分解爐三次風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張凱，厲惠良，陶從喜，彭學(xué)平

分解爐三次風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

Study on Op tim iza tion o fCa lc ine r Te rtia ry Air Duc t Struc ture

張凱1，厲惠良3，陶從喜2，彭學(xué)平1

本文主要研究三次風(fēng)管的兩種結(jié)構(gòu)形式（即向上偏置不同夾角和水平偏置不同距離）對(duì)分解爐性能的影響。研究結(jié)果表明，在分料30%情況下，且燃用煤粉為較好的煙煤時(shí)，三次風(fēng)管偏置不同距離并不能明顯提高分解爐性能；偏置夾角為30°時(shí)，分解爐出口溫度最低，CaCO3分解率最高，性能參數(shù)最佳。

三次風(fēng)管；分解爐；偏置

1　引言

水泥預(yù)分解系統(tǒng)中分解爐是生料分解的主要設(shè)備，它不僅影響著燃料是否燃盡、預(yù)熱器出口溫度的高低，同時(shí)也決定著窯內(nèi)入口生料分解是否充分以及生料煅燒的好壞，是非常關(guān)鍵的設(shè)備之一。由于分解爐內(nèi)不僅發(fā)生燃料燃燒，還發(fā)生生料的分解，化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，一般的數(shù)學(xué)和理論方法無(wú)法對(duì)其進(jìn)行分析。本文采用CFD技術(shù)，結(jié)合商業(yè)軟件，同時(shí)自行開(kāi)發(fā)分解爐模塊，完成對(duì)分解爐燃料燃燒和生料分解的仿真計(jì)算。通過(guò)CFD技術(shù)研究不同的三次風(fēng)管結(jié)構(gòu)形式對(duì)分解爐性能的影響，并優(yōu)化得到最佳的三次風(fēng)管結(jié)構(gòu)形式。

2　物理模型分析

本文主要研究三次風(fēng)管的兩種結(jié)構(gòu)形式，即向上偏置不同夾角和水平偏置不同距離。向上偏置不同夾角，分別考慮不偏置和向上偏置5°、10°、15°、20°、30°和40°等7個(gè)工況，具體模型見(jiàn)圖1。水平偏置不同距離，分別考慮不偏置和偏置0.5m、1m和1.5m等四個(gè)工況，具體模型見(jiàn)圖2所示，偏置示意圖見(jiàn)圖3。分解爐模型是參照實(shí)際5 000t/d生產(chǎn)線分解爐建模，在對(duì)比不同偏置角度時(shí)，三次風(fēng)管是對(duì)稱布置；而對(duì)比不同偏置距離時(shí)，三次風(fēng)管也是水平布置。分別考察三次風(fēng)管兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式對(duì)分解爐燃料燃燒和生料分解換熱的影響。

3　計(jì)算模型分析

3.1氣相湍流模型

氣相湍流模型采用standard k-ξ模型，該模型具有較好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和較高的計(jì)算精度，是湍流模型中應(yīng)用最為廣泛的模型。Standard k-ξ模型通過(guò)求解k方程和ξ方程，得到k和ξ的解，然后由此計(jì)算湍流粘度μt，最終利用Boussinesq假設(shè)得到雷諾應(yīng)力。

湍動(dòng)粘度μt可表示成k和ξ的函數(shù)，即：

其中Cμ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)k-ξ模型中，k和ξ是兩個(gè)基本未知量，與之相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

式中：

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)

Gb——由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)

YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)

3.2氣相燃燒模型

燃燒過(guò)程中采用組分輸運(yùn)模型，物質(zhì)的輸運(yùn)方程如下：

圖1　分解爐三次風(fēng)管向上偏置角度模型

圖2　分解爐三次風(fēng)管不同偏置距離模型

圖3　分解爐三次風(fēng)管偏置距離示意圖

式中：

Ri——化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率

Si——離散相及用戶定義的源相導(dǎo)致的額外產(chǎn)生的速率

對(duì)于層流：擴(kuò)散通量-Ji由物質(zhì)i的濃度梯度產(chǎn)生，計(jì)算如下：

式中：

Di，m——混合物中第I中物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)

對(duì)于湍流，上式修正為：

Finite-rate/Eddy-dissipation模型中，使用Arrhenius公式計(jì)算Finite-rate化學(xué)源項(xiàng)，使用Eddy-Dissipation Model中利用湍流控制反應(yīng)速率。

3.3焦炭燃燒模型

在碳表面上發(fā)生的多相反應(yīng)，由幾個(gè)連續(xù)的階段組成。其中最慢而最重要的是氧向碳粒表面的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散階段和氧在碳表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)階段。因此碳的多相燃燒速度既取決于氧向碳粒表面的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散速度，也決定于氧與碳粒的化學(xué)反應(yīng)速度，而且最終決定于其中速度最慢的一個(gè)。

在多相燃燒中，根據(jù)燃燒條件的不同，可以將多相分成三種燃燒區(qū)域，即動(dòng)力燃燒區(qū)域、擴(kuò)散燃燒區(qū)域和過(guò)渡燃燒區(qū)域。焦炭燃燒模型選擇動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型。動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率（kinetic/diffusion-limitted）模型假定表面反應(yīng)速率同時(shí)受到擴(kuò)散過(guò)程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。

擴(kuò)散速率常數(shù)為：

化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)為：

依據(jù)二者不同的加權(quán)值得到焦炭的燃燒速率為：

表1　氣體成分及參數(shù)

表2　生料顆粒級(jí)配

表3　煤粉顆粒級(jí)配

表4　生料參數(shù)

表5　煤粉參數(shù)

表6　三次風(fēng)管不同偏置距離性能對(duì)比表

表7　三次風(fēng)管不同向上偏置角度性能對(duì)比表

式中：

pox——顆粒周?chē)臍庀嘌趸瘎┑姆謮耗Ｐ椭屑俣w粒尺寸不變，但顆粒密度可以降低

3.4輻射模型

離散坐標(biāo)（DO）輻射模型的求解是從有限個(gè)立體角發(fā)出的輻射傳播方程（R T→E）,每個(gè)立體角對(duì)應(yīng)著坐標(biāo)系（笛卡爾）下的固定方向S,立體角的精度根據(jù)實(shí)際的需要定義。DO模型把輻射傳熱方程轉(zhuǎn)化→為空間坐標(biāo)系的輻射強(qiáng)度的輸運(yùn)方→程。有多→少個(gè)方向S，就求解多少輸運(yùn)方程。在位置r、沿方向s的輻射傳播方程（RSE）為：

式中：→

輻射傳熱方程的解算出輻射強(qiáng)度I就可以為傳熱方程添加輻射源項(xiàng)。

4　模擬物性參數(shù)及初始條件

圖4　不同偏置距離溫度對(duì)比云圖

圖5　不同偏置距離速度對(duì)比云圖

圖6　不同偏置距離O2濃度對(duì)比云圖

圖7　不同偏置距離CO濃度對(duì)比云圖

圖8　分解爐內(nèi)不同高度O2濃度變化圖

圖9　分解爐內(nèi)不同高度溫度變化圖

三次風(fēng)管不同偏置距離和向上偏置角度的分解爐仿真計(jì)算中所用參數(shù)和分解爐的設(shè)計(jì)計(jì)算完全一致，目的就是為了考察三次風(fēng)管不同偏置距離和向上偏置角度在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用時(shí)的性能效果，具體計(jì)算參數(shù)如下。

5　計(jì)算結(jié)果及討論

5.1三次風(fēng)管不同偏置距離仿真計(jì)算

根據(jù)表5可以看出，對(duì)于5 000t/d分解爐三次風(fēng)管偏置，四個(gè)不同的偏置距離，分解爐出口O2濃度相差不大，呈略微下降趨勢(shì)；出口溫度也呈逐漸下降趨勢(shì)，只是幅度較小。而出口CaCO3分解率則變化不大。分析其原因，主要是因?yàn)槿物L(fēng)管的偏置確實(shí)能改善爐內(nèi)的流場(chǎng)和燃燒狀況，只是由于爐徑較小，改善幅度較小，加上燃燒過(guò)程本來(lái)波動(dòng)幅度較大，自然無(wú)法完全體現(xiàn)出三次風(fēng)管偏置的好處。

由圖4可以看出，偏置距離為1m和1.5m時(shí)，分解爐出口溫度較低，但是爐內(nèi)火焰貼壁，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)，容易結(jié)焦結(jié)皮。由圖5和圖6可以看出，隨著偏置距離的增大，爐內(nèi)的速度和O2濃度分布趨向均勻，這有利于煤粉在爐內(nèi)均勻分布和均勻燃燒。圖7表明爐內(nèi)CO的分布范圍，隨著偏置距離加大，CO范圍也更大一些。另外，圖8和圖9表明分解爐不同高度的O2濃度和溫度變化情況，不同的偏置距離分解爐內(nèi)的溫度峰值和O2濃度峰值相差不大，總體上是偏置距離大，則溫度峰值較高，O2濃度峰值較低。綜上所述，在分料30%且燃用煤粉為較好的煙煤時(shí)，三次風(fēng)管采用偏置并不能明顯提高分解爐性能。

圖10　不同偏置角度溫度對(duì)比云圖

圖11　不同偏置角度O2濃度對(duì)比云圖

圖12　分解爐內(nèi)不同高度O2濃度變化圖

圖13　分解爐內(nèi)不同高度溫度變化圖

5.2三次風(fēng)管不同向上偏置角度仿真計(jì)算

由表6可以看出，采用不同的三次風(fēng)管與水平線夾角（5°、10°、15°、20°、30°、40°），隨著夾角的增大，分解爐出口溫度逐漸減小后增大，而出口的CaCO3分解率則逐漸增大后減小，出口O2濃度基本一致，變化不大。在夾角為30°左右時(shí)，分解爐出口溫度最低，CaCO3分解率最高，性能參數(shù)最佳。

圖10和圖11是對(duì)比三次風(fēng)管向上偏置夾角為30°和三次風(fēng)管不偏置，兩個(gè)工況的溫度云圖和O2濃度云圖。從溫度云圖上看，兩個(gè)工況相差不大，偏置角度較大，火焰分布更加下移。O2濃度云圖的分布也印證了這點(diǎn)，一般火焰部分區(qū)域，O2濃度相對(duì)較低，偏置角度較大，較低的O2分布區(qū)域也相對(duì)有所下移。另外，圖12和圖13表明，總體上不同的偏置角度分解爐內(nèi)的溫度峰值和O2濃度峰值相差不大，當(dāng)偏置角度為20°和30°時(shí)，溫度峰值最大，而此時(shí)O2濃度峰值相對(duì)較低。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究分解爐三次風(fēng)管不同偏置距離和不同向上偏置角度等結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)對(duì)比分析其對(duì)分解爐燃料燃燒和生料分解換熱等性能的影響，進(jìn)而得到不同三次風(fēng)管結(jié)構(gòu)形式對(duì)分解爐性能影響的變化規(guī)律，以及最優(yōu)的三次風(fēng)管結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步指導(dǎo)新型分解爐爐型的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化工作。

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2014-09-10；編輯：趙蓮