基于Fluent的焚燒爐灰渣非穩(wěn)態(tài)降溫過程的數(shù)值模擬

吳 成

(佳化化學(xué)科技發(fā)展(上海)有限公司，上海 200000)

隨著我國化工、石油、農(nóng)藥、醫(yī)藥等行業(yè)迅速發(fā)展，有機廢液排放量不斷增加，其中含鹽高濃度有機廢液的問題也越發(fā)嚴(yán)重。由于含鹽高濃度有機廢液成分復(fù)雜，生化處理法、物理化學(xué)法難以實現(xiàn)最終處置。因此焚燒爐作為一種簡單、高效且容易工業(yè)化的設(shè)備被廣泛用于處理含鹽高濃度有機廢液[1]。為了提升焚燒爐運行安全性，降低事故風(fēng)險，很多企業(yè)采用降溫套管對焚燒產(chǎn)生的灰渣進行初步冷卻，因此研究灰渣的非穩(wěn)態(tài)降溫過程具有實際意義。本文將運用Fluent軟件對焚燒爐灰渣冷卻過程進行數(shù)值模擬，并分析不同冷卻介質(zhì)和冷卻介質(zhì)流速對灰渣非穩(wěn)態(tài)傳熱特性的影響，計算結(jié)果可為工程實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 焚燒爐灰渣降溫模型

1.1 物理模型

焚燒爐排渣過程如圖1所示，關(guān)閉排渣閥，打開控渣閥，灰渣排入降溫套管內(nèi)，關(guān)閉控渣閥，套管夾層通入冷卻介質(zhì)(水或空氣)對高溫的灰渣進行降溫，待灰渣溫度降低到合適溫度，打開排渣閥，灰渣排入冷灰堆。降溫套管的內(nèi)管內(nèi)徑為200mm，外管內(nèi)徑為250mm，材質(zhì)為不銹鋼，壁厚為4mm，長度為1500mm，基本物理參數(shù)見表1。

圖1 物理模型示意圖

表1 基本物理參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 傳熱模型[3]

由傅里葉定律并結(jié)合能量守恒定律，三維瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程如下：

式中，ρ為灰渣密度；cp為灰渣比熱容；t為溫度；τ為時間；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；為單位體積的生成熱。

1.2.2 湍流模型[4]

Fluent中RNG湍流模型改善了模擬高應(yīng)變流動的能力，可以用來預(yù)測漩渦流和低雷諾數(shù)流動。當(dāng)內(nèi)部流動雷諾數(shù)大于2300時，流體屬于湍流模型。

式中，κ為湍動能；ε為耗散率Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項；Gb為由于浮力引起的湍動能的產(chǎn)生項；YM為可壓縮湍流中的脈動膨脹對總耗散率的貢獻；。C1ε，C2ε，為常數(shù)；SK和Sε是用戶定義項。

1.2.3 假設(shè)條件

a)將套管內(nèi)的灰渣看做一個均勻的整體，并且降溫前后質(zhì)量和體積都不發(fā)生變化；

隱喻是人們通過某一領(lǐng)域的經(jīng)驗來理解和認(rèn)知另一領(lǐng)域的經(jīng)驗，人類的語言和概念系統(tǒng)都具有隱喻性，隱喻的本質(zhì)是用一事物來理解和感悟另一事物。因此，在詞匯教學(xué)中隱喻可被用來解釋一詞多義的理據(jù)性，教師在平時的詞匯教學(xué)中可以幫助學(xué)生根據(jù)詞匯的基本意義拓展其引申義及較抽象的含義。

b)套管內(nèi)的灰渣的熱輻射忽略不計；忽略污垢熱阻；

c)為了計算方便，忽略外管與空氣的換熱。

1.2.4 邊界條件和初始條件

降溫夾套外管壁設(shè)為絕熱，冷卻介質(zhì)進口溫度設(shè)為32℃。非穩(wěn)態(tài)流動計算時需要給定初始條件，本文設(shè)置灰渣初始溫度為500℃，降溫套管和殼程空間初始溫度為32℃。

2 結(jié)果與討論

本文針對水和空氣兩種不同冷卻介質(zhì)，對焚燒爐灰渣非穩(wěn)態(tài)降溫過程進行數(shù)值模擬，并對降溫套管內(nèi)的換熱情況進行討論，其中空氣流速高采用湍流模型，水的流速低采用層流模型。

2.1 溫度分布圖

圖2 不同時間下Z=750mm處套管截面的溫度分布云圖(冷卻介質(zhì)：空氣，u=10m/s)

圖3 不同時間下Z=750mm處套管截面的溫度分布云圖(冷卻介質(zhì)：水，u=0.03m/s)

圖2和圖3為采用空氣和水作為冷卻介質(zhì)，經(jīng)過不同冷卻時間后，套管在Z=750mm處截面的溫度分布云圖。由上圖可知，被冷卻介質(zhì)側(cè)(灰渣側(cè))靠近管壁處首先被冷卻，隨著時間的增加，灰渣中心也逐漸被冷卻，套管截面上溫度沿著管徑由外向內(nèi)逐漸增加。冷卻介質(zhì)側(cè)(水或空氣側(cè))溫度沿著管徑由內(nèi)向外逐漸降低。對比圖2和圖3，在相同的時間下采用水作為冷卻介質(zhì)時，灰渣溫度為明顯低于采用空氣冷卻的工況，當(dāng)t=1200s時，采用水作為冷卻介質(zhì)，灰渣的平均溫度為204℃；而采用空氣為冷卻介質(zhì)，灰渣的平均溫度為251℃。

2.2 不同流速對傳熱性能影響

圖4 不同空氣流速的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖5 不同水流速的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖4和圖5表示不同流速下空氣和水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化。由圖可知，增加流速，均能增加水和空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加更快，空氣作為冷卻介質(zhì)時，空氣流速1m/s時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只有4.1W/(m2·℃)，當(dāng)流速提高至20m/s，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)達到47.3W/(m2·℃)，提高了十倍。水作為冷卻介質(zhì)時，水流速由0.01m/s提高至0.11m/s時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由69.8W/(m2·℃)增至96.9W/(m2·℃)。但是空氣的密度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度均遠小于水的，因此，采用水為冷卻介質(zhì)時，雖然流速低，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)卻遠高于采用空氣作為冷卻介質(zhì)的工況。

圖6 不同流速下灰渣的平均溫度

圖6和圖7分別表示不同流速對灰渣的平均溫度和冷卻介質(zhì)出口溫度的影響。由圖可知，采用空氣為冷卻介質(zhì)時，隨著空氣的流速增大，灰渣的降溫速度明顯增加，空氣側(cè)出口溫度持續(xù)下降。t=1200s時當(dāng)流速為1m/s條件下灰渣平均溫度降至317.7℃，空氣出口溫度為87.6℃；當(dāng)流速增加至20m/s時灰渣平均溫度降至229.6℃，空氣出口溫度為40℃。因此，在實際生產(chǎn)過程中，增加通風(fēng)措施，提高灰渣周圍空氣流速能有效降低灰平均渣溫度，縮短冷卻時間。

而采用水作為冷卻介質(zhì)時，隨著水的流速增大，灰渣的降溫速度沒有明顯增快，當(dāng)水流速高于0.03m/s后，水側(cè)的出口溫度變化也很小。說明提高水的流速不能有效地縮短冷卻時間。

這是由于傳熱過程中，當(dāng)采用空氣作為冷卻介質(zhì)時，空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，與灰渣的導(dǎo)熱系數(shù)共同影響總傳熱系數(shù)，因此增加空氣流速明顯提高空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而提高總傳熱系數(shù)，進而有效改善傳熱效果，最終能有效降低灰渣平均溫度。

圖7 不同流速下冷卻介質(zhì)出口溫度

而采用水為冷卻介質(zhì)時，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，總傳熱系數(shù)主要受灰渣導(dǎo)熱系數(shù)的限制，因此增加水側(cè)流速，雖然能增加水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但不能明顯增加總傳熱系數(shù)，使灰渣降溫速度和水出口溫度有明顯變化，可以考慮將氣體直接鼓入套管灰渣側(cè)形成鼓泡流化床，提升灰渣側(cè)換熱系數(shù)。

3 結(jié)論

本文利用Fluent對焚燒爐灰渣非穩(wěn)態(tài)降溫過程進行了數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1)不同介質(zhì)對傳熱有不同影響，采用水的換熱效果要優(yōu)于空氣。

(2)入口流速對空氣的換熱影響要顯著的高于對水的影響。

(3)采用模擬計算分別得到了兩種介質(zhì)在不同流速下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要高于空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

(4)由于灰渣導(dǎo)熱系數(shù)低，降溫過程中熱阻集中在套管內(nèi)側(cè)，灰渣導(dǎo)熱是傳熱過程的控制步驟，因此提出改進方案：減小降溫套管外徑，可以提升流速同時減少冷卻介質(zhì)的耗量；將氣體直接鼓入套管灰渣側(cè)形成鼓泡流化床，提升灰渣側(cè)換熱系數(shù)。