三次風(fēng)布置形式對(duì)分解爐影響的數(shù)值模擬

崔洪坤，劉志強(qiáng)

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

新型干法水泥工業(yè)生產(chǎn)中預(yù)分解系統(tǒng)對(duì)熟料生產(chǎn)十分重要。分解爐主要是利用窯尾高溫廢氣、窯頭篦冷機(jī)高溫余風(fēng)來(lái)對(duì)經(jīng)過(guò)旋風(fēng)預(yù)熱器預(yù)熱的生料做入窯之前的最后分解，使其生料分解率達(dá)到85%以上。生料的主要成分為SiO、AlO及碳酸鹽等，而生料中碳酸鹽主要以CaCO為主。由于三次風(fēng)溫度和含氧量較高，三次風(fēng)的分布對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)有著重要的影響。梅書(shū)霞等人采用Fluent軟件研究了分解爐內(nèi)氣流場(chǎng)、煤粉燃燒及碳酸鈣分解過(guò)程。李海豹等人采用ANSYS軟件對(duì)三次風(fēng)分級(jí)引入分解爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了模擬分析。王俊杰等人應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)研究了三次風(fēng)單向入爐對(duì)分解爐的速度場(chǎng)、顆粒軌跡、溫度場(chǎng)、煤粉燃燒與碳酸鈣的影響。

本文以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，利用Fluent軟件對(duì)分解爐中單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及組分濃度場(chǎng)的變化情況。

2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用Solidworks建立的分解爐簡(jiǎn)化模型如圖1所示。從圖1a中可以看到，以分解爐窯尾煙氣進(jìn)口中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸，分解爐高為42 m，爐內(nèi)最大直徑為6.4 m；來(lái)自回轉(zhuǎn)窯的高溫?zé)煔庥蔂t體底部縮口進(jìn)入爐內(nèi)，縮口上方布置有三次風(fēng)管，與窯尾高溫?zé)煔庀嘤龊笮纬射隽餍?yīng)；分解爐錐部布置有四個(gè)以周向分布的燃燒器，采用生料分級(jí)分解技術(shù)上下布置了生料管，上下分煤比例和分料比例分別為1∶1和5∶8，且保持比例不變；中部有個(gè)縮口，形成二次噴騰效應(yīng)。圖1b是在單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一個(gè)三次風(fēng)管，三次風(fēng)管和中軸線為偏心設(shè)計(jì)。圖1c是分解爐的網(wǎng)格劃分，并對(duì)各個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，從紅框的局部放大圖可以看到，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)三次風(fēng)管進(jìn)行了型塊劃分。在保證計(jì)算精度的前提下，控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為900 000左右。

圖1 分解爐幾何模型及網(wǎng)格

3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

湍流的控制方程采用雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程下的κ-ε兩方程模型，如式 (1) 和 (2) 所示；分解爐內(nèi)的流場(chǎng)采用組分輸運(yùn)模型，組分輸運(yùn)方程如式 (3) 和 (4) 所示。

式中，G是平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；G是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Y是可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C、C和C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σ和σ分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，S和S是可定義的源項(xiàng)。

表1為計(jì)算所用的邊界條件。煙氣進(jìn)口、三次風(fēng)進(jìn)口均采用均勻分布速度，生料進(jìn)口采用質(zhì)量流量，出口采用壓力出口邊界。各煤粉進(jìn)口的進(jìn)煤量與生料進(jìn)口的進(jìn)料量皆相等，物料初始入射角度相同。采用離散相模型進(jìn)行顆粒相的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，且煤粉粒子粒徑遵從rosinrammer分布。雙進(jìn)風(fēng)的兩個(gè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為單進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的二分之一，即總的三次風(fēng)進(jìn)風(fēng)量不變。

表1 計(jì)算模擬的邊界條件

4 結(jié)果與討論

4.1 分解爐流場(chǎng)

單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐流場(chǎng)分布如圖2所示。由圖2可知，氣流流線從整體上都呈螺旋上升狀，分解爐下部均發(fā)生漩流效應(yīng)，但是單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐流場(chǎng)的漩流形態(tài)差異較大。從圖2a中可以看到，三次風(fēng)進(jìn)入分解爐后形成大量由中間區(qū)域向邊緣區(qū)域運(yùn)動(dòng)的漩流，分解爐下半部分氣流呈現(xiàn)高度的返混形態(tài)，返混效應(yīng)加劇了生料與煤粉之間的充分混合，有利于煤粉燃燒和CaCO分解；在上部下料點(diǎn)處，生料隨著三次風(fēng)產(chǎn)生回流，延長(zhǎng)了生料在分解爐內(nèi)的停留時(shí)間；氣流經(jīng)過(guò)分解爐中部縮口時(shí)，由于爐體直徑突然縮小，形成了二次噴騰。從圖2b中可以看到，雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐流場(chǎng)形成了雙漩流效應(yīng)，上部煤粉管都位于三次風(fēng)附近，煤粉進(jìn)入分解爐后在高溫三次風(fēng)中預(yù)熱之后燃燒放熱，但由于兩股三次風(fēng)的旋流作用更強(qiáng)，部分煤粉可能會(huì)在沒(méi)完全燃盡之前隨著流場(chǎng)向上輸運(yùn)，延遲燃燒。

圖2 單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐流場(chǎng)分布

4.2 分解爐溫度場(chǎng)

單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐溫度場(chǎng)分布如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐沿爐膛中心方向上溫度呈遞減趨勢(shì)，且爐溫都滿足生料分解要求。從圖3a中可以看到，單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐三次風(fēng)管對(duì)面，最高溫度為1 250 K，這是由于三次風(fēng)使燃料向爐壁靠攏，并在氧氣中劇烈燃燒放出大量的熱。另外，分解爐下部錐體出現(xiàn)一個(gè)三角狀的高溫區(qū)，最高溫度達(dá)到1 299 K，這是由于來(lái)自窯尾的高溫?zé)煔馑?。在分解爐下部，低溫區(qū)主要分布在生料管附近，這是由于生料分解要吸收大量熱量。當(dāng)生料顆粒運(yùn)動(dòng)到分解爐中部縮口，生料繼續(xù)分解吸熱，溫度進(jìn)一步降低，爐出口溫度為1 145 K。隨著燃料的完全燃燒，從分解爐縮口上方往頂部方向走，溫度逐漸減低。從圖3b中可以看到，雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的爐溫整體比單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)低，爐內(nèi)最高溫度向爐中心線移動(dòng)為1 189 K，爐出口溫度為1 130 K，在鵝頸管處出現(xiàn)1 150 K的高溫區(qū)域，這是因?yàn)槊悍墼诖颂幦紵隆?/p>

4.3 分解爐組分濃度場(chǎng)

單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐CaCO和CaO濃度場(chǎng)分布分別如圖4、圖5所示。從兩圖中可以看到，單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的煙氣進(jìn)口處的CaCO質(zhì)量濃度都為0.05，而CaO質(zhì)量濃度分別為0.80和0.04，說(shuō)明下部生料在兩種情況下都可以完成分解。鵝頸管出口處CaCO質(zhì)量濃度分別為0.10和0.08，而CaO質(zhì)量濃度都為0.6，計(jì)算得到單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的爐內(nèi)生料分解率分別為87%和85%。

單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐O濃度場(chǎng)分布如圖6所示。從圖6中可以看到，當(dāng)Y小于5 m時(shí)，單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的O濃度相差不大，說(shuō)明分解爐下部煤粉的燃燒情況基本相同；由于三次風(fēng)管位于5.8 m處，故單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的O濃度均達(dá)到最大值，分別為0.12和0.09；當(dāng)Y位于5 m和22 m之間時(shí)，單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的O濃度大于雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的O濃度，結(jié)合溫度分布分析可知單進(jìn)風(fēng)煤粉燃燒換熱更為合理，雙進(jìn)風(fēng)容易形成高溫區(qū)；從圖3中單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的爐出口處溫度低可以說(shuō)明在相同條件下，單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)煤粉燃燒分布區(qū)域和溫度梯度更合理。

圖3 單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐溫度場(chǎng)分布

圖4 單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐CaCO3濃度場(chǎng)分布

圖5 單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐CaO濃度場(chǎng)分布

圖6 單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐O2濃度場(chǎng)分布

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)分析了單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)分解爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及組分濃度場(chǎng)的影響。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用建議及結(jié)論如下。

1）單、雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的分解爐氣流流線從整體上都呈螺旋上升狀，均發(fā)生漩流效應(yīng)，雙進(jìn)風(fēng)容易產(chǎn)生裹挾。

2）雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的爐溫相比單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的爐溫整體有所下降，但爐溫都滿足生料分解要求。由于三次風(fēng)的雙旋流效應(yīng)及生料對(duì)煤粉的包覆作用使得煤粉延遲燃燒，導(dǎo)致在雙進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的鵝頸管處出現(xiàn)相對(duì)高溫區(qū)。