陶瓷寬體隧道窯燃燒系統(tǒng)整體模擬

曾小軍，汪小憨，楊衛(wèi)斌，李萍

(中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640)

0 引 言

我國(guó)是陶瓷生產(chǎn)大國(guó)，其中日用陶瓷、衛(wèi)生潔具陶瓷、建筑陶瓷、藝術(shù)陶瓷等的產(chǎn)量巨大，2014年我國(guó)日用陶瓷已占世界總產(chǎn)量的 62%以上。陶瓷生產(chǎn)在我國(guó)屬于能耗較高的產(chǎn)業(yè)，隨著國(guó)家節(jié)能降耗工作的不斷深入，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)面臨巨大的發(fā)展壓力。在陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，窯爐燒成工藝是主要的耗能過程，占到陶瓷生產(chǎn)總能耗的65%以上[1]，因此陶瓷窯爐燃燒系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等工作成為企業(yè)節(jié)能減排的重要途徑之一。

目前陶瓷燒成工藝所采用的窯爐主要有梭式窯、輥道窯、隧道窯等結(jié)構(gòu)，其中隧道窯具有批量化自動(dòng)生產(chǎn)的特點(diǎn)，特別適用于量大、標(biāo)準(zhǔn)化陶瓷產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，在日用、衛(wèi)生潔具、藝術(shù)等陶瓷的燒成中占據(jù)了重要的位置。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大型寬體陶瓷窯的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化開展了大量的數(shù)值研究工作，如王雪峰[2]等選取了3.3米寬隧道窯燒成帶的一節(jié)窯車作為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算研究了不同空氣流速對(duì)NOx生成的影響；劉光霞[3]等以隧道窯燒成段的一小節(jié)為研究對(duì)象，討論了過量空氣系數(shù)對(duì)燒成帶溫度分布和煙氣中NOx等影響；在其他大型陶瓷窯爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，潘小勇[4]等以寬體輥道窯預(yù)熱帶為研究對(duì)象，通過FLUENT軟件研究了蓄熱結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)熱帶溫度場(chǎng)的影響；童劍輝[5]等構(gòu)建了輥道窯急冷段三維物理模型，研究了急冷風(fēng)速對(duì)窯內(nèi)急冷段氣流的影響。這些研究工作對(duì)隧道窯結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供了理論支持，由于寬體陶瓷窯爐系統(tǒng)的復(fù)雜性，文獻(xiàn)中對(duì)大型陶瓷窯三維數(shù)值研究多以窯爐內(nèi)的一節(jié)或者某一段為研究對(duì)象，從整體上進(jìn)行數(shù)值建模的研究報(bào)道較少。

陶瓷寬體隧道窯的燃燒系統(tǒng)擁有數(shù)量眾多的燃?xì)鉄?，煙氣出口布置在窯爐入口段，頂部和側(cè)邊設(shè)置多股擾流風(fēng)、氣幕和抽風(fēng)口，加上窯內(nèi)裝載的物料，整體模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。保證窯爐內(nèi)溫度均勻性是隧道窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃燒系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵，而隧道窯燃燒系統(tǒng)整體模型的建立將使得模擬結(jié)果更接近于實(shí)際運(yùn)行工況，從而為隧道窯設(shè)計(jì)和燃燒優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。本文以某廠衛(wèi)生潔具陶瓷寬體隧道窯爐為研究對(duì)象，建立了一種復(fù)雜隧道窯燃燒系統(tǒng)的整體模擬方法，有效減少了計(jì)算量和降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求，并采用商業(yè)流體計(jì)算軟件對(duì)隧道窯爐燃燒系統(tǒng)工況進(jìn)行了數(shù)值研究，為陶瓷隧道窯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、燃燒系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)提供運(yùn)行指導(dǎo)，同時(shí)也可以為復(fù)雜燃燒系統(tǒng)的工業(yè)模擬提供方法上的參考。

1 研究對(duì)象簡(jiǎn)介

本文研究對(duì)象為某公司衛(wèi)生潔具陶瓷隧道窯爐，窯總長(zhǎng)108米，包括由入口段、預(yù)熱段和燒成段組成的燃燒系統(tǒng)、急冷段和冷卻段組成的冷卻及熱風(fēng)再利用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中燃燒系統(tǒng)長(zhǎng)60米，窯內(nèi)寬3.4米，裝載高度1.2米，預(yù)熱段和燒成段兩面?zhèn)葔诲e(cuò)非對(duì)稱布置有41對(duì)82個(gè)燃?xì)鉄?，燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸相同；急冷段與燒成段之間設(shè)置急冷氣幕，以阻擋熱煙氣向冷卻段流動(dòng)，煙氣出口設(shè)置在入口段，使煙氣回流實(shí)現(xiàn)余熱梯級(jí)利用；入口段頂部設(shè)置斜向內(nèi)的擾流風(fēng)，以改善斷面上氣流的溫度均勻性，窯爐出入口設(shè)置封閉氣幕，在冷卻段布置多個(gè)熱風(fēng)抽口用以物料干燥。由于急冷氣幕的存在，隧道窯爐內(nèi)的氣流被分為兩個(gè)部分，分別是燃燒系統(tǒng)的煙氣部分與冷卻段的熱風(fēng)部分，兩部分氣流之間的影響較小，為了對(duì)隧道窯的燃燒系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化和參數(shù)調(diào)節(jié)，本文選取60米長(zhǎng)的整體燃燒系統(tǒng)為模擬對(duì)象進(jìn)行三維數(shù)值建模。

2 模擬方法及物理建模

2.1 模擬方法

模擬的隧道窯爐結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)物料占據(jù)40%以上的內(nèi)部空間，側(cè)墻布置的燃燒器結(jié)構(gòu)是一種帶有旋風(fēng)槽的半預(yù)混式燒嘴，頭部裝有燃燒套筒，燃燒套筒置于側(cè)面的耐火磚中。與60 m長(zhǎng)的隧道窯燃燒系統(tǒng)相比，帶套筒的燃燒器整體長(zhǎng)度只有460 mm，最小的燃料噴孔孔徑為2 mm，兩者的物理尺度之比相差巨大。如果要在整體建模時(shí)體現(xiàn)燃燒器局部細(xì)節(jié)構(gòu)造，模型網(wǎng)格數(shù)量將會(huì)非常巨大，這不但對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件性能提出了很高的要求，還使計(jì)算時(shí)間大幅度增加，對(duì)于一般的工業(yè)用戶來說不太現(xiàn)實(shí)，這也是相關(guān)文獻(xiàn)采用隧道窯中的部分結(jié)構(gòu)建模的主要原因。

為了減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算工作量，并降低模型構(gòu)建的難度，本文提出一種基于分部件耦合的整體模擬方法，即將系統(tǒng)中數(shù)量眾多的燃?xì)馊紵鹘Y(jié)構(gòu)剝離出來，將系統(tǒng)分為包含物料的窯爐內(nèi)燃燒系統(tǒng)和單個(gè)燃燒器系統(tǒng)，先對(duì)單個(gè)燃燒器系統(tǒng)進(jìn)行物理建模及數(shù)值模擬，計(jì)算完成后將單個(gè)燃?xì)馄飨到y(tǒng)出口數(shù)據(jù)導(dǎo)出作為窯爐燃燒系統(tǒng)的初始入口數(shù)據(jù)；窯爐內(nèi)燃燒系統(tǒng)模型讀入初始入口數(shù)據(jù)后，采用和單個(gè)燃燒器系統(tǒng)模型相同的燃燒化學(xué)反應(yīng)模型和流動(dòng)模型繼續(xù)完成后續(xù)的計(jì)算。本文是所采用的數(shù)值計(jì)算軟件為CFX，具體步驟是：

(1)首先對(duì)單個(gè)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型構(gòu)建，包括燒嘴頭部和燃燒套筒區(qū)間，并進(jìn)行燃燒器工況數(shù)值計(jì)算；

(2)將燃燒器系統(tǒng)出口out面上的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出為格式CSV的數(shù)據(jù)文件，將此數(shù)據(jù)文件作為窯爐系統(tǒng)計(jì)算的初始入口文件；

(3)進(jìn)行窯爐燃燒系統(tǒng)整體模型構(gòu)建，并在側(cè)壁上設(shè)置與燃燒套筒出口物理尺寸相一致的燃燒氣流入口邊界，包括本側(cè)入口inlet1和對(duì)側(cè)入口inlet2；

(4)在窯爐燃燒系統(tǒng)讀入第二步導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行剖面數(shù)據(jù)初始化工作(Initialize Profile Data)，在邊界條件設(shè)定中將燃燒氣流入口邊界設(shè)置為應(yīng)用剖面數(shù)據(jù)(Use Profile Data)，并將本側(cè)入口inlet1設(shè)置為氣流正方向入口，將對(duì)側(cè)入口inlet2設(shè)置為氣流負(fù)方向入口，模型設(shè)定和檢查完畢后完成后續(xù)窯爐燃燒系統(tǒng)整體計(jì)算。

在窯爐燃燒系統(tǒng)邊界設(shè)置中，燒成段和預(yù)熱段燃燒氣流入口可根據(jù)實(shí)際工況讀入不同當(dāng)量比下的燃燒器出口計(jì)算數(shù)據(jù)作為其初始入口數(shù)據(jù)，在本文的模擬中假定82個(gè)燃?xì)鉄飚?dāng)量比一致，即眾多燃燒器共用一個(gè)數(shù)據(jù)文件作為其進(jìn)入窯爐內(nèi)的燃燒氣流初始數(shù)據(jù)。這種處理方法不但有效節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也減少了整體物理模型的網(wǎng)格數(shù)量。

2.2 物理建模及數(shù)學(xué)模型：

2.2.1 單體燃燒器的物理及數(shù)學(xué)模型

研究對(duì)象所采用的燃?xì)馊紵黝^部結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)燒嘴頭部處于呈漸縮圓筒形的燃燒套筒內(nèi)，套筒長(zhǎng)度46 cm，燒嘴中間設(shè)置燃?xì)馊肟诠?，燒嘴頭部焊接帶有旋流槽的火焰盤，火焰盤端面布置有斜向內(nèi)的空氣直流通道；火焰盤前后的燃?xì)夤芊謩e設(shè)置周向布置的一次燃?xì)鈬娍?，一次燃?xì)鈬娍着c直流風(fēng)通道口之間交錯(cuò)布置，在燒嘴頂部端面還設(shè)置了二次燃料噴孔；其中直流風(fēng)是燃?xì)馄鞯囊淮位旌巷L(fēng)，經(jīng)過火焰盤旋流槽的旋流風(fēng)是二次助燃風(fēng)。本文通過Gambit軟件對(duì)單個(gè)燃燒器模型進(jìn)行物理建模和網(wǎng)格劃分，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

模型計(jì)算中燃料采用天然氣，燃?xì)馊肟谫|(zhì)量流量為0.0004 Kg/s；空氣流量按照當(dāng)量比為1進(jìn)行配置，進(jìn)氣溫度300 K。計(jì)算控制方程由質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分守恒方程構(gòu)成，模型采用標(biāo)準(zhǔn)K-Epsilon湍流模型計(jì)算流場(chǎng)，燃燒采用渦耗散模型(Eddy Dissipation model)進(jìn)行計(jì)算，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為甲烷一步反應(yīng)，離散格式采用一階中心差分進(jìn)行計(jì)算求解。2.2.1 窯爐燃燒系統(tǒng)整體模型構(gòu)建

隧道窯燃燒系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中包括了正常工作所裝載的物料。系統(tǒng)由入口段、預(yù)熱段、燒成段組成，長(zhǎng)度60 m，窯爐入口設(shè)置封閉氣幕，急冷氣幕邊界設(shè)置為壓力邊界條件，溫度、壓力值按照實(shí)際運(yùn)行工況參數(shù)設(shè)置；煙氣出口設(shè)置為壓力邊界條件，數(shù)值為實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。在入口段頂部設(shè)置多股擾流風(fēng)，燃燒系統(tǒng)兩側(cè)面按照實(shí)際物理對(duì)象設(shè)置82個(gè)燒嘴入口，入口尺寸與燃燒器套筒出口物理尺寸相一致。模型通過Gambit軟件進(jìn)行物理建模和網(wǎng)格劃分，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算控制方程由質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分守恒方程構(gòu)成，流動(dòng)模型、燃燒模型和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理設(shè)置與單體燃燒器系統(tǒng)相一致。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 單體燃燒器系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

圖4為燃燒器中心軸截面上的溫度分布和流速分布。圖中可以看出，在當(dāng)量比為1的計(jì)算工況下，空氣噴孔和燃料噴孔氣流混合均勻，燃燒套筒內(nèi)形成了周向?qū)ΨQ分布的溫度場(chǎng)，燃燒器局部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)得以體現(xiàn)，為后續(xù)的窯爐系統(tǒng)模擬提供了更加準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)。

圖4 燃燒器中心截面溫度分布和速度分布Fig.4 Temperature and velocity distribution in the central section of the burner

圖5為計(jì)算出口截面上的甲烷質(zhì)量組分、溫度和流速分布，表1是OUT截面上各參數(shù)的計(jì)算平均值。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在出口截面上的甲烷沒有完全燃燒，燃燒器套筒內(nèi)甲烷燃盡率為55.26%(以完全燃燒的CO2為基準(zhǔn)計(jì)算)，即超過一半的燃料在燃燒器內(nèi)被氧化，假如在窯爐整體模擬中將燃燒器具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，即將冷燃?xì)馊肟谥苯釉O(shè)置于隧道窯側(cè)壁，計(jì)算結(jié)果將帶來很大的誤差。由于旋流場(chǎng)的影響，溫度分布和流速分布度不是均勻分布，而是呈外低內(nèi)高的周向?qū)ΨQ分布，這進(jìn)一步表現(xiàn)了燃燒器局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算完成后將單體燃燒器OUT二維截面上的參數(shù)分布導(dǎo)出為數(shù)據(jù)文件，包括各組分濃度、溫度、壓力、流速等數(shù)據(jù)。

3.2 隧道窯整體燃燒系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

隧道窯燃燒系統(tǒng)讀入單體燃燒器導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件，將其設(shè)置為入口燃?xì)鈪?shù)后進(jìn)行整體燃燒模型數(shù)值計(jì)算。由于隧道窯爐內(nèi)的溫度均勻性是窯爐設(shè)計(jì)的主要考慮指標(biāo)，這里分別取燒成段、預(yù)熱段有燒嘴和無燒嘴的兩處截面進(jìn)行溫度分布分析。

圖6為截取燒成段上有燃燒器布置和沒有燃燒器布置兩個(gè)橫截面上的溫度分布，圖中可以看出，在有燃燒器布置時(shí)，高溫區(qū)主要集中于燃燒器入口段，窯爐內(nèi)裝載物料的空間內(nèi)溫度均勻性良好；在沒有燃燒器布置的截面上，窯爐內(nèi)最大溫度差在5 ℃左右，這表明在燒成段，燃燒器分布和窯爐結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的匹配性，燒成段的溫度均勻性得以保證。

圖7為截取預(yù)熱段上有燃燒器布置和沒有燃燒器布置兩個(gè)橫截面上的溫度分布，由于預(yù)熱段只有下層布置有燒嘴，因此截面上的最大溫度差要大于燒成段，但物料所在的局部截面內(nèi)，溫度的均勻性良好；在沒有燃燒器布置的截面上，窯爐內(nèi)最大溫度差在14 ℃左右，預(yù)熱段的溫度均勻性也得以保證。

表1 燃燒器出口截面特性參數(shù)Tab.1 Parameters of the burner exit section

圖5 燃燒器出口截面參數(shù)分布Fig.5 Section parameters distribution of the burner outlet

圖6 隧道窯爐燒成段截面溫度分布Fig.6 Section temperature distribution of tunnel kiln fi ring zone

圖7 隧道窯爐預(yù)熱段截面溫度分布Fig.7 Section temperature distribution of tunnel kiln preheating zone

在隧道窯爐長(zhǎng)度方向上，取中心截面距窯頂200 mm距離的直線上的溫度分布與隧道窯實(shí)際運(yùn)行時(shí)監(jiān)控的溫度參數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。

圖中可以看出，窯爐內(nèi)計(jì)算溫度分布與實(shí)際運(yùn)行工況下各段溫度監(jiān)控值基本吻合，其中計(jì)算結(jié)果還反映了入口段和預(yù)熱段頂部擾流風(fēng)的影響。整個(gè)窯爐燃燒系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際吻合度良好，可為后續(xù)燃燒器和窯爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、工況參數(shù)的調(diào)節(jié)等提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持和參考。

圖8 距窯頂200 mm高度中心沿程溫度分布Fig.8 Distribution of temperatures along the length direction at the height under 200mm from kiln roof

4 結(jié) 論

本文針對(duì)陶瓷隧道窯系統(tǒng)建立了分結(jié)構(gòu)耦合的模擬方法，并采用商業(yè)流體軟件對(duì)隧道窯整體燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了模型構(gòu)建和數(shù)值計(jì)算，得到的結(jié)論如下：

(1)隧道窯爐的整體燃燒系統(tǒng)數(shù)值模擬可分解為單個(gè)燃燒器系統(tǒng)和窯爐燃燒系統(tǒng)兩個(gè)部分進(jìn)行，并采用結(jié)果-邊界條件的耦合方法進(jìn)行有機(jī)連接和整體模擬計(jì)算；

(2)隧道窯爐燃燒系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果表明，包含燃燒套筒的單個(gè)燃燒器系統(tǒng)內(nèi)燃料轉(zhuǎn)化率達(dá)到55.26%，并在出口OUT界面上形成了外低內(nèi)高的溫度和速度分布；隧道窯燃燒系統(tǒng)的燒成段和預(yù)熱段截面上溫度分布均勻，其中截取的無燃燒器布置截面上最大溫度差分別為5 ℃和14 ℃左右；

(3)采用分結(jié)構(gòu)耦合模擬計(jì)算方法不但有效節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也減少了物理模型的網(wǎng)格數(shù)量和對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求；隧道窯爐長(zhǎng)度方向上的溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行工況吻合良好，方法可為隧道窯爐等復(fù)雜復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)等提供更加準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)。