篦冷機(jī)內(nèi)氣固流動和換熱過程的數(shù)值模擬

方立軍， 楊 歡,， 李 森， 魏小林2,

(1. 華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

0 引言

水泥是我國的基礎(chǔ)工業(yè)，篦冷機(jī)作為水泥生產(chǎn)線上的重要燒成設(shè)備，承擔(dān)著水泥熟料的冷卻、輸送，以及為回轉(zhuǎn)窯和分解爐提供二、三次風(fēng)的功能。因篦冷機(jī)在水泥生產(chǎn)過程中的重要作用，許多科研學(xué)者通過不同的方法，對篦冷機(jī)內(nèi)熟料換熱機(jī)理進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用歐拉氣固兩相流模型，模擬了篦冷機(jī)內(nèi)熟料與空氣的換熱，但所建二維模型與篦冷機(jī)實(shí)際形狀差別較遠(yuǎn)。文獻(xiàn)[2]根據(jù)多孔介質(zhì)滲流換熱理論建立水泥熟料冷卻過程中氣固換熱數(shù)學(xué)模型，并用剖開算子法求解，給出了熟料和氣體的穩(wěn)定變化規(guī)律。文獻(xiàn)[3]將篦冷機(jī)內(nèi)水泥熟料層視為多孔介質(zhì)建立模型來計(jì)算熟料與空氣的換熱，但由于熟料溫度場是由UDF編程給定，不能很好反映熟料和空氣的溫度場變化。文獻(xiàn)[4]基于雙目立體視覺技術(shù)對篦冷機(jī)內(nèi)熟料冷卻過程進(jìn)行三維重建，并通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)加密算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過此模型研究了風(fēng)量、熟料粒徑等參數(shù)對換熱的影響。文獻(xiàn)[5]建立了立式冷卻機(jī)內(nèi)氣體流動的數(shù)學(xué)模型，并通過Java語言自編程序，計(jì)算了冷卻機(jī)內(nèi)速度場與阻力分布，未能考慮熟料和空氣間的換熱。文獻(xiàn)[6] 將熟料設(shè)為多孔介質(zhì)，對篦冷機(jī)進(jìn)行二維數(shù)值模擬并與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測定相結(jié)合，研究了熟料與空氣間的換熱與流動。

本文在通過ANSYS有限元軟件對篦冷機(jī)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。不同于其他學(xué)者[7-9]將熟料層視為靜止的多孔介質(zhì)與空氣進(jìn)行耦合換熱計(jì)算，為更能接近篦冷機(jī)的實(shí)際換熱過程，本模擬建立三維模型，并將篦冷機(jī)內(nèi)篦板層設(shè)為多孔介質(zhì)，通過歐拉多相流模型將水泥熟料和空氣設(shè)為不同的相，熟料落到篦板上向前流動形成熟料層的同時與穿過的空氣進(jìn)行熱力耦合計(jì)算，其中，熟料相進(jìn)行顆粒化設(shè)置。通過對熟料冷卻過程的計(jì)算，得到了水泥熟料的冷卻規(guī)律以及空氣的溫度場分布，為篦冷機(jī)的工況優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

1 網(wǎng)格建立

以我國北方某產(chǎn)量為5 000 t/d的水泥熟料生產(chǎn)線為研究對象，其篦冷機(jī)的尺寸為：長36 500 mm，寬4 250 mm，高8 000 mm，本文按照1∶1比例建立模型，如圖1所示。

圖1 篦冷機(jī)模型示意圖

為方便計(jì)算，在不影響精度的情況下對篦冷機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，將熟料入口與二、三次風(fēng)出口劃分為不同位置，空氣入口和出口區(qū)域簡化為長方體區(qū)域。采用ICEM軟件建立網(wǎng)格，其網(wǎng)格劃分如圖2，網(wǎng)格全部劃分為六面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格質(zhì)量在0.85以上，為加快計(jì)算速度，在不同區(qū)域采用不同網(wǎng)格密度，并經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，總網(wǎng)格數(shù)為167 539。收斂條件為除了能量的殘差值降到低于10-6，其他變量的殘差值都降到低于10-3。

圖2 篦冷機(jī)網(wǎng)格模型

2 數(shù)理模型分析

2.1 歐拉模型控制方程

本文研究對象為篦冷機(jī)內(nèi)熟料與空氣的換熱，采用歐拉多相流模型，其數(shù)學(xué)表示為：

連續(xù)性方程

(1)

(2)

式中：ε為體積分?jǐn)?shù)；ρ為密度；v為速度矢量；是拉普拉斯算子；下標(biāo)f代表氣相(空氣)；s代表固相(熟料)。

動量方程

-εfPf+·σf+εfρfg+βfs(vs-vf)

(3)

-εsPs+·σs+εsρsg+βfs(vf-vs)

(4)

式中：g為重力加速度；P為壓力；σ為應(yīng)力張量；βfs為兩相間的曳力系數(shù)。

能量方程

(5)

(6)

式中：H為焓值；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；hfs為相間傳熱系數(shù)。

2.2 多孔介質(zhì)模型控制方程

與文獻(xiàn)[10-12]將設(shè)備簡化為多孔介質(zhì)來分析類似，本文將篦板區(qū)域視為多孔介質(zhì)區(qū)域，多孔介質(zhì)模型[13]是將多孔介質(zhì)材料對流體的阻力源項(xiàng)添加到流體的動量方程中，由于篦板材料滿足各向同性條件，此阻力源項(xiàng)可表示為：

(7)

式中：α為滲透率；C2為慣性阻力系數(shù)；i表示在x，y，z方向上的分量。

2.3 物性參數(shù)

在熟料冷卻過程中，熟料與空氣的物性參數(shù)會隨溫度發(fā)生很大變化，為準(zhǔn)確地模擬出電石的冷卻過程，空氣與水泥熟料的物性參數(shù)可由式(8-11)確定。

空氣粘度與溫度的函數(shù)關(guān)系式為：

μf=-1.040 5×10-5+6.628 5×10-8×T+

6.397 84×10-11×T2

(8)

空氣導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系為：

λf=2.245×10-3+8.697 23×10-5×T-

2.044 61×10-8×T2

(9)

空氣定壓比熱容與溫度的函數(shù)關(guān)系為

Cf=955+0.143 87×T+3.852 5×10-5×T2+

2.103 6×10-10×T3

(10)

熟料定壓比熱容與溫度的函數(shù)關(guān)系為：

Cs=699.5+0.318 12×T-6.230 8×10-5×T2-

1.375 3×10-10×T3

(11)

水泥熟料其他參數(shù)如表1。

表1 水泥熟料其他主要參數(shù)

2.4 邊界條件

在模擬過程中，篦冷機(jī)各風(fēng)室入口均采用質(zhì)量流量入口，各出口均采用壓力出口，壁面為絕熱無滑移條件，邊界條件具體設(shè)置如表2、3。

表2 篦冷機(jī)入口邊界條件

表3 篦冷機(jī)出口邊界條件

3 模型驗(yàn)證

將本文所建模型按上述邊界條件進(jìn)行計(jì)算，所得的二、三次風(fēng)、高溫風(fēng)、廢氣溫度以及熟料出口處溫度與對應(yīng)位置現(xiàn)場監(jiān)測溫度進(jìn)行對比，所得結(jié)果如表4。

表4 各出口處計(jì)算溫度與實(shí)測溫度對比

從表4中可知，各個出口處得到的溫度計(jì)算值與實(shí)測值偏差較小，其中二、三次風(fēng)出口處的溫度偏差最小為4.1%。廢氣出口處溫度偏差最大為7.23%。在篦冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)中，得到的溫度數(shù)據(jù)為某一監(jiān)測點(diǎn)的溫度，并且存在一個正常范圍的波動，而計(jì)算溫度為定壓條件下的面平均溫度。在篦冷機(jī)前段，空氣與熟料的換熱最為劇烈，被加熱空氣的溫度分布較均勻，所以計(jì)算值與實(shí)測值偏差較小，此現(xiàn)場實(shí)測值測點(diǎn)位置在接近三次風(fēng)管位置；在篦冷機(jī)后段熟料與空氣溫差減小，換熱較差，并且?guī)坠煽諝獗徊煌瑓^(qū)段的熟料加熱到不同溫度后，同時由廢氣出口排出，而篦冷機(jī)系統(tǒng)的測點(diǎn)固定，與模擬計(jì)算得到的廢氣出口處的平均溫度不同，測點(diǎn)處測到的是某一位置點(diǎn)的溫度，因此廢氣出口處溫度偏差最大，此現(xiàn)場實(shí)測值測點(diǎn)位置在接近廢氣出口中心位置。

4 結(jié)果分析

4.1 熟料所占體積及料層厚度分析

圖3顯示了熟料的體積分布。篦板區(qū)域阻礙了熟料的繼續(xù)下落，使熟料沿篦板長度方向向前輸運(yùn)，并堆積成熟料層。在熟料質(zhì)量流量為57.87 kg/s情況下，熟料粒徑為10 mm時，熟料層平均厚度為0.58 m。

圖3 篦冷機(jī)熟料體積分?jǐn)?shù)圖

4.2 空氣壓力場和流線分析

篦冷機(jī)內(nèi)空氣的壓力場與流場分布如圖4，從中可以看出，空氣的壓力損失主要產(chǎn)生在熟料層與篦板區(qū)域。篦冷機(jī)幾何形狀、各個風(fēng)室入口和出風(fēng)口的風(fēng)壓不同以及空氣與熟料的熱力耦合，決定了篦冷機(jī)內(nèi)的空氣流場分布，進(jìn)入篦冷機(jī)的空氣被加熱后主要分成較為穩(wěn)定的三股風(fēng)從二、三次風(fēng)出口、高溫風(fēng)出口和廢氣出口排出，空氣在穿過熟料過程中會向熟料運(yùn)動方向產(chǎn)生偏斜。并對出風(fēng)口空氣質(zhì)量流量計(jì)算，得到的二、三次風(fēng)、高溫風(fēng)出口、廢氣出口、熟料出口的空氣質(zhì)量流量依次為59.23 kg/s、69.36 kg/s、71.02 kg/s、3.23 kg/s。

圖4 篦冷機(jī)壓力場分布與流線圖

4.3 篦冷機(jī)內(nèi)溫度場分析

圖5為篦冷機(jī)內(nèi)空氣的溫度場分布。由圖中可看出，在篦冷機(jī)前段換熱最為明顯，此段空氣溫度迅速升至1 240 K，作為二、三次風(fēng)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯和分解爐系統(tǒng)；隨著熟料繼續(xù)被冷卻，由于熟料與空氣的換熱溫差減小，到篦冷機(jī)中段，空氣整體被加熱到637 K，這部分空氣作為高溫風(fēng)被送至AQC余熱鍋爐；在篦冷機(jī)末端，熟料與空氣的溫差進(jìn)一步減小，空氣被加熱到370 K后，作為廢氣排出，這也與篦冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行相符合。

圖5 篦冷機(jī)內(nèi)空氣場溫度分布

圖6為篦冷機(jī)內(nèi)熟料的溫度場分布，熟料落到篦板上，堆積形成熟料層，熟料層在沿熟料出口方向運(yùn)動同時，不斷被空氣冷卻，使得熟料從進(jìn)入篦冷機(jī)到從出口端流出過程中，溫度由1 600 K降至370 K。并且在沿熟料厚度方向，熟料的溫度也不完全相同。圖7為不同水平位置下，沿熟料厚度方向上，熟料的溫度分布。

圖6 篦冷機(jī)內(nèi)熟料的溫度分布

圖7 不同位置下的熟料溫度分布

從圖7可以看出，在篦冷機(jī)不同水平位置，沿熟料厚度方向上，熟料溫度由低到高，這是由于空氣吹過篦板后首先和熟料層底部接觸，此處空氣和熟料的溫差最大，換熱也最為劇烈，空氣在向上穿過熟料層的過程中，溫度不斷升高，與熟料的換熱量也不斷減小，這使得熟料的底部溫度低于頂部溫度。沿熟料前進(jìn)方向上，不同位置對應(yīng)的熟料沿厚度方向的溫度變化程度也不同，在剛落到篦板，即X=0位置，熟料溫差最為明顯，熟料層頂部溫度為1481.78 K，熟料底部溫度為1352.1 K，溫差為129.68 K。在熟料被推送至篦板末端，即X=30.4 m位置熟料整體溫度區(qū)域均勻，熟料底部溫度為390.12 K，熟料頂部溫度為401.3 K，溫差為11.18 K。在X=5 m位置，由于熟料被推送，自由下落至下一篦板區(qū)域，此處由于冷空氣的擾動，熟料溫度進(jìn)一步下降，并且沿熟料厚度方向溫度未能均勻變化，而是呈現(xiàn)先增加再下降的趨勢。

4.4 熟料粒徑對換熱的影響

在篦冷機(jī)進(jìn)料量一定時，隨著粒徑的增加，熟料與空氣的接觸面積以及熟料的孔隙率都會發(fā)生變化，進(jìn)而影響了熟料與空氣的換熱。表5為在同一工況下，對粒徑分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm的熟料進(jìn)行換熱模擬，得出二、三次風(fēng)和高溫風(fēng)出口處空氣平均溫度以及熱回收效率。從表中可看出，隨著水泥熟料粒徑的增加，換熱面積減少，二、三次風(fēng)出口風(fēng)溫隨之減小，而高溫風(fēng)出口位置的風(fēng)溫呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，可能的原因是除了對于不同粒徑熟料除了換熱面積不同，進(jìn)入篦冷機(jī)中段處的其熟料的溫度也不同，兩種因素的共同作用使得高溫風(fēng)出口處空氣溫度先增加后減小。

篦冷機(jī)熱效率為熟料在篦冷機(jī)中經(jīng)回收的熱量與從回轉(zhuǎn)窯中煅燒后的熟料攜帶到篦冷機(jī)中熱量的比值。對于本系統(tǒng)，即為二、三次風(fēng)與高溫風(fēng)帶走的顯熱與進(jìn)入篦冷機(jī)熟料顯熱的比值。通過對各個粒徑下的熱回收效率計(jì)算可知，粒徑為10 mm熟料熱回收效率最高為72%。

表5 不同粒徑下篦冷機(jī)熱回收效率比較

4.5 余風(fēng)再循環(huán)

窯頭余熱鍋爐排出的煙氣與篦冷機(jī)排出廢氣混合后約為383 K，此部分廢氣經(jīng)排風(fēng)管輸送至除塵裝置并最終排到大氣中。為進(jìn)一步提高能源利用效率，有廠家將窯頭余熱鍋爐排出的部分廢氣，經(jīng)除塵處理后，通過循環(huán)風(fēng)管引入篦冷機(jī)中段風(fēng)室。以直徑為10 mm為例，風(fēng)室入口質(zhì)量流量不變，將篦冷機(jī)第三、四、五風(fēng)室的入口溫度改為383 K進(jìn)行模擬，得到二、三次風(fēng)出口空氣溫度為 1 247 K，高溫風(fēng)出口處空氣溫度678 K，廢氣出口空氣溫度432 K，出口熟料溫度381 K。由此可知，在高溫風(fēng)出口溫度變化最劇烈，從637 K升至678 K，其他出口風(fēng)溫變化較小，篦冷機(jī)熱效率由72%增至74.9%。

5 結(jié)論

(1) 本文應(yīng)用ANSYS軟件建立的三維模型對篦冷機(jī)內(nèi)熟料和空氣的換熱進(jìn)行模擬，與其他模型相比，更接近篦冷機(jī)運(yùn)行實(shí)際；與其他學(xué)者將熟料層視為多孔介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬不同，本文應(yīng)用歐拉兩相流模型和多孔介質(zhì)模型，更好地考慮了熟料運(yùn)動對空氣流場和溫度場的影響。通過與現(xiàn)場監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)相比較，證明了此模擬結(jié)果的可靠性，為篦冷機(jī)工作參數(shù)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

(2)以此模型為基礎(chǔ)，分析了熟料進(jìn)料量一定的情況下，不同粒徑對熟料層厚度以及換熱的影響，隨著熟料粒徑的增加，熟料層厚度也隨之增加，但熟料與空氣的換熱量減少。熟料在10～30 mm范圍內(nèi)，直徑為10 mm熟料與空氣換熱最好，二、三次風(fēng)出口處空氣溫度為1 240 K，高溫風(fēng)出口處溫度為637 K，出口處出熟料溫度為362 K。熱效率為72%，并且采用余風(fēng)再循環(huán)可將熱回收效率提升至74.9%。

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