回轉(zhuǎn)窯四通道生物質(zhì)燃燒機流場數(shù)值模擬
摘要：針對某大型工業(yè)四通道生物質(zhì)燃燒機進(jìn)行了研究,通過使用UG和Fluent軟件分別對該燃器進(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)流場的變化并對其進(jìn)行數(shù)值分析與模仿,獲得了與實際情況相符的流場分布圖。結(jié)果證明了模仿結(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)燃燒機是燒制水泥的重要部件之一,它為整個水泥回轉(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,及時起火,完全燃燒并按照要求提供充足的熱量,形成一個合理的溫度場和熱工制度,從而使回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)充分發(fā)揮功能,做到優(yōu)質(zhì),,低耗長期安全運轉(zhuǎn)同時滿足環(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)過程,因而對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年代石油危機后,國內(nèi)外的回轉(zhuǎn)窯所用燃料基本上都改為煤。近年來由于燒廉價燃料可以大幅度降低水泥生產(chǎn)成本,擴大資源利用勢在必行,對環(huán)保提出了更嚴(yán)格的要求,降低NO。的排放已刻不容緩。歐洲國際火焰研究設(shè)立資金會歐洲國際火焰研究設(shè)立資金會《nternational flame research foun-dation,IFRF)直接資助對水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)生物質(zhì)和石油焦的燃燒及其火焰開展了研究工作,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,而且實現(xiàn)了渦流空氣在粉狀燃料通道的內(nèi)部和外部同時應(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,重機械科學(xué)與技術(shù)量越重,價格也越高,在使用時還越容易彎曲圈。我國的企業(yè)大多數(shù)是購買國外的燃燒器圈。國內(nèi)的研究主要是根據(jù)企業(yè)的實際情況,改進(jìn)四通道以滿足企業(yè)的實際需要。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)性強等優(yōu)點,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,通過使用UG和Fluent軟件,分別對四通道生物質(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,對該四通道生物質(zhì)燃燒器進(jìn)行了理論模擬,預(yù)測出了該四通道生物質(zhì)燃燒器壓力分布場和湍流速度場。
1 建立幾何模型
該四通道生物質(zhì)燃燒機的噴嘴結(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)。本文在對該四通道生物質(zhì)燃燒機進(jìn)行數(shù)值模擬分析中選取煤和空氣分別通過的4個通道和回轉(zhuǎn)窯為研究對象,通過使用UG6.0三維軟件對該四通道生物質(zhì)燃燒機進(jìn)行三維建模,圖1為四通道生物質(zhì)燃燒機工作流域剖面圖,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)為不適合模擬有強旋流的流動,但在計算的經(jīng)濟性,穩(wěn)定性和燃燒應(yīng)用結(jié)果的可靠性方面,它相對于其它高階湍流模型是合適的。因此,應(yīng)用厶節(jié)模型計算旋流流動后認(rèn)為,當(dāng)旋流數(shù)較小時結(jié)果較理想,旋流數(shù)較大時結(jié)果稍差一些。適合于計算強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。在計算弱旋氣相流動時,RNG kt模型可以滿足工程上的精度需求,沒必要運用計算量很大的雷諾應(yīng)力模型,但強旋流動中,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)燃燒機流場數(shù)值模擬項；Gb是由于浮力引起的湍動能厶的產(chǎn)生項；Yvl代表可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻(xiàn)；C．。,C：。和C3。為經(jīng)驗常數(shù)；d。和a。分別為與湍動能h和耗散率s對應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和S。是用戶定義的源項。
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動方程組聯(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
考慮到模仿結(jié)果的準(zhǔn)確性和燃燒器的結(jié)構(gòu)特點,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)燃燒機實際工況數(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算公式dH =4×S//S為過流斷面的面積,L為過流斷面上流體與固體的接觸周長）計算各風(fēng)道入口水力直徑；后根據(jù)各風(fēng)道的風(fēng)速計算各單體入口雷諾數(shù)Re= pvdH仉及來流馬赫數(shù)Ma= v/c,其中c為當(dāng)?shù)芈曀?對空氣來說c= 20.1√丁,丁為流體溫度。具體計算結(jié)果如表1所示。
表1 四通道生物質(zhì)燃燒機邊界條件數(shù)值表
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┃ ┃入口風(fēng)速 ┃水力直徑 ┃ 來流 ┃ 來流 ┃
┃ ┃／缸．s“） ┃ /m ┃馬赫數(shù) ┃ 雷諾數(shù) ┃
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┃軸流風(fēng) ┃ 240 ┃ 0.0 089 ┃ 0.6 894 ┃ 134 801. 733 ┃
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┃ 煤風(fēng) ┃ 35 ┃ 0.0 660 ┃ O．1 005 ┃ 145 782. 781 ┃
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┃ 旋流風(fēng) ┃ 240 ┃ 0.1 325 ┃ 0.6 894 ┃2 006 879. 742 ┃
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┃中心風(fēng) ┃ 50 ┃ 0.0 288 ┃ 0.1 436 ┃ 90 877. 570 ┃
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由表1數(shù)據(jù)可知,系統(tǒng)的各個入口來流馬赫數(shù)均大于0.1,因此該系統(tǒng)流動屬于可壓縮流范疇；并且各個風(fēng)道的來流雷諾數(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狀態(tài)為湍流。根據(jù)可壓縮流的計算邊界條件,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)。共計生成2 070 421個網(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)射流的出口動量和旋流強度越強,吸卷二次風(fēng)的能力越強。四通道生物質(zhì)燃燒器具有節(jié)能的特點,旋流風(fēng)和軸向噴射風(fēng)由高壓風(fēng)機供風(fēng)‘加。通過螺旋導(dǎo)向部分,噴出燃燒器的氣體形成強旋流,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),形成多個外回流壓,卷吸更多的二次高溫?zé)犸L(fēng),再強化燃燒。中心風(fēng)在火焰根部中心產(chǎn)生一個較大的可變的負(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�器出口的�?nèi)回流區(qū)的位置和大小,可降低火焰根部的局部高溫,舒緩NO。的產(chǎn)生,同時起保護(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)相比具有很大的動壓頭形成的剪切層對燃燒器具有保護(hù)作用,使二次風(fēng)的不穩(wěn)定擾動難以影響到內(nèi)部流場,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)道的速度大,并在軸線方向上不斷減小。流場下游處出現(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)顆粒燃燒機的實際工作特征相符,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。模仿的結(jié)果表明Real-izable K-e模型用于模擬四通道生物質(zhì)顆粒燃燒機的流動過程是合理的,模擬結(jié)果是可信的。
2)驗證了該四通道生物質(zhì)顆粒燃燒機結(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。

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