1 前言
預(yù)熱器是回轉(zhuǎn)窯煅燒活性石灰的關(guān)鍵設(shè)備之一,回轉(zhuǎn)窯的窯尾煙氣在預(yù)熱器內(nèi)和石灰石完成熱交換,以達(dá)到降低煙氣的排放溫度,提高石灰石進(jìn)窯溫度的目的。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中,預(yù)熱器內(nèi)石灰石受熱不均,不僅造成窯尾煙氣排放溫度過高,而且石灰煅燒質(zhì)量也不穩(wěn)定。
目前也有針對預(yù)熱器內(nèi)部流場分布的研究,但是并沒有考慮石灰石在預(yù)熱器內(nèi)部堆積的無序性對煙氣流動(dòng)的影響,所以其對預(yù)熱器內(nèi)煙氣流動(dòng)的模擬分析參考價(jià)值不大。筆者嘗試使用流體分析軟件FLUENT和離散元EDEM顆粒軟件對預(yù)熱器內(nèi)窯尾煙氣進(jìn)行氣固耦合模擬分析。
2 預(yù)熱器內(nèi)氣固耦合模擬分析
2.1 FlLUENT和EDEM耦合模塊
FLUENT和EDEM耦合方法的基本思路是:通過FLUENT求解流場,使用EDEM計(jì)算顆粒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)受力情況,二者以一定的模型進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量等的傳遞,實(shí)現(xiàn)耦合。具體到本案例為離散元EDEM顆粒軟件生成石灰石顆粒并實(shí)際接近地填充預(yù)熱器中,顆粒之間形成的孔隙接近真實(shí)情況,EDEM經(jīng)過一定的計(jì)算時(shí)間步把顆粒計(jì)算結(jié)果輸入軟件FLUENT進(jìn)行流體模擬計(jì)算,其計(jì)算迭代收斂后再把流體計(jì)算結(jié)果返回EDEM軟件計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)情況,以此循環(huán)計(jì)算得到煙氣在物料中的運(yùn)動(dòng)情況。
2.2 湍流模型的選擇
煙氣在預(yù)熱器內(nèi)石灰石間流動(dòng)時(shí),其雷諾數(shù)約6500,遠(yuǎn)大于臨界點(diǎn)2000~3000,因此煙氣在預(yù)熱器內(nèi)石灰石間的流動(dòng)是以湍流為主。
可實(shí)現(xiàn)k-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε二元方程模型的改進(jìn)方案,是目前應(yīng)用最為廣泛的湍流模型,能有效地用于各種不同類型的流動(dòng)模擬,包括射流和混合自動(dòng)流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)等。因此綜合考慮穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度,該研究選用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型分析預(yù)熱器內(nèi)部流場。
2.3 邊界條件
模擬分析以煙氣進(jìn)入預(yù)熱器為邊界條件,進(jìn)預(yù)熱器的煙氣流速為3.29m/s,溫度1050℃,煙氣出口壓力為-4500Pa,其他為自由邊界條件。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),無滑移邊界條件,壁面粗糙度0.5,石灰石的平均粒徑33mm,密度2900kg/m3。
2.4 模型的建立和網(wǎng)格劃分
預(yù)熱器內(nèi)石灰石的平均粒徑約33mm,在EDEM中簡化為球型顆粒。石灰石下落至預(yù)熱器內(nèi)過程如圖1~2所示。
圖1 石灰石填充預(yù)熱器過程
圖2 石灰石填充滿預(yù)熱器
將預(yù)熱器三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格單元采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖3所示。
圖3 預(yù)熱器的有限元模型
2.5 數(shù)值模擬與結(jié)果分析
將應(yīng)用EDEM軟件裝滿石灰石顆粒的預(yù)熱器和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLUENT進(jìn)行氣固耦合模擬仿真。壓力一速度耦合方程采用貼體曲線坐標(biāo)系中的非交錯(cuò)網(wǎng)格的簡式(simple)算法,壓力梯度項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)(standard)格式,使用默認(rèn)的欠松弛因子,監(jiān)視收斂性判別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-4,初始化后對其進(jìn)行迭代計(jì)算。
模擬分析得到預(yù)熱器結(jié)構(gòu)一剖面的煙氣流線圖、速度分布云圖如圖4、5所示。
圖4 預(yù)熱器內(nèi)煙氣流線圖
圖5 預(yù)熱器內(nèi)煙氣速度分布圖
從圖4可以看出,窯尾煙氣進(jìn)入預(yù)熱器后,少量較高速度的在煙氣撞上接近預(yù)熱倉高度一半位置的預(yù)熱器外壁上,在推桿處形成渦流,推桿附近流線非常稀疏。從圖5也可以看出推桿附近大部分區(qū)域幾乎沒有煙氣流動(dòng),大部分煙氣沿外壁側(cè)上行至排煙口,沿最短路徑排出,在倉體的右側(cè)煙氣明顯較少。因此,在預(yù)熱器推桿和倉體上部煙氣的流速和流量都較小,這兩處石灰石顆粒的傳熱效果也較差。
3 預(yù)熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
為了改善煙氣在預(yù)熱器內(nèi)的流動(dòng),擬采用在預(yù)熱器中下部增加導(dǎo)氣梁干涉預(yù)熱器內(nèi)煙氣流動(dòng)的方法,避免推桿處煙氣渦流的產(chǎn)生。將加導(dǎo)氣梁的預(yù)熱器模型重新模擬分析,結(jié)果如圖6、7所示。
圖6 帶導(dǎo)氣梁預(yù)熱器內(nèi)煙氣流線圖
圖7 帶導(dǎo)氣梁預(yù)熱器內(nèi)煙氣速度分布圖
由圖6可知,加導(dǎo)氣梁后,通過干擾煙氣的流動(dòng)路徑,使得進(jìn)入液壓推桿附近區(qū)域的煙氣流線明顯增多。對比圖4和圖6可以看出,左下側(cè)的煙氣流速明顯增加,使得此處物料的換熱效果得到改善。
針對預(yù)熱器上部煙氣分布不均的情況,擬將懸掛裝置抬升,并使其和澆注料形成一定角度。這樣可使從回轉(zhuǎn)窯進(jìn)入的煙氣在進(jìn)入此區(qū)域后,經(jīng)懸掛裝置緩沖后,沿四周的澆注料反壓到石灰石料面上,從而擴(kuò)大高溫?zé)煔飧浇鼌^(qū)域的影響程度。
圖8 懸掛抬升后預(yù)熱器內(nèi)煙氣流線圖
圖9 懸掛抬升后預(yù)熱器內(nèi)煙氣速度分布圖
從圖8可以看出,將懸掛裝置抬升并與周邊澆注料形成一定角度后,煙氣通過該處時(shí)有向下運(yùn)動(dòng)并擴(kuò)散的趨勢。對比圖5和圖9可以看出,低速煙氣區(qū)域明顯減少,擴(kuò)大了煙氣和石灰石物料的熱交換范圍,提高了換熱效果,同時(shí)預(yù)熱效果更加均勻。
4 結(jié)論
1)借助離散元軟件EDEM生成的近似生產(chǎn)實(shí)際的石灰石顆粒,更加真實(shí)的還原了石灰石在預(yù)熱器內(nèi)堆積的孔隙,然后使用流體分析軟件Fluent和離散元EDEM耦合模擬煙氣的流動(dòng),能夠更加接近實(shí)際和直觀的觀察到煙氣在預(yù)熱器內(nèi)流動(dòng)情況,為設(shè)備的優(yōu)化及工藝操作的改進(jìn)提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
2)經(jīng)過優(yōu)化后的預(yù)熱器換熱效果明顯提高,從江陰某冶金石灰廠反饋的數(shù)據(jù),煙氣從預(yù)熱器排出的平均溫度在200℃左右,較以前的250℃有明顯的改善,大大降低了產(chǎn)品的熱耗。
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本文標(biāo)題:基于FLUENT和EDEM的石灰預(yù)熱器氣固耦合模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
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