the increase of particle size.

Pulsed Pneumatic Dryer; Coal Fly Ash; Simulation Experiment; Two-Phase Flow; Pressure Loss

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201504006

2015-09-11

江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃(產(chǎn)學(xué)研合作)-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2015057-21)

倪國林(1972-)，男，江蘇射陽人，高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)檫^程裝備與機(jī)械設(shè)計(jì)。

TK173

A

1671-5322(2015)04-0022-05