基于FLUENT的悬浮预热器气固耦合模拟与结构优化

2015-04-28王观民王自兴张凯博王文煜朱克敏栾素清解华华

新世纪水泥导报 2015年2期

关键词：内筒预热器粒径

王观民王自兴张凯博王文煜朱克敏栾素清解华华

1. 洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南洛阳 471039

2. 矿山重型装备国家重点实验室（中信重工机械股份有限公司），河南洛阳 471039

基于FLUENT的悬浮预热器气固耦合模拟与结构优化

王观民1,2王自兴1,2张凯博1,2王文煜1,2朱克敏1,2栾素清1,2解华华1,2

1. 洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南洛阳 471039

2. 矿山重型装备国家重点实验室（中信重工机械股份有限公司），河南洛阳 471039

根据某水泥厂应用良好的悬浮预热器C1筒，采用计算流体动力学软件Fluent对其进行模拟，分析物料粒径对分离效率的影响，得出进入预热器物料的合理粒径，再应用到目前正在设计的悬浮预热器的模拟优化中，对其筒内的烟气和物料两相流动进行三维湍流耦合模拟，得到筒内烟气的速度、压力分布云图、物料在旋风筒内的停留时间以及分离效率等。根据模拟分析结果确定合理的内筒高度，降低了压力损失并减少了耐热钢挂板的重量。

悬浮预热器 Fluent 分离效率优化

0 引言

悬浮预热器是预分解窑烧成系统的核心设备之一，承担着气固分散、物料加热、气固分离、物料输送及部分物理、化学反应等多项功能。分离效率和阻力损失是设计预热器旋风筒主要考虑的两项性能指标。目前也有针对预热器内部流场和物料分离效率的研究，但是多局限于单一粒径，没有考虑物料的粒径分布，水泥厂对进预热器的粒度要求也仅是80μm筛余小于12%。故笔者首先针对某水泥厂应用良好的悬浮预热器C1筒结构，应用计算流体动力学软件Fluent对其进行模拟，分析物料粒径对分离效率的影响，得到满足分离效率的物料粒径临界点，给出进入预热器物料的合理粒径，再应用到某新型悬浮预热器的模拟中，优化其内筒高度。

1 计算模型

1.1 物料相模型

为了计算的精确性，选用离散型模型(discrete phase model, DPM)，并运用其中的随机轨道模型追踪预热器内的颗粒相的运动。当颗粒穿过流体运动时，颗粒的轨道以及传热量、传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流辐射引起的热量质量传递来进行计算[1]。离散相模型即可以通过在一个固定的流场中(非耦合方法)来预测离散型的分布，也可以在考虑离散型对连续相有影响的流场(相间耦合方法)中考察颗粒的分布。相间耦合计算中，离散相的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影响了离散相的分布[2]。可以交替计算连续相和离散相直到两相的计算结果都达到收敛标准。

1.2 气相模型

大量的研究已表明，预热器单体内部的流动状态为不可压缩湍流流动，而旋风筒内颗粒相的体积比率很低，满足颗粒群轨道模型的基本条件。Reynolds应力模型(RSM)是二阶距模型以及在此基础上经简化而得出的代数应力模型。RSM采用二阶关联量来模拟未知的三阶关联量和其它关联量，此模型对k方程和e方程中源相的模拟采用与k-e模型同样的方法。在很多情况下，RSM模型能够给出优于标准k-e模型的结果[3-4]。针对悬浮预热器内三维强旋流的特点，以及悬浮预热器不对称的强旋流场的各向异性等特点，在模拟中气相模型采用Reynolds应力模型。

2 模拟分析与结构优化

2.1 不同粒径颗粒的分离效率

根据某水泥厂应用状态良好的悬浮预热器C1筒为依托来研究不同粒径颗粒的分离效率，物料经原料立磨后的粒度要求是80μm筛余小于12%，故研究颗粒粒径的范围在0～80μm。从表1可以看出，直径越大的颗粒分离效应越好，粒径30μm是个临界点，30μm～80μm的颗粒的分离效率能满足工艺要求，即分离效率≥95%，所以在实际生产中需控制粒径30μm以下的物料进入预热器的含量，从而提高预热器的分离效率。

表1 C1筒对不同粒径颗粒物料的分离效率

2.2 模拟分析及结构优化

为了得到更为满意的结果，进行了多次内筒高度的模拟优化，限于篇幅大小，只选取三种内筒高度的模型进行论述。图1、图2和图3中按(a)、(b)、(c)的顺序，内筒高度依次降低，其中(a)为经验公式计算的内筒高度。

图1 剖面1速度云图

图2 剖面2速度云图

图3 剖面1压力云图

气体进入旋风筒后沿边壁旋转向下运动，在底部发生折返，从中心螺旋流出，速度呈现出双峰分布的特点。从图1可以看到，模拟计算准确地捕捉到了这一特性，在平均入口风速18 m/s的情况下，这三种内筒高度的速度分布类似，速度大小接近，但是随着内筒高度的降低，高速区域向上移动。从图2可以看到内筒内的速度分布呈环形分布，中间速度最低，向周围递增；随着内筒高度的降低，环形高速区的速度升高。另外可知被烟气带走的物料主要集中在内筒内壁附件，会加剧对内筒内壁附件的磨损。

从图3可以看出，静压的分布在此剖面沿径向由外向内递减，中心轴线附近静压较低，且为负压区。该负压区的出现，说明了在悬浮预热器的中心位置存在真空区，这主要是由于在悬浮预热器轴线附近存在着强度很高的强制涡。不同之处在于随着内筒高度的降低，压力最高处和最低处的压差不断减小，由(a)结构中的1 072 Pa减小到(c)结构的896 Pa；预热器进口和出口的压损随着内筒高度的降低也不断减小，由(a)结构中的669 Pa减小到(c)结构的603 Pa。

从表2可知，(a)、(b)两种内筒高度的旋风筒分离效率都能满足工艺要求，即≥90%，而(c)结构的旋风筒分离效率不能满足工艺要求，三种结构的物料停留时间相差不大。综合以上因素确定(b)结构的旋风筒更合理，压损比经验公式计算出的(a)结构降低41 Pa，并且降低了耐热钢挂板的使用量，节省了成本。