| 水泥窯用生物質(zhì)燃燒機(jī)分析 |
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鄭州達(dá)冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司
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水泥窯用生物質(zhì)燃燒機(jī)分析 摘要：針對(duì)四通道旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)，建立生物質(zhì)燃燒機(jī)一回轉(zhuǎn)窯三維物理模型，利用fluent技術(shù)及tecplot后處理軟件對(duì)窯內(nèi)氣相流場(chǎng)進(jìn)行三維冷態(tài)數(shù)值模擬？疾炝松镔|(zhì)燃燒機(jī)出口附近氣流場(chǎng)的分布狀況，分析了各風(fēng)道風(fēng)速和旋流角的變化對(duì)四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)氣流場(chǎng)的的影響。冷態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果可為合理控制窯內(nèi)熱態(tài)工況提供參考，為四通道煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 回轉(zhuǎn)窯是對(duì)散狀或漿狀物料進(jìn)行加熱處理的熱工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水泥、冶金、化工等部門。水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過(guò)程中燃燒技術(shù)對(duì)熟料質(zhì)量有著決定性的影響…，生物質(zhì)燃燒機(jī)因此成為回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行的核心設(shè)備之一。生物質(zhì)燃燒機(jī)主要為窯內(nèi)燃燒點(diǎn)火，并為回轉(zhuǎn)窯物料和煤粉的燃燒反應(yīng)提供一次風(fēng)，配合回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)和三次風(fēng)，保障回轉(zhuǎn)窯的正常穩(wěn)定運(yùn)行。隨著科技的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外各種類型的生物質(zhì)燃燒機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，技術(shù)不斷革新，并由最初的單通道逐步發(fā)展為現(xiàn)茌應(yīng)用廣泛的多通道旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)[2]。相對(duì)于回轉(zhuǎn)窯而言生物質(zhì)燃燒機(jī)體積很小，但其性能直接影響煤粉的著火、燃燒特性以及回轉(zhuǎn)窯的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，對(duì)四通道旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)在窯內(nèi)形成的氣流場(chǎng)特性進(jìn)行研究意義深遠(yuǎn)。相比傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的模擬試驗(yàn)研究而言，三維模擬可對(duì)一些大型試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可靠性高。由于生物質(zhì)燃燒機(jī)形成的窯內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)主要由各類風(fēng)速度和角度決定，因此生物質(zhì)燃燒機(jī)冷態(tài)流場(chǎng)回流區(qū)的形狀和流動(dòng)規(guī)律與熱態(tài)基本相似圈，從而冷態(tài)數(shù)值模擬所得到的氣流場(chǎng)規(guī)律可為熱態(tài)數(shù)值模擬及窯內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)分析提供依據(jù)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。 本文用gamhit軟件對(duì)四通道旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)建立三維網(wǎng)格，利用CFD流體軟件對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的空氣動(dòng)力特性做三維冷態(tài)數(shù)值模擬，結(jié)合后處理軟件tecplot對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。 1 四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)的優(yōu)勢(shì)及流場(chǎng)分析 1.1 四通道煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)的優(yōu)勢(shì) 相比較其它少通道煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)而言，四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)是全新一代燃燒設(shè)備，其結(jié)構(gòu)由四個(gè)風(fēng)道組成，從外向內(nèi)一般依次為外風(fēng)啐由流風(fēng)）通道、煤風(fēng)通道、內(nèi)風(fēng)旋流風(fēng)）通道和中 心風(fēng)通道。 四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)使窯的一次風(fēng)用量下降至10%甚至6%~8%左右。4。，降低了系統(tǒng)的能耗；通過(guò)中心風(fēng)出口的火焰穩(wěn)定器增強(qiáng)了氣流的循環(huán)流動(dòng)，更有利于控制火焰形狀，形成的窯皮均勻，生物質(zhì)燃燒機(jī)燃燒效率高。此外，降低了火焰根部的≥114溫度，保證火焰中心狀況良好，能明顯降低NO。的形成圈，減少環(huán)境污染。四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)煤種適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于水泥工業(yè)陶。 1.2 四通道煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)分析 對(duì)窯內(nèi)回流區(qū)進(jìn)行分析是四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)模擬的重點(diǎn)。所謂回流區(qū)，是指氣流速差所形成的逆流區(qū)。根據(jù)前人分析總結(jié)，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)主要存在三個(gè)回流區(qū)圈，一是中心回流區(qū)，產(chǎn)生于生物質(zhì)燃燒機(jī)出口軸線處，由旋流風(fēng)軸向速度卷吸中心風(fēng)形成；二是內(nèi)回流區(qū)，產(chǎn)生于生物質(zhì)燃燒機(jī)出口端部上面，由軸流風(fēng)和切向旋流風(fēng)卷吸周圍空氣而成；三是外回流區(qū)，產(chǎn)生于二次風(fēng)入口處，由切向旋流風(fēng)形成。合理控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)回流區(qū)分布有利于穩(wěn)定火焰，增加可燃混氣停留時(shí)間，提高燃燒效率。 2 物理模型及數(shù)值算法 2.1數(shù)值模擬算例 以某一條5000 t/d水泥生產(chǎn)線的窯頭燃燒器為例，該水泥窯規(guī)格為科．8m x72 m，由于窯內(nèi)壁鑲嵌耐火磚，窯實(shí)際內(nèi)徑為4.4 m左右。 生物質(zhì)燃燒機(jī)各出口風(fēng)道及整體幾何模型，生物質(zhì)燃燒機(jī)總體直徑約0.5 m，伸入窯頭端部0.4 m。 2.2 網(wǎng)格模型劃分及處理 生物質(zhì)燃燒機(jī)相比回轉(zhuǎn)窯而言體積很水，將整個(gè)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部體積除去生物質(zhì)燃燒機(jī)伸入部分，剩下的空間看成整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文主要針對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口部分氣流場(chǎng)，由于生物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近湍流強(qiáng)烈，因此對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，模擬區(qū)域經(jīng)劃分共產(chǎn)生網(wǎng)格數(shù)626 000，網(wǎng)格扭曲率小于0.5，質(zhì)量良好，如圖3所示。整個(gè)生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)采用三維數(shù)值模擬，比二維模擬更接近實(shí)際工況，準(zhǔn)確性和可靠性更高。 2.3數(shù)學(xué)模型建立 生物質(zhì)燃燒機(jī)各風(fēng)道的入口雷諾數(shù)均遠(yuǎn)大于內(nèi)流條件下的湍流臨界雷諾數(shù)。8。，判定各管道的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，可定義出流以及整個(gè)系統(tǒng)流動(dòng)為可壓縮流動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)A—s模型主要針對(duì)湍流發(fā)展非常充分的流動(dòng)，是一種高雷諾數(shù)湍流計(jì)算模型[，且具有較高穩(wěn)定性、精確性，應(yīng)用廣泛‘舊，因此窯內(nèi)流場(chǎng)氣相采用標(biāo)準(zhǔn)k-E雙方稱湍流模型。 上述微分方程包含湍流動(dòng)能矗）方程及湍流耗散率e）方程，結(jié)合雷諾平均Navier - Stoc:kes方程組進(jìn)行聯(lián)合求解。使用有限體積法將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，差分格式均采用一階迎風(fēng)差分，對(duì)離散方程組壓力速度耦合采用工程中廣泛應(yīng)用的SIMPLE算法。標(biāo)準(zhǔn)k-e模型應(yīng)用于窯內(nèi)遠(yuǎn)離窯壁的湍流區(qū)，靠近窯內(nèi)壁區(qū)域采用壁面函數(shù)算法。 2.4邊界條件設(shè)定 生物質(zhì)燃燒機(jī)各風(fēng)道口和二次風(fēng)入口設(shè)置為速度入口邊界條件；窯尾出口面設(shè)置為壓力出口邊界條件，結(jié)合窯實(shí)際壓力情況，將壓力大小設(shè)置為-1 300 Pa;回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁采用壁面kvall）無(wú)滑移邊界條件。 3 模擬結(jié)果分析 為了比較生物質(zhì)燃燒機(jī)各風(fēng)道不同風(fēng)速及不同旋流角對(duì)氣流場(chǎng)的影響，先設(shè)定一組運(yùn)行參數(shù)為工況1，其它各組分別改變一個(gè)不同參數(shù)進(jìn)行模擬，各參數(shù)設(shè)定及工況如下表所示：冷態(tài)氣流場(chǎng)模擬在不同運(yùn)行參數(shù)下的邊界條件設(shè)置 備組工況分別使用FLUENT軟件進(jìn)行模擬，進(jìn)行1 100多次迭代計(jì)算，每次計(jì)算監(jiān)視器中生物質(zhì)燃燒機(jī)出口氣流速度計(jì)算殘差都約為10“，證明流場(chǎng)收斂。 3.1 三維冷態(tài)氣流場(chǎng)分布 對(duì)工況1設(shè)定的各參數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，圖4為生物質(zhì)燃燒機(jī)附近速度云圖模擬結(jié)果，圖5、6為截面圖。尺和Z分別表示徑向和軸向，X和l，為回轉(zhuǎn)窯截面的二維表示。 圖4中由于軸向高速軸流風(fēng)噴出，其速度明顯高于其他區(qū)域，圖5中類似環(huán)形區(qū)域速度最小，約為15 m／s，觀察圖4和圖5可得Z =0. 14 m截面處，環(huán)形區(qū)域面積最大，可判定第1期劉義倫等：水泥窯用生物質(zhì)燃燒機(jī)三維流場(chǎng)冷態(tài)數(shù)值模擬為生物質(zhì)燃燒機(jī)端部上面的回流區(qū)，通常稱內(nèi)回流區(qū)，由軸流風(fēng)和旋流風(fēng)軸向風(fēng)速與周圍空氣場(chǎng)形成的速差射流而形成，主要卷吸高溫?zé)煔，為點(diǎn)燃煤粉提供所需熱量和氧氣。 圖6顯示Z=0.4 m處截面為中心回流區(qū)沿窯徑向延伸范圍最大處，截面中心處速度最小，約為12 m／s，該回流區(qū)由旋流風(fēng)軸向速度與中心風(fēng)產(chǎn)生速差射流而產(chǎn)生，卷吸中心風(fēng)，促進(jìn)煤粉的混合預(yù)熱及燃燒。中心回流區(qū)使火焰更加穩(wěn)定合理。 3.2軸流風(fēng)對(duì)氣流場(chǎng)的影響 在工況1的基礎(chǔ)上，將生物質(zhì)燃燒機(jī)軸流風(fēng)速度參數(shù)增加為310 m/s，工況2為各參數(shù)值，生物質(zhì)燃燒機(jī)附近速度云圖模擬結(jié)果如圖7所示。 從圖7可看出當(dāng)生物質(zhì)燃燒機(jī)軸流風(fēng)速度變大時(shí)，中心回流區(qū)長(zhǎng)度變短。這是由于隨著軸流風(fēng)增大，與二次風(fēng)的速差隨之增加，導(dǎo)致外回流區(qū)增大，從而對(duì)中心回流區(qū)產(chǎn)生一定的擠壓作用。當(dāng)軸流風(fēng)風(fēng)速增加到一定值時(shí)，強(qiáng)烈的速差射流作 風(fēng)310m/s時(shí)流場(chǎng)速度云圖用將使外回流區(qū)擴(kuò)大延伸，甚至造成中心回流區(qū)逐漸消失。然而軸流風(fēng)詆時(shí)，由于中心煤粉濃度過(guò)大，燃燒氧氣不足。增加軸流風(fēng)用量不僅使煤粉分布均勻，而且提供更多氧氣，有利于煤粉燃燒。 3.3煤風(fēng)對(duì)氣流場(chǎng)的影響 工況3中，將生物質(zhì)燃燒機(jī)煤風(fēng)速度由25 m／s增至30 m／s，模擬果如圖8所示，當(dāng)其它參數(shù)不變，煤風(fēng)風(fēng)速增大時(shí)，回流速度減小，中心回流區(qū)有縮短趨勢(shì)；此外煤粉的運(yùn)行速度加快，在燃燒區(qū)域停留時(shí)間變短，不利于煤粉的充分混合燃燒。然而煤風(fēng)速度過(guò)慢，會(huì)造成大顆粒煤粉沒(méi)來(lái)得及燃燒就掉落，降低燃燒效率，影響水泥熟料的質(zhì)量。因此需合理選擇煤風(fēng)速度，現(xiàn)場(chǎng)一般控制在25 m／s~30 m/s。 3.4旋流風(fēng)對(duì)氣流場(chǎng)的影響 生物質(zhì)燃燒機(jī)旋流風(fēng)速度由180 m/s增至190 m／s，工況4所示為各參數(shù)值。模擬結(jié)果如圖9所示，隨旋流風(fēng)速度增大，中心回流區(qū)的回流效應(yīng)增強(qiáng)，且沿軸向延長(zhǎng)，使煤粉可以提前燃燒。 由旋流強(qiáng)度公式可得，當(dāng)旋流風(fēng)速度增大時(shí)，旋流切向速度與軸向逮度線性增大，而切向速度的增加使其旋轉(zhuǎn)半徑116增大，由旋流強(qiáng)度公式得旋流強(qiáng)度增大？偨Y(jié)得：隨著旋流風(fēng)速增強(qiáng)，旋流強(qiáng)度增大，從而增強(qiáng)中心回流區(qū)對(duì)周圍空氣的擾動(dòng)和卷吸作用，利于煤粉燃燒。模擬結(jié)果與之相一致，因此實(shí)際生產(chǎn)中可適當(dāng)提高旋流風(fēng)速。 3.5旋流葉片角度對(duì)氣流場(chǎng)的影響 旋流角是指生物質(zhì)燃燒機(jī)旋流葉片與該處徑向平面的夾角。根據(jù)旋流強(qiáng)度的公式可知，在旋流風(fēng)速一定的情況下，旋轉(zhuǎn)氣流的旋轉(zhuǎn)半徑保持不變，隨著旋流角的增大，旋流切向平均速度跟軸向平均速度的比值增大，旋流風(fēng)切向擴(kuò)散增強(qiáng)，軸向衰減加快。工況6旋流角由300增至35 0，模擬結(jié)果如圖10所示，由于旋流風(fēng)切向速度增大，導(dǎo)致內(nèi)回流區(qū)擴(kuò)散，中心回流區(qū)沿軸向縮短，符合旋流強(qiáng)度的相關(guān)理論知識(shí)。 隨著中心風(fēng)速增加，旋流風(fēng)與中心風(fēng)速差增大，中心回流區(qū)有軸向延長(zhǎng)趨勢(shì)，但形狀基本不變，與圖4氣流場(chǎng)基本一致。 中心風(fēng)雖然占一次風(fēng)量比例很少，但其作用卻不可忽視。它能有效防止中心部分的回流風(fēng)引起的濃相煤粉倒灌導(dǎo)致通道堵塞，此外中心風(fēng)使煤粉燃燒集中于中心處，能保護(hù)窯皮，減少工藝事故。 4結(jié)論 本文通過(guò)對(duì)圓通道煤粉旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)出口區(qū)域的氣相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論： d)模擬觀測(cè)得出生物質(zhì)燃燒機(jī)出口內(nèi)回流區(qū)和中心回流區(qū)得大致分布位置，結(jié)果符合前人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和窯內(nèi)實(shí)際狀況。 Q)保證回流區(qū)尺寸的前提下，增加軸流風(fēng)用量不僅使煤粉分布均勻，而且為煤粉充分混合燃燒提供更多氧氣。煤風(fēng)過(guò)大過(guò)小都不利于燃燒效率的提高，一般控制為20~30m/s。 G)適當(dāng)提高旋流風(fēng)速能增強(qiáng)中心回流區(qū)的卷吸作用，利于煤粉燃燒。而旋流葉片角的大小很大程度上決定了各回流的大小，控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣流場(chǎng)變化，因此旋流角的選擇是關(guān)鍵。 對(duì)四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)而言，中心風(fēng)是形成中心回流區(qū)的重要因素，它的存在保證了火焰的穩(wěn)定和煤粉的充分燃燒，是四風(fēng)道煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)優(yōu)于三風(fēng)道的重要原因所在。 |
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