CFD技術(shù)在生產(chǎn)線技改中的應(yīng)用

崔洪坤

（中建材（合肥）熱工裝備科技有限公司，合肥市 230051）

CFD技術(shù)在生產(chǎn)線技改中的應(yīng)用

崔洪坤

（中建材（合肥）熱工裝備科技有限公司，合肥市 230051）

采用CFD技術(shù)對水泥生產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)值模擬，可方便地獲得一些實驗室條件不易得到的信息，如：分解爐內(nèi)速度場、溫度場、顆粒軌跡和粒子停留時間等，能夠直觀分析生產(chǎn)線存在的問題。對生產(chǎn)管理、技術(shù)改造提供參考和理論依據(jù)。本文則為CFD技術(shù)在技術(shù)改造中的應(yīng)用實例，CFD技術(shù)的應(yīng)用大大縮短了設(shè)計時間，對生產(chǎn)線技改、設(shè)備優(yōu)化起到了指導(dǎo)作用，取得了良好的效果。

CFD技術(shù)；數(shù)值模擬；速度場；溫度場；粒子停留時間；技術(shù)改造

1、引言

近年來，通過CFD技術(shù)，工程技術(shù)及研究人員可以方便地獲得一些實驗室條件不易得到的信息，可以為工程設(shè)計、生產(chǎn)管理、技術(shù)改造提供各種必須的參數(shù)，如系統(tǒng)壓力場、速度場、溫度場、氣體濃度分布、顆粒停留時間以及燃燼程度等參數(shù)。在掌握上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 結(jié)合自身的實踐經(jīng)驗和試驗驗證，可快速而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、分析和解決現(xiàn)有設(shè)備和設(shè)計中不足之處。為創(chuàng)新設(shè)計、工程改造提供依據(jù)， 大大降低研發(fā)成本和周期。

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，采用CFD技術(shù)以南方水泥某企業(yè)2500t/d分解爐為研究對象，對新型干法水泥熟料生產(chǎn)技術(shù)中主要的設(shè)備分解爐進(jìn)行數(shù)值模擬計算，根據(jù)模擬結(jié)果和實踐經(jīng)驗對該生產(chǎn)線進(jìn)行了改造，取得了良好效果，得到業(yè)主的好評。

2、技改前分解爐的數(shù)值模擬

該生產(chǎn)線技改前存在C1出口氣體溫度偏高（350℃左右）、系統(tǒng)阻力大（＞6200Pa），電耗、熱耗高；分解爐容積偏?。?14m3），爐內(nèi)風(fēng)速偏高，生料和煤粉燃燒停留時間短(4.5s)，無煙煤不能在分解爐內(nèi)燃盡，熱效率低等問題。圖1、2為技改前分解爐幾何結(jié)構(gòu)和數(shù)值模型。表1為技改前分解爐的參數(shù)。對分級爐進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖3），結(jié)合實踐定義邊界條件后進(jìn)行數(shù)值模擬，主要結(jié)果如圖4、5、6。

縮口直徑（凈空） 分解爐直徑（凈空） 鵝頸管直徑（凈空） 爐容積（帶鵝頸管）尺寸 1630mm 5400mm 3500mm 814m3

圖1 技改前分解爐幾何結(jié)構(gòu)

圖2 技改前分解爐數(shù)值模型

圖3 技改前分解爐網(wǎng)格劃分

圖4 技改前分解爐的速度場

圖5 技改前分解爐內(nèi)溫度場

圖6 技改前分解爐內(nèi)粒子停留時間

通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，分解爐風(fēng)速平均在 8.7m/s，相當(dāng)數(shù)量的生料粒子停留時間在5s以下，對無煙煤煤粉燃燒和碳酸鈣分解不利。從溫度場看，爐體中上部有局部的高溫，為煤粉分布不均造成，可能造成分解爐結(jié)皮等問題。

3、技改措施及技改后分解爐的數(shù)值模擬

3.1 預(yù)分解系統(tǒng)技改措施

根據(jù)技改前數(shù)值模擬結(jié)果和實踐經(jīng)驗，對預(yù)分解系統(tǒng)做如下改造：

1、增大分解爐容積。改后的分解爐和鵝頸管總有效容積由原爐型的814m3擴大到1509m3，物料在爐內(nèi)的停留時間由原來的4.5s上升到6.3s，提高了生料的分解率和煤粉的燃燼率，能夠滿足無煙煤燃燒需要。

2、取消預(yù)燃室，C4下料全部進(jìn)入分解爐，三次風(fēng)管改為單管偏心進(jìn)入分解爐下錐體。有利于三次風(fēng)和窯氣在分解爐底部形成強烈的噴旋結(jié)合作用，使生料和煤粉分散的更均勻，分解爐底部溫度場更為合理，避免局部高溫，提高換熱效率、生料分解，利于分解爐內(nèi)煤粉混合和燃燒。

3、將原撒料箱改為獲得實用新型專利授權(quán)的擴散式撒料箱，能使物料的分散效果更均勻，進(jìn)一步提高換熱效率。

4、對窯尾噴煤管噴煤角度進(jìn)行調(diào)整，改善錐部三次風(fēng)、窯氣、煤的混合流場，從而改善分解爐內(nèi)溫度場，提高分解爐熱效率和容積利用率。

3.2 技改后分解爐的數(shù)值模擬

針對以上技改措施，對技改后的分解爐進(jìn)行數(shù)值模擬驗證，給技改提供理論支撐和直觀性。技改后的分解爐數(shù)值型和網(wǎng)格劃分見圖7、圖8。由溫度場可以看出，新分解爐內(nèi)部溫度分布均勻，爐體下部中間部位附近高溫區(qū)有利于無煙煤的燃燒和生料的快速分解。

圖7 技改后分解爐的數(shù)值模型

圖8 技改后分解爐的網(wǎng)格劃分

圖9 技改后分解爐內(nèi)溫度場

圖10 技改后分解爐內(nèi)粒子停留時間

由粒子停留時間可以看出，新爐型的噴旋結(jié)合作用非常明顯，出口處黃色的線條表示粒子在爐中將停留10s以上，使煤粉充分燃燒放熱，生料充分分解。

根據(jù)技改前后計算機模擬仿真的結(jié)果比較可以看出，技改后分解爐內(nèi)溫度分布更加均勻，生料和煤粉的分散效果好且停留時間長，煤粉燃盡率高。由于生料分散效果好且停留時間長，換熱分效率高，有效提高了解爐容積利用率，使技改后系統(tǒng)能夠滿足100%使用無煙煤的要求。

4、技改后生產(chǎn)線實際運行情況

該項目是CFD技術(shù)與實踐經(jīng)驗相結(jié)合在技改工程中的成功典范，通過對分解爐的數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確地得到分解爐內(nèi)部的各種物理量的分布，預(yù)測分解爐系統(tǒng)的性能，使得我們可以在系統(tǒng)投入商業(yè)運行之前對其性能具有充分的掌握，此外，針對特殊的原燃料特性和業(yè)主需求，例如無煙煤的燃燒，進(jìn)行個性化的設(shè)計，以確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定且高效。

CFD的成功應(yīng)用，加快了技改設(shè)計周期，降低了技改投資，對系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化起到了重要作用，取得了良好效果。經(jīng)過本次技改，在較短的工期內(nèi)實現(xiàn)了技改目標(biāo)，一次投料成功，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了100%無煙煤煅燒，窯產(chǎn)量達(dá)到3217t/d，C1出口溫度由改造前的360℃左右下降到290-300℃，噸熟料標(biāo)煤耗103.6kg，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

TQ172

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1007-6344（2015）09-0003-01