陶析環(huán)對設(shè)備流場影響的分析與研究

張春麗，楊麗君，趙旭，張萬堯，張曉陽，郭雨

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

1 CFD模型的建立

1.1 幾何模型

本數(shù)值模擬采用1:1的設(shè)備尺寸進行三維建模。容器流場主要尺寸：總長L=21.77m，直徑Φ=3.8m，模型的具體結(jié)構(gòu)形式見圖1。其中進口參數(shù)煙氣流量為Q煙氣=205533m3/h，密度為ρ=0.25Kg/m3；煤粉顆粒流量為Q煤粉=100Kg/h，密度為ρ=1000Kg/m3,顆粒粒徑d=0.01mm。

經(jīng)分析，采用離散相模型進行該噴過程的數(shù)值模擬。

1.2 計算模型

該過程連續(xù)相煙氣是一個可壓縮的內(nèi)部流動，同時其與煤粉顆粒之間的相互作用不可忽略,鑒于此，計算時采用密度基雙耦合進行求解；另外，煙氣攜帶煤粉顆粒運動時，煙氣速度達到14.5m/s，雷諾數(shù)較高，故流動為湍流；考慮到在后燃室內(nèi)，流動中的速度分量和熱力參數(shù)都隨時間而改變，因此該過程又是一個非定常流動過程。基于以上理論基礎(chǔ)，展開數(shù)值分析。

圖1 燃燒室三維模型

1.3 計算網(wǎng)格

依據(jù)前面分析，進行模型的網(wǎng)格劃分，采用Hex/Wedge網(wǎng)格。模型中同樣XY是截面方向,沿Z軸負方向是流體流動方向。為了比較兩種結(jié)構(gòu)下的流場差別，除了工藝邊界相同外，所追蹤的顆粒數(shù)量也是一樣的，均為1416個粒子。

2 數(shù)學模型

該過程是一個氣流攜帶固體顆粒的噴射輸運過程，采用k～ε湍流模型,控制方程如下：

動量守恒方程：

3 有無陶析環(huán)時燃燒室內(nèi)流場和顆粒停留時間分析

3.1 連續(xù)相煙氣的速度云圖

在焚燒爐內(nèi)各物料達到穩(wěn)定以后，煙氣作為連續(xù)相，其速度沿Z軸變化如圖2、3所示：無陶析環(huán)時整個速度變化不大，增設(shè)陶析環(huán)時速度有一定的湍流變化，但均在出口處（Z軸負方向）速度達到最大值。

圖2 無陶析環(huán)時煙氣沿Z軸方向速度變化圖

圖3 增設(shè)陶析環(huán)時煙氣沿Z軸方向速度變化圖

3.2 煤粉顆粒濃度分布

煤粉顆粒在焚燒爐內(nèi)的濃度分布會直接影響其參與化學反應的程度，進而影響設(shè)備的生產(chǎn)能力，圖4是無陶析環(huán)時煤粉顆粒的濃度分布，從云圖上可以看出，顆粒最初是沿著入口平面下降的，逐漸擴展到后燃室的整個橫截面，顆粒濃度基本在5.51×10-4～1.1x10-3kg/m3，燃燒室中心局部顆粒濃度達到1.5×10-3kg/m3左右。

圖4 無陶析環(huán)時煤粉顆粒沿Z軸方向的濃度分布圖

圖5 是增設(shè)陶析環(huán)時，焚燒爐內(nèi)顆粒濃度分布情況，可以看出濃度值基本在5.22×10-1kg/m3左右，在陶析環(huán)與壁面之間處有些顆粒濃度高達9.92～10.4kg/m3/s，說明該處是顆粒流動累積較多。看以看出增設(shè)套析環(huán)時，瞬態(tài)的顆粒濃度高出很多倍，有利于顆粒的充分燃燒。

圖5 有陶析環(huán)時煤粉顆粒沿Z軸方向的濃度分布圖及局部放大圖

3.3 煤粉顆粒停留時間

圖6 是無陶析環(huán)時煤粉顆粒的穩(wěn)定停留時間，可以看出，煤粉顆粒的停留時間最大為4.5s，而且煤粉顆粒在焚燒爐的中下部停留時間較長，尤其是在底部。同時可以看出，停留時間在1s上顆粒主要分布在后燃室的中后部，而且在緊貼壁面處。

圖6 無陶析環(huán)時煤粉顆粒停留時間

圖7 是增設(shè)陶析環(huán)時煤粉顆粒的停留時間，可以看出，粒子的最大停留時間在t=24.8s，而最大停留時間范圍的粒子，隨著計算時間的增加，其停留時間也隨之增加。同時可以看出顆粒停留時間在t≥3s的粒子，其所占比例在60%左右，說明增設(shè)陶析環(huán)后大多數(shù)顆粒的停留時間都達到了3s以上。而停留時間t≥4.5s的顆粒較少，大概在15%左右?？傮w看，較沒有陶析環(huán)時60%的顆粒時間至少增加到3倍，而且主要是在焚燒爐中上部分布。

圖7 煤粉顆粒停留時間分布圖

3.4 煤粉單顆粒軌跡分析

為了更直觀地比較增設(shè)陶析環(huán)對流場的影響，針對典型的單個顆粒的軌跡進行截圖，如圖8所示，在無陶析環(huán)時，顆粒是沿直線下降的，顆粒之間的差別僅僅是沿著中心線還是貼壁運動。

圖8 無陶析環(huán)時單顆粒的典型運動軌跡

圖9 是增設(shè)陶析環(huán)時單個顆粒的典型的運動軌跡，可以看出在陶析環(huán)附近，顆粒運動形成渦流，擾動很大，與無陶析環(huán)時差別很大，勢必造成顆粒停留時間增大，有的顆粒甚至在陶析環(huán)的死角處一直旋流，這些粒子就是被截流的，即是前面提到的會隨著計算時間的增加一直增加的粒子。

圖9 增設(shè)陶析環(huán)時單個顆粒的典型運動軌跡

4 陶析環(huán)直徑對流場的影響分析

為了比較陶析環(huán)直徑大小對顆粒停留時間的影響，建立了三種陶析環(huán)直徑模型，分別為Φ=2.2m，1.8m，1.2m。由數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到直徑Φ=2.2m時停留3s所占的百分比較小，主要是因為顆粒的湍流擾動較?。恢睆溅?1.2m時停留3s所占的百分比較直徑Φ=1.8m時較小，主要是因為陶析環(huán)處的擾動過大時，會造成顆粒的速度也較大，對獲得較大的停留時間是不利的，因此，陶析環(huán)的直徑不宜過大或過小。

5 結(jié)語

本文通過對焚燒爐內(nèi)有無陶析環(huán)的顆粒流場進行冷態(tài)數(shù)值模擬與分析，發(fā)現(xiàn)增設(shè)陶析環(huán)結(jié)構(gòu)時，顆粒的運動軌跡擾動很大，相應焚燒爐內(nèi)顆粒濃度和顆粒停留時間都大大加長；通過對比不同大小的陶析環(huán)，發(fā)現(xiàn)陶析環(huán)直徑過大或過小均不利于增大顆粒停留時間，因此是在增設(shè)陶析環(huán)的同時，選擇最佳直徑將很大程度上提高顆粒在燃燒室內(nèi)的停留時間，使燃燒更充分，提高燃燒效率。