鍋爐房上煤干燥換熱器數(shù)值模擬及分析

趙雪峰，付子洋，翟云闊

（1.長春工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長春130012；2.吉林省地質(zhì)工程勘察院，長春130000）

0 引言

隨著社會發(fā)展，各種一次不可再生能源日益短缺，各國對能源的合理化利用也越來越重視。東北地區(qū)城市區(qū)域供熱鍋爐房燃煤中所含的外在水分高，普遍含有10%～30%左右的外水分，造成了大量的煤炭資源的浪費(fèi)。目前區(qū)域供熱鍋爐房沒有采用燃煤干燥設(shè)備，如此高水分的燃煤直接參與燃燒，水分在爐膛內(nèi)蒸發(fā)時(shí)會吸收大量的燃煤釋放出的熱量，降低了鍋爐爐膛的溫度，影響鍋爐的效率；過多的水蒸氣還會擠占大量的煙道排煙流量，造成鍋爐排煙困難和引風(fēng)機(jī)耗電量增大。煙道氣中冷凝的水蒸氣還會堵塞除塵器，造成除塵器壓降升高，鍋爐排煙困難。提高區(qū)域供熱鍋爐房燃煤利用率，降低環(huán)境污染，必須發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，對燃煤中的過高水分加以脫除，是解決我國能源短缺、能源與環(huán)境問題的有效途徑之一[1]。

本文針對鍋爐房上煤干燥換熱器是一種回轉(zhuǎn)式干燥換熱裝置，主要由筒體、加熱器、支撐體和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成?；剞D(zhuǎn)式干燥換熱裝置結(jié)構(gòu)是在高端設(shè)置定量進(jìn)料裝置、推料裝置，在回轉(zhuǎn)式干燥換熱裝置的低端設(shè)置排料裝置，在干燥器的水平兩端分別設(shè)置煙氣的進(jìn)口和出口。燃煤和煙氣運(yùn)動(dòng)采用逆流布置，這樣可以增強(qiáng)換熱效果。煤在換熱器中充分吸收煙氣的熱量得到干燥，同時(shí)提高燃煤進(jìn)入爐膛的溫度，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。在工作過程中，2臺電動(dòng)機(jī)經(jīng)由減速裝置減速后帶動(dòng)上煤干燥換熱器殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速約為1r／min，燃煤由揚(yáng)料板帶動(dòng)，隨殼體轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了解決鍋爐房上煤干燥換熱器傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)周期長、試驗(yàn)工作量大、難于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）FLUENT軟件，進(jìn)行過程仿真模擬，計(jì)算求解流體運(yùn)動(dòng)軌跡、傳熱過程等，并且對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果等進(jìn)行分析，為換熱器設(shè)計(jì)及制造提供原始依據(jù)，從而減少投資和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，對設(shè)計(jì)工作有重要的意義。

1 幾何模型和數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文對鍋爐房上煤干燥換熱器進(jìn)行了二維簡化，包括高溫?zé)煔馊肟?，給料口、低溫?zé)煔獬隹谝约皦毫Τ隹诘?。簡化后的模型將燃煤視為均勻的鋪滿整個(gè)干燥換熱器壁面，因?yàn)槿济旱囊苿?dòng)速度非常緩慢，相對風(fēng)速可以忽略不計(jì)，故將燃煤看做是壁面。模型主體為圓柱形，鍋爐房上煤干燥換熱器長5m，直徑2m，網(wǎng)格采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，壁面應(yīng)用邊界層進(jìn)行加密。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

本文模擬鍋爐房上煤干燥換熱器采用穩(wěn)態(tài)非耦合隱式求解器（Implicit Segregated Solver），采用湍流模型。應(yīng)用壁面函數(shù)方法求解N－S方程，標(biāo)準(zhǔn)k－ε紊流模型，對于干燥換熱器內(nèi)的對流換熱采用湍流模型[2－8]。

邊界條件：

（1）在高溫?zé)煔膺M(jìn)口處，設(shè)定高溫?zé)煔膺M(jìn)口速度。（2）在燃煤進(jìn)口處，設(shè)定進(jìn)料速度。

（3）在高溫?zé)煔膺M(jìn)口處，設(shè)定高溫?zé)煔獬鯗?33K。

（4）設(shè)置燃煤邊界條件為移動(dòng)壁面，壁面溫度為283K。

（5）在移動(dòng)壁面處，厚度設(shè)置為3cm。

（6）工作條件為微負(fù)壓，設(shè)置為大氣壓力。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文對干燥換熱器內(nèi)燃燒進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，處理并分析了壁區(qū)和核心區(qū)內(nèi)溫度、壓力、速度沿徑向變化的規(guī)律。

2.1 溫度場

溫度場分布的切片如圖1所示。由圖中可以看出，煙氣在進(jìn)口管道中的溫度大約為430K，當(dāng)煙氣進(jìn)入到上煤干燥換熱器后，靠近煙氣進(jìn)口的壁面處溫度較低，大概為330K，隨著煙氣的向前流動(dòng)，換熱器中心的溫度逐漸降低，壁面煤層的溫度在逐漸升高，由干燥換熱器中心到壁面的溫度逐漸降低。煙氣出口中心的溫度為430K，出口溫度分布如圖2所示，出口管道處溫度大約為410K，說明煙氣可以充分地干燥燃煤，出口溫度比計(jì)算值溫度高，所以可以適當(dāng)?shù)販p少煙氣量，即煙氣進(jìn)口速度可以降低，煙氣管道直徑可以縮小，這樣，可以選取功率更小的引風(fēng)機(jī)和煙氣管道直徑，不但降低了設(shè)備投資，同時(shí)降低了運(yùn)行成本。

圖1 溫度場分布切片

圖2 煙氣出口溫度分布

在靠近煙氣入口處產(chǎn)生了渦流。在渦流中，煙氣像剛體一樣以角速度繞自身軸旋轉(zhuǎn)，渦束周圍的流體受渦旋束的誘導(dǎo)將繞渦束軸作對應(yīng)的等速圓周運(yùn)動(dòng)。由于在渦流區(qū)域內(nèi)煙氣是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滯留時(shí)間較長，與燃煤的接觸時(shí)間較長，煙氣與燃煤的溫差變小，所以此處的煙氣溫度要比其他位置稍低。由于渦旋的存在，造成了渦旋區(qū)附近的燃煤干度可能達(dá)不到要求標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)由于渦旋的存在會造成一部分煙氣沒有進(jìn)行充分換熱就離開了換熱器，這樣造成了引風(fēng)機(jī)不必要的損耗，所以實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該盡量減小渦旋。

本文中所使用的是單筒上煤干燥換熱器，為了增強(qiáng)換熱效果，采用三轉(zhuǎn)筒上煤干燥換熱器，在三轉(zhuǎn)筒換熱器中被烘干的物料由入料端口送入烘干機(jī)的內(nèi)筒，筒內(nèi)部設(shè)有許多螺旋狀的揚(yáng)料板。通過筒體的回轉(zhuǎn)，物料被揚(yáng)料板不斷地?fù)P起并做縱向運(yùn)動(dòng)。物料到達(dá)內(nèi)筒的尾端因自重的作用落入中筒，通過筒內(nèi)的反向螺旋揚(yáng)料板的作用，物料進(jìn)一步被烘干并向出料端運(yùn)動(dòng)，直到中筒前端，并在重力的作用下落入外筒。通過外筒導(dǎo)向板、揚(yáng)料板，在筒體回轉(zhuǎn)的作用下物料繼續(xù)烘干并向前運(yùn)動(dòng)，直到外筒低端卸出。這樣可以大大增加換熱面積，能夠更充分地利用煙氣對燃煤進(jìn)行干燥，降低引風(fēng)機(jī)的功耗。

2.2 壓力場

壓力場分布切片如圖3所示，在煙氣的進(jìn)口計(jì)示壓強(qiáng)為10Pa，當(dāng)煙氣進(jìn)入到干燥換熱器后，壓力降低，為負(fù)壓，真空值大約為10Pa，在靠近進(jìn)口的壁面處有明顯的低壓區(qū)，在渦流中的流速為零，壓力最低，所以這個(gè)低壓區(qū)是渦流的中心，在圖中可見渦流中心壓力大概為－30Pa，在圍繞中心的環(huán)流區(qū)，壓力漸漸升高，大約為－20Pa，隨著煙氣向前運(yùn)動(dòng)，壓力逐漸增加，在離煙氣進(jìn)口3／4處壓力又逐漸降低，在靠近煙氣出口的壁面處壓力最高，壓力計(jì)示值為60Pa，當(dāng)煙氣離開干燥換熱器進(jìn)入煙氣出口管道時(shí)同樣會出現(xiàn)一個(gè)渦旋，渦旋中心的壓力計(jì)示值大約為－120Pa，煙氣出口管道中的計(jì)示壓力大約為－90Pa。煙氣出口壓力分布如圖4所示。

圖3 壓力場分布切片

圖4 煙氣出口壓力分布

2.3 速度分布

沿X軸速度分布切片如圖5所示，煙氣進(jìn)入換熱器后，在靠近入口的壁面處會產(chǎn)生渦旋，速度流線分布如圖6所示，由流線可以看出在渦流區(qū)有明顯的旋轉(zhuǎn)流場，流體的速度大約為－4m／s，表明流體是與煙氣進(jìn)口流向相反，此處為煙氣在整個(gè)換熱過程中速度最低的位置。在換熱器中心，隨著煙氣的向前移動(dòng)，煙氣的速度在逐漸減小。煙氣的速度由中心向燃煤層逐漸減小，靠近煤層處的速度大約為2m／s，當(dāng)煙氣到達(dá)距出口1／4處時(shí)，煙氣的速度逐漸變大，煙氣離開換熱器進(jìn)入管道時(shí)，在管道的中心速度達(dá)到最大值，速度約為16m／s。速度矢量圖如圖7所示。煙氣出口的速度較快，可以適當(dāng)加大出口管道直徑。

圖5 沿X軸方向速度分布

圖6 速度流線圖

圖7 速度矢量圖

圖8 煙氣出口速度分布

2.4 湍動(dòng)能

湍動(dòng)能分布切片如圖9所示，在渦旋區(qū)內(nèi)湍動(dòng)能較高，在換熱器的中心處湍動(dòng)能較低，并且由中心向壁面逐漸升高然后降低，在靠近煙氣出口的拐角處，湍動(dòng)能突然增加，煙氣出口的湍動(dòng)能分布如圖10所示。與速度分布對比可以看出，速度較快的區(qū)域湍動(dòng)能較小。

圖9 湍動(dòng)能

圖10 煙氣出口湍動(dòng)能

3 結(jié)語

本文利用FLUENT對鍋爐房上煤干燥換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到了溫度場、速度場及壓力場并進(jìn)行了分析。全文以保證燃煤的干燥度為準(zhǔn)則，將模型進(jìn)行了一系列的簡化，首先以假設(shè)的方式計(jì)算了鍋爐房上煤干燥器的進(jìn)口速度，然后進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）在保證煤的干燥度的前提下可以進(jìn)一步降低煙氣的進(jìn)口速度，在鍋爐房上煤干燥換熱器的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中就可以選擇功率較小的引風(fēng)機(jī)，同時(shí)，還能夠降低煙氣管道的直徑，節(jié)省設(shè)備投資，降低上煤干燥器的運(yùn)行耗能，到達(dá)更好的節(jié)能減排效果。

（2）可以采用多轉(zhuǎn)筒換熱器，增加換熱面積，從而更好地?fù)Q熱。

（3）煙氣出口的速度較快，可以適當(dāng)增大出口管道直徑。

（4）煙氣進(jìn)入干燥換熱器后會產(chǎn)生渦旋，渦旋區(qū)附近換熱效果不佳，為了改善這種情況可以采取一些減小渦旋區(qū)措施，如避免煙氣管道與換熱器垂直連接等。

[1]肖有瑟.鍋爐及鍋爐房設(shè)備[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995：3－4.

[2]王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：12－13.

[3]韓占忠.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：23－24.

[4]吳子牛.計(jì)算流體力學(xué)基本原理[M].北京：科學(xué)出版社，2000：7－8.

[5]Versteeg H K，Malalasekera W.An Introduction to Computational Fluid Dynamic[M].New York：The Finite Volume Method Wilcy，1995：56－57.

[6]Patankar S V.Numerical Heat Transfer and Fluid Flow[M].Washington：Hemisphere，1980：29－30.

[7]Fletcher C A J.Computational Techniques for Fluid Dynamics[M].Berlin：Springerverlag，1990：45－46.

[8]Launder B E.Second－moment closure and its use in modeling turbulent industrial flows[J].International Journal for Numerical Methods in Fluid，1989（9）：963－985.