6000t/d水泥熟料旋风预热器颗粒运动的数值模拟

徐振宁

(苏州中材建设有限公司，江苏 苏州 215300)

以旋风预热器与分解炉相结合的新型干法水泥生产是目前应用最为广泛的水泥生产技术[1]。旋风预热器的主要作用是实现高温废烟气和生料之间的高效换热，提高生料温度，降低废烟气的热焓。旋风预热单元一般由五级串联组成，其中旋风筒的分离效率是旋风预热单元最重要的参数[2]。因此研究旋风预热器内的固体颗粒运行轨迹及分离效率是非常必要的[3]。

1 旋风预热器气固两相流数值模拟模型选取

图1为6000t/d水泥熟料旋风预热系统。

图1 悬浮预热器系统的结构示意图

对于单个的旋风预热器来说，本文以270°切入式旋风蜗壳为研究对象，并建立相应的物理数学模型。其中C1旋风预热器选择细高型，C2-C4旋风预热器选择低压损型，C5旋风预热器选择的内筒较短、高径比较小型，各级旋风预热器结构如图2[2]。

图2 C1-C5旋风预热器的模型图

将图2模型网格划分，如图3所示。

图3 C1-C5旋风预热器的网格划分

本文主要研究旋风预热器的分离效率及冷态流场，因此，模拟选用控制方程包括连续方程、动量方程。

对于气相，采用RNGκ-ε湍流模型。

气相边界条件主要有：气体入口、气体出口和颗粒出口。所有数据，均来自实际工况，参数如表1所示。

表1 数值模拟参数

固相模型选择离散型模型中的随机轨道模型[1]。固体的下料口设为捕捉出口，经过此出口的固体颗粒被统计为捕捉；颗粒在气体出口处设为逃逸出口，经过此出口的颗粒被统计为逃逸。气固两相之间采用双向耦合。

2 数值模拟结论与分析

2.1 生料颗粒的运动轨迹

图4给出了C1-C5级旋风预热器中的生料颗粒的运动轨迹。由图可以看出，大量颗粒随气体进入不同级的旋风预热器后，大量颗粒被甩向预热器筒体内壁处，形成较为密集的旋转颗粒带。固粒随气体旋转下压流动，当气固两相流到达旋风预热器底部时，流体相发生折转转为向上旋转流动。此时，绝大部分固体颗粒在旋转惯性力和重力的作用下，大颗粒将继续向锥筒底部运动，这样一来可以实现气、固分离，而粒径较小的固体颗粒被上升气流带入内旋流，转而向上运动，由出口处排出。总的来说，对于质量较大的颗粒来说，虽然受到了离心力的作用，但是重力是起到主要作用的，因此，颗粒随气体进入旋风预热器以后，以螺旋式的流动型态从圆筒部位下降到椎体部位，并在椎体口出被捕集。而粒径较小的颗粒，由于所受离心力较小，且在径向气流的向心作用下，在出口与柱状体之间形成气体短路，被旋转上升的气流带走，也即从出口端逃逸出去。

图4 C1-C5旋风预热器内颗粒迹线

2.2 固体颗粒速度分布

旋风预热器内的流场是三维的，其内的速度矢量可以分为切向分速度、径向分速度和轴向分速度。研究表明，旋风预热器分离效率影响最大的因素是固体物料受到的离心力[2]。

图5所示为 C1-C5旋风预热器内固体速度矢量图。由图可以看出，旋风预热器内在切向速度的带动下，固体颗粒作高速旋转运动，由此产生的离心效应将颗粒甩向圆筒壁面进而分离出来，这不仅仅会影响旋风预热器的分离效率，同时也影响旋转及分离状态下的能量的高低。由C1旋风预热器内固体速度分布可以看出，在不同界面上速度矢量基本是对称的，且在内筒处速度达到最大值。而在蜗壳部位，由于采用的是偏心式蜗壳结构，对称度不足，造成该位置速度分布的对称性弱于圆筒部位和圆锥部位。同时，C1预热器旋风筒内流场的固体速度还存在着转向，这是由于向下运动的外旋流和由锥体部位反弹回来向上的内旋流发生短路共同作用的结果。

图5 C1-C5旋风预热器内固体速度矢量

对比图5中C1-C5旋风预热器的速度矢量图可以得到，当旋风预热器在设置过程中出现斜锥时，其处的速度分布对称性出现了较大偏差，进而造成流速分布非常不均匀。

2.3 分离效率分析

论文以捕捉到的固体颗粒个数占进入旋风预热器的个数的比值代表分离效率。其结果如图6所示。

图6 旋风预热器的分离效率

结合对比图4中C1-C5的小颗粒的逃逸几率可以看出，C1逃逸出去的小颗粒最少，C5次之，C2、C3、C4三个旋风预热器小颗粒逃逸出去的几率较小。由图6可以看出，C1旋风预热器分离效率最高，达到了95.4%；C2、C3、C4、C5旋风预热器分离效率均高于85%。各级旋风筒分离效率的匹配符合C1>C5>C2>C3>C4的实际情况，且数值上和实际的分离效应相吻合。

3 结论

论文选择了6000t/d水泥熟料生产线五级悬浮预热器为研究对象，以实际尺寸建立了物理数学模型，采用CFD技术对五级悬浮预热器内的颗粒运行轨迹、固体速度矢量及分离效率等参数进行了数值模拟。模拟显示大量固体颗粒进入旋风预热器后会在外筒壁处形成颗粒密集区，进而排出，而少量颗粒被气体由出口带出。数值模拟得出的旋风预热器的分离效率结论与工程实际吻合度较高。