| 回轉(zhuǎn)窯四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬 |
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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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回轉(zhuǎn)窯四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬 摘要：針對(duì)某大型工業(yè)四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了研究，通過(guò)使用UG和Fluent軟件分別對(duì)該燃器進(jìn)行三維建模和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。采用Realizable Kt'湍流模型和Simple算法，研究了該燃燒器內(nèi)流場(chǎng)的變化并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析與仿真，獲得了與實(shí)際情況相符的流場(chǎng)分布圖。結(jié)果證明了仿真結(jié)果的可靠性和采用Realizable Kt'模型的可行性。 回轉(zhuǎn)窯生物質(zhì)燃燒機(jī)是燒制水泥的重要部件之一，它為整個(gè)水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)提供熱源。只有性能優(yōu)良燃燒器才能保證喂入窯系統(tǒng)的燃料在燃燒空間內(nèi)迅速均勻分布、及時(shí)起火、完全燃燒并按照要求提供充足的熱量，形成一個(gè)合理的溫度場(chǎng)和熱工制度，從而使回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)充分發(fā)揮功能，做到優(yōu)質(zhì)、高效、低耗長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)滿足環(huán)境保護(hù)的需要。由于燃燒器系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生著多柏流、燃燒、燃料分解等復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，因而對(duì)燃燒器性能的深入研究有助于降低水泥燒制成本、提高水泥廠的生產(chǎn)能力。 在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后，國(guó)內(nèi)外的回轉(zhuǎn)窯所用燃料基本上都改為煤。近年來(lái)由于燒廉價(jià)燃料可以大幅度降低水泥生產(chǎn)成本，擴(kuò)大資源利用勢(shì)在必行，對(duì)環(huán)保提出了更嚴(yán)格的要求，降低NO。的排放已刻不容緩。歐洲國(guó)際火焰研究基金會(huì)歐洲國(guó)際火焰研究基金會(huì)《nternational flame research foun-dation，IFRF)直接資助對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)生物質(zhì)和石油焦的燃燒及其火焰開(kāi)展了研究工作，使回轉(zhuǎn)窯生物質(zhì)燃燒器很快由單風(fēng)道發(fā)展到雙風(fēng)道、三風(fēng)道、四風(fēng)道甚至燒兩種以上燃料的五風(fēng)道。巴西的Greco技術(shù)裝配公司已研究出的FlexiflameTM多通道9＼通道）燃燒器，不但能夠燃燒多種燃料，如固體廢棄物，液體廢棄物等，而且實(shí)現(xiàn)了渦流空氣在粉狀燃料通道的內(nèi)部和外部同時(shí)應(yīng)用，這大大降詆了NO，的排放和提高了燃料的燃燒率‘“。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐均證明，風(fēng)道越多性能越好，可是結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，重機(jī)械科學(xué)與技術(shù)量越重，價(jià)格也越高，在使用時(shí)還越容易彎曲圈。我國(guó)的企業(yè)大多數(shù)是購(gòu)買國(guó)外的燃燒器圈。國(guó)內(nèi)的研究主要是根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況，改進(jìn)四通道以滿足企業(yè)的實(shí)際需要。燃燒理論的研究和四風(fēng)道生物質(zhì)燃燒器的出現(xiàn)，使得低質(zhì)煤在各種回轉(zhuǎn)窯上得到了廣泛的應(yīng)用。四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)具有一次風(fēng)總量低、燃燒效率高、火焰形狀調(diào)節(jié)方便、煤種適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在水泥工業(yè)中被廣泛應(yīng)用嘲。 本文中根據(jù)流體力學(xué)及熱力學(xué)的基本數(shù)學(xué)方程組，通過(guò)使用UG和Fluent軟件，分別對(duì)四通道生物質(zhì)燃燒器進(jìn)行了三維建模和網(wǎng)格劃分。采用Realiza-ble kt湍流模型和Simple算法，對(duì)該四通道生物質(zhì)燃燒器進(jìn)行了理論模擬，預(yù)測(cè)出了該四通道生物質(zhì)燃燒器壓力分布場(chǎng)和湍流速度場(chǎng)。 1 建立幾何模型 該四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)的噴嘴結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次為軸流風(fēng)、煤風(fēng)、旋流風(fēng)和中心風(fēng)。本文在對(duì)該四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析中選取煤和空氣分別通過(guò)的4個(gè)通道和回轉(zhuǎn)窯為研究對(duì)象，通過(guò)使用UG6.0三維軟件對(duì)該四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行三維建模，圖1為四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)工作流域剖面圖，圖 2 湍流的數(shù)學(xué)模型 Lockwood籌人圈認(rèn)為，雖然厶叩模型已被廣泛地認(rèn)為不適合模擬有強(qiáng)旋流的流動(dòng)，但在計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和燃燒應(yīng)用結(jié)果的可靠性方面，它相對(duì)于其它高階湍流模型是最合適的。因此，應(yīng)用厶節(jié)模型計(jì)算旋流流動(dòng)后認(rèn)為，當(dāng)旋流數(shù)較小時(shí)結(jié)果較理想，旋流數(shù)較大時(shí)結(jié)果稍差一些。適合于計(jì)算強(qiáng)旋流的還有差分雷諾應(yīng)力q)SM）模型、代數(shù)雷諾應(yīng)力(ASM)模型和差分雷諾通量模型等，但其收斂性均較差，難以得到滿意的結(jié)果園。在計(jì)算弱旋氣相流動(dòng)時(shí)，RNG kt模型可以滿足工程上的精度需求，沒(méi)必要運(yùn)用計(jì)算量很大的雷諾應(yīng)力模型，但強(qiáng)旋流動(dòng)中，雷諾應(yīng)力模型能得到較滿意的結(jié)果研。由于雷諾應(yīng)力模型對(duì)硬件要求比較高，一般采用Realiza-ble kt模型也能較好地模擬旋流圓。 基于Fluent四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬項(xiàng)；Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能厶的產(chǎn)生項(xiàng)；Yvl代表可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C．。、C：。和C3。為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；d。和a。分別為與湍動(dòng)能h和耗散率s對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和S。是用戶定義的源項(xiàng)。 上述微分方程同連續(xù)方程、Navier-Stockes雷諾平均方程組成的湍流運(yùn)動(dòng)方程組聯(lián)合進(jìn)行求解：有限體積法化微分方程為差分方程，差分格式均采用二階迎風(fēng)差分格式，對(duì)離散方程組的壓力速度耦合采用經(jīng)典的Simple算法，求解代數(shù)方程采用三對(duì)角矩陣TDMA逐線迭代及低松弛因子聯(lián)合求解，收斂標(biāo)準(zhǔn)均取各因變量相鄰兩次迭代殘差小于10“。 3 網(wǎng)格劃分及邊界條件 考慮到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和燃燒器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在中心風(fēng)道、軸流風(fēng)道和煤風(fēng)道使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)旋風(fēng)道使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型。圖3為整體流域和旋風(fēng)道頭部的網(wǎng)格劃分。 以4 000 t/d四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)實(shí)際工況數(shù)據(jù)為邊界條件，根據(jù)冷態(tài)工況溫度300 K，查表‘閫得空氣密度p=1. 165 kg／IJ13，動(dòng)力粘度分別為p=1. 846×10。Pa．s；根據(jù)模型各單體入曰尺寸及水力直徑計(jì)算公式dH =4×S//S為過(guò)流斷面的面積，L為過(guò)流斷面上流體與固體的接觸周長(zhǎng)）計(jì)算各風(fēng)道入口水力直徑；最后根據(jù)各風(fēng)道的風(fēng)速計(jì)算各單體入口雷諾數(shù)Re= pvdH仉及來(lái)流馬赫數(shù)Ma= v/c，其中c為當(dāng)?shù)芈曀，?duì)空氣來(lái)說(shuō)c= 20.1√丁，丁為流體絕對(duì)溫度。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。 表1 四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)邊界條件數(shù)值表 ┏━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━━┓ ┃ ┃入口風(fēng)速 ┃水力直徑 ┃ 來(lái)流 ┃ 來(lái)流 ┃ ┃ ┃／缸．s“） ┃ /m ┃馬赫數(shù) ┃ 雷諾數(shù) ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫ ┃軸流風(fēng) ┃ 240 ┃ 0.0 089 ┃ 0.6 894 ┃ 134 801. 733 ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫ ┃ 煤風(fēng) ┃ 35 ┃ 0.0 660 ┃ O．1 005 ┃ 145 782. 781 ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫ ┃ 旋流風(fēng) ┃ 240 ┃ 0.1 325 ┃ 0.6 894 ┃2 006 879. 742 ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫ ┃中心風(fēng) ┃ 50 ┃ 0.0 288 ┃ 0.1 436 ┃ 90 877. 570 ┃ ┗━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━━┛ 由表1數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的各個(gè)入口來(lái)流馬赫數(shù)均大于0.1，因此該系統(tǒng)流動(dòng)屬于可壓縮流范疇；并且各個(gè)風(fēng)道的來(lái)流雷諾數(shù)均遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)Rec=2 000 N10 000 0羽，從而判定各管道的流動(dòng)狀態(tài)為湍流。根據(jù)可壓縮流的計(jì)算邊界條件，各風(fēng)道的入口和出口分別選取速度入口和速度出口邊界條件類型，其余邊界均為固壁。燃燒器的網(wǎng)格劃分采用了整體分割法、局部加密和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)。燃燒器的中心風(fēng)道、煤風(fēng)道和軸風(fēng)道采用了六面體結(jié)構(gòu)仳網(wǎng)格，旋風(fēng)道和相連的窯系統(tǒng)采用了四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在噴嘴與窯相接觸的地方采用局部網(wǎng)格加密方法和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)。共計(jì)生成2 070 421個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量良好，扭曲率小于0. 65。 4 結(jié)果與討論 在回轉(zhuǎn)窯中，生物質(zhì)與燃燒空氣的混合主要取決于生物質(zhì)和二次風(fēng)的混合。一次風(fēng)射流的出口動(dòng)量和旋流強(qiáng)度越強(qiáng)，吸卷二次風(fēng)的能力越強(qiáng)。四通道生物質(zhì)燃燒器具有節(jié)能高效的特點(diǎn)，旋流風(fēng)和軸向噴射風(fēng)由高壓風(fēng)機(jī)供風(fēng)‘加。通過(guò)螺旋導(dǎo)向部分，噴出燃燒器的氣體形成強(qiáng)旋流，確保生物質(zhì)與二次風(fēng)充分混合均勻，達(dá)到火焰的強(qiáng)勁燃燒。軸向風(fēng)采用軸向分布的氣流噴嘴噴射，提高了火焰的剛度，噴射出亞音速的微向外發(fā)散的噴射風(fēng)，形成多個(gè)外回流壓，卷吸更多的二次高溫?zé)犸L(fēng)，再?gòu)?qiáng)化燃燒。中心風(fēng)在火焰根部中心產(chǎn)生一個(gè)較大的可變的負(fù)壓回流區(qū)，減弱一次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)，使煤風(fēng)的厚度減薄，便于二次風(fēng)穿透火焰，煤風(fēng)混合更加均勻充分，可以大大縮短黑火頭，中心風(fēng)的大小調(diào)節(jié)可以改變?nèi)紵鞒隹诘膬?nèi)回流區(qū)的位置和大小，可降低火焰根部的局部高溫，抑制NO。的產(chǎn)生，同時(shí)起保護(hù)燃燒器頭部的作用。煤風(fēng)采用低速風(fēng)，可以減少燃燒器套管的磨損，提高燃燒器的使用壽命。流線和較大范圍的回流區(qū)。圖5說(shuō)明由于中心風(fēng)的影響，流域中形成小范圍的負(fù)壓回流區(qū)。同時(shí)可以看出燃燒器軸風(fēng)道的高速氣流與二次風(fēng)相比具有很大的動(dòng)壓頭形成的剪切層對(duì)燃燒器具有保護(hù)作用，使二次風(fēng)的不穩(wěn)定擾動(dòng)難以影響到內(nèi)部流場(chǎng)，從理論上分析有利于消除斷火和燒窯皮現(xiàn)象。由圖6的可以看出在噴嘴出口處各風(fēng)道的速度最大，并在軸線方向上不斷減小。流場(chǎng)下游處出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，為回流區(qū)的形成創(chuàng)造了條件。旋風(fēng)道強(qiáng)勁的高速氣流使燃料和氧化劑得到充分混合，能夠提高燃料的利用率。 5 結(jié)論 1)基于UG和Fluent理論建立了燃燒器的三維模型和網(wǎng)格劃分，完成了可視化的數(shù)僮模擬。模擬的結(jié)果與文獻(xiàn)[11]介紹到的四通道生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的實(shí)際工作特征相符，即噴嘴出口附近形成負(fù)壓回流區(qū)，速度分布沿軸向衰減。仿真的結(jié)果表明Real-izable K-e模型用于模擬四通道生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的流動(dòng)過(guò)程是合理的，模擬結(jié)果是可信的。 2)驗(yàn)證了該四通道生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性。高速的旋風(fēng)道和軸風(fēng)道能夠提高生物質(zhì)和空氣的混合率，進(jìn)而提高生物質(zhì)的燃燒率，保證火焰的溫度。 生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com |
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