基于FLUENT的懸浮預熱器氣固耦合模擬與結構優(yōu)化

王觀民王自興張凱博王文煜朱克敏欒素清解華華

1. 洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471039

2. 礦山重型裝備國家重點實驗室（中信重工機械股份有限公司），河南 洛陽 471039

基于FLUENT的懸浮預熱器氣固耦合模擬與結構優(yōu)化

王觀民1,2王自興1,2張凱博1,2王文煜1,2朱克敏1,2欒素清1,2解華華1,2

1. 洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471039

2. 礦山重型裝備國家重點實驗室（中信重工機械股份有限公司），河南 洛陽 471039

根據某水泥廠應用良好的懸浮預熱器C1筒，采用計算流體動力學軟件Fluent對其進行模擬，分析物料粒徑對分離效率的影響，得出進入預熱器物料的合理粒徑，再應用到目前正在設計的懸浮預熱器的模擬優(yōu)化中，對其筒內的煙氣和物料兩相流動進行三維湍流耦合模擬，得到筒內煙氣的速度、壓力分布云圖、物料在旋風筒內的停留時間以及分離效率等。根據模擬分析結果確定合理的內筒高度，降低了壓力損失并減少了耐熱鋼掛板的重量。

懸浮預熱器 Fluent 分離效率 優(yōu)化

0 引言

懸浮預熱器是預分解窯燒成系統(tǒng)的核心設備之一，承擔著氣固分散、物料加熱、氣固分離、物料輸送及部分物理、化學反應等多項功能。分離效率和阻力損失是設計預熱器旋風筒主要考慮的兩項性能指標。目前也有針對預熱器內部流場和物料分離效率的研究，但是多局限于單一粒徑，沒有考慮物料的粒徑分布，水泥廠對進預熱器的粒度要求也僅是80μm篩余小于12%。故筆者首先針對某水泥廠應用良好的懸浮預熱器C1筒結構，應用計算流體動力學軟件Fluent對其進行模擬，分析物料粒徑對分離效率的影響，得到滿足分離效率的物料粒徑臨界點，給出進入預熱器物料的合理粒徑，再應用到某新型懸浮預熱器的模擬中，優(yōu)化其內筒高度。

1 計算模型

1.1 物料相模型

為了計算的精確性，選用離散型模型(discrete phase model, DPM)，并運用其中的隨機軌道模型追蹤預熱器內的顆粒相的運動。當顆粒穿過流體運動時，顆粒的軌道以及傳熱量、傳質量可通過當地流體作用于顆粒上的各種平衡作用力、對流輻射引起的熱量質量傳遞來進行計算[1]。離散相模型即可以通過在一個固定的流場中(非耦合方法)來預測離散型的分布，也可以在考慮離散型對連續(xù)相有影響的流場(相間耦合方法)中考察顆粒的分布。相間耦合計算中，離散相的存在影響了連續(xù)相的流場，而連續(xù)相的流場反過來又影響了離散相的分布[2]。可以交替計算連續(xù)相和離散相直到兩相的計算結果都達到收斂標準。

1.2 氣相模型

大量的研究已表明，預熱器單體內部的流動狀態(tài)為不可壓縮湍流流動，而旋風筒內顆粒相的體積比率很低，滿足顆粒群軌道模型的基本條件。Reynolds應力模型(RSM)是二階距模型以及在此基礎上經簡化而得出的代數應力模型。RSM采用二階關聯(lián)量來模擬未知的三階關聯(lián)量和其它關聯(lián)量，此模型對k方程和e方程中源相的模擬采用與k-e模型同樣的方法。在很多情況下，RSM模型能夠給出優(yōu)于標準k-e模型的結果[3-4]。針對懸浮預熱器內三維強旋流的特點，以及懸浮預熱器不對稱的強旋流場的各向異性等特點，在模擬中氣相模型采用Reynolds應力模型。

2 模擬分析與結構優(yōu)化

2.1 不同粒徑顆粒的分離效率

根據某水泥廠應用狀態(tài)良好的懸浮預熱器C1筒為依托來研究不同粒徑顆粒的分離效率，物料經原料立磨后的粒度要求是80μm篩余小于12%，故研究顆粒粒徑的范圍在0～80μm。從表1可以看出，直徑越大的顆粒分離效應越好，粒徑30μm是個臨界點，30μm～80μm的顆粒的分離效率能滿足工藝要求，即分離效率≥95%，所以在實際生產中需控制粒徑30μm以下的物料進入預熱器的含量，從而提高預熱器的分離效率。

表1 C1筒對不同粒徑顆粒物料的分離效率

2.2 模擬分析及結構優(yōu)化

為了得到更為滿意的結果，進行了多次內筒高度的模擬優(yōu)化，限于篇幅大小，只選取三種內筒高度的模型進行論述。圖1、圖2和圖3中按(a)、(b)、(c)的順序，內筒高度依次降低，其中(a)為經驗公式計算的內筒高度。

圖1 剖面1速度云圖

圖2 剖面2速度云圖

圖3 剖面1壓力云圖

氣體進入旋風筒后沿邊壁旋轉向下運動，在底部發(fā)生折返，從中心螺旋流出，速度呈現出雙峰分布的特點。從圖1可以看到，模擬計算準確地捕捉到了這一特性，在平均入口風速18 m/s的情況下，這三種內筒高度的速度分布類似，速度大小接近，但是隨著內筒高度的降低，高速區(qū)域向上移動。從圖2可以看到內筒內的速度分布呈環(huán)形分布，中間速度最低，向周圍遞增；隨著內筒高度的降低，環(huán)形高速區(qū)的速度升高。另外可知被煙氣帶走的物料主要集中在內筒內壁附件，會加劇對內筒內壁附件的磨損。

從圖3可以看出，靜壓的分布在此剖面沿徑向由外向內遞減，中心軸線附近靜壓較低，且為負壓區(qū)。該負壓區(qū)的出現，說明了在懸浮預熱器的中心位置存在真空區(qū)，這主要是由于在懸浮預熱器軸線附近存在著強度很高的強制渦。不同之處在于隨著內筒高度的降低，壓力最高處和最低處的壓差不斷減小，由(a)結構中的1 072 Pa減小到(c)結構的896 Pa；預熱器進口和出口的壓損隨著內筒高度的降低也不斷減小，由(a)結構中的669 Pa減小到(c)結構的603 Pa。

從表2可知，(a)、(b)兩種內筒高度的旋風筒分離效率都能滿足工藝要求，即≥90%，而(c)結構的旋風筒分離效率不能滿足工藝要求，三種結構的物料停留時間相差不大。綜合以上因素確定(b)結構的旋風筒更合理，壓損比經驗公式計算出的(a)結構降低41 Pa，并且降低了耐熱鋼掛板的使用量，節(jié)省了成本。

表2 不同結構的分離效率和停留時間

各級懸浮預熱器采用以上方法進行模擬分析及結構優(yōu)化前后的性能參數對比如表3所示，優(yōu)化改進后的預熱器系統(tǒng)總體壓損降低321 Pa。經過優(yōu)化后的預熱器成功應用到唐山某水泥廠，反饋的數據表明預熱器系統(tǒng)總體壓損降低約300 Pa，這與本研究結果較吻合。

表3 各級懸浮預熱器優(yōu)化前后參數的對比

3 結束語

水泥生料顆粒直徑在30μm以上時，懸浮預熱器具備較高的分離效率。

優(yōu)化改進后的預熱器系統(tǒng)總體壓損降低321 Pa，降幅為12%，旋風筒的總分離效率僅降低1.5%，說明優(yōu)化后的預熱器為系統(tǒng)節(jié)能減排要求的實現創(chuàng)造了條件。

[1] Raoufi A, Shams M, Kanani H. CFD analysis of flow field in square cyclones[J]. Powder Technol, 2009, 191(3): 349-357．

[2] Cortes C, Gil A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators[J]. Prog Energy Combust Sci, 2007, 33(5): 409-452.

[3] 王博. 旋風式預熱器內氣固兩相運動的數值仿真研究[D].西安: 西安建筑科技大學.2003.

[4] 陳全德、陳晶、崔素萍,等.水泥預分解技術與熱工系統(tǒng)工程[M]. 北京:中國建材工業(yè)出版社, 2005.

TQ172.622.24

A

1008-0473(2015)02-0035-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.02.009

2014-12-28）