轉(zhuǎn)速對(duì)油基鉆屑熱解爐溫度場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

徐千芃 文遠(yuǎn)高 夏世斌

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

0 引 言

隨著能源危機(jī)問題的升級(jí)，頁(yè)巖氣作為一種新興的化石能源廣泛受到各界關(guān)注，頁(yè)巖氣開采過程中隨著油基鉆井液的循環(huán)使用，帶回地面的過程中會(huì)產(chǎn)生油基鉆屑[1]。油基鉆屑主要來源于被鉆碎的巖層巖屑，主要含有烴類化合物、重金屬、二氧化硅，以及油基鉆井液中添加的各種化學(xué)試劑，如絮凝劑、乳化劑、加重劑等。油基鉆屑已被國(guó)家列為危險(xiǎn)廢物(HW08)，如果未經(jīng)過處理直接排放，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害[2-3]。

油基鉆屑資源化處理已經(jīng)成為頁(yè)巖氣開采環(huán)節(jié)中不可或缺的一環(huán)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于油基鉆屑資源化處理多采用化學(xué)萃取法、固化法、焚燒法、微生物法、熱解工藝法等方式，化學(xué)萃取法處理徹底但成本較高、并且工藝較為復(fù)雜，剩余污泥量較大；焚燒法無(wú)法回收原油而容易造成資源浪費(fèi)，并且處理過程中容易產(chǎn)生有毒物質(zhì)污染周圍環(huán)境；微生物法處理周期過長(zhǎng)并且由于技術(shù)的限制，無(wú)法投入大規(guī)模的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中[4]。熱解法作為近年來廣泛使用的一種固廢處理工藝，具有熱解處理效果好，油分回收率高等優(yōu)點(diǎn)，熱解產(chǎn)物進(jìn)行冷凝分離后，熱解油被回收利用，不冷凝氣可回收作為熱源的燃料，而處理殘?jiān)堰_(dá)到國(guó)家環(huán)保相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可作為生態(tài)建材、陶瓷濾料的生產(chǎn)材料[5]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，油基鉆屑熱解裝置有許多不同的形式，根據(jù)加熱方式可分為外熱式和內(nèi)熱式；根據(jù)裝置固定情況可分為固定式與回轉(zhuǎn)式；根據(jù)放置方式的不同可分為臥式與立式[6]，國(guó)內(nèi)外有關(guān)不同油基鉆屑熱解裝置其熱解效果的研究方興未艾，但針對(duì)外熱回轉(zhuǎn)式熱解裝置內(nèi)溫度場(chǎng)情況進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的研究仍有欠缺[7-8]。

本研究利用ANSYS Fluent軟件對(duì)外熱回轉(zhuǎn)式油基鉆屑熱解爐運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同回轉(zhuǎn)速度下熱解爐內(nèi)溫度分布情況，探究物料、爐內(nèi)氣體溫度分布特點(diǎn)，尋求最優(yōu)熱解效果時(shí)的工藝條件，對(duì)提高油基鉆屑資源化處理效果提供了有益的參考。

1 數(shù)值模擬與計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象與幾何模型

本研究模擬計(jì)算的回轉(zhuǎn)窯主體包含傾斜的回轉(zhuǎn)窯體、固定構(gòu)件、旋轉(zhuǎn)齒輪以及物料進(jìn)出口等，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。物料通過料斗進(jìn)入高溫窯體內(nèi)，通過重力以及回轉(zhuǎn)作用，緩慢從窯尾向窯頭運(yùn)動(dòng)，因數(shù)值模擬主要針對(duì)窯體換熱段，故不考慮窯體外壁加熱階段和物料進(jìn)入以及輸出過程。窯口半徑0.45m，窯體全長(zhǎng)6m,左端設(shè)置正方形物料入口，邊長(zhǎng)為0.25m，窯體放置傾斜角為1°。

圖1 回轉(zhuǎn)窯模型示意

1.2 計(jì)算模型與邊界條件

由于油基鉆屑從進(jìn)料到出料是一個(gè)溫度不斷變化的過程，所以采用非穩(wěn)態(tài)模擬方法，物料運(yùn)動(dòng)時(shí)間為3 600s，時(shí)間步長(zhǎng)為1s，內(nèi)部流場(chǎng)采用壓力速度耦合型simple算法，考慮到近壁面等低雷諾數(shù)區(qū)域RNGK-ε湍流模型的流動(dòng)黏性解析公式更能準(zhǔn)確反映流動(dòng)狀況從而提高模擬準(zhǔn)確性，所以湍流模型選用RNGK-ε模型[9]，輻射模型采用P1輻射模型，具體求解控制方程如下[10]：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(5)

式中：E為流體微團(tuán)的總能(J/kg)，包含內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能之和；hj為組分j的焓值(J/kg)；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)(W/(m·K))；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；Sh為化學(xué)反應(yīng)熱及其他自定義體積熱源項(xiàng)。由于油基鉆屑熱解過程涉及的化學(xué)反應(yīng)以及傳熱過程極為復(fù)雜[11]，為了模擬計(jì)算求解的順利進(jìn)行，對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

油基鉆屑復(fù)雜組分以正辛烷以及正十六烷代替，分別代表小分子烷烴以及大分子烷烴，不考慮其他化學(xué)組分；

回轉(zhuǎn)窯壁厚忽略不計(jì)，并假設(shè)為理想定壁溫情況；

不考慮組分在高溫情況下發(fā)生的相變揮發(fā)。

油基鉆屑入口采用速度入口，參照設(shè)計(jì)要求，流速為0.0016m/s，進(jìn)料溫度300K，正辛烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，正十六烷為30%，出口采用自由出流，回轉(zhuǎn)窯壁面采用定壁溫條件，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)，壁面溫度定為673K，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部初始狀態(tài)時(shí)填充氮?dú)馀c油基鉆屑，油基鉆屑填充率為0.15?；剞D(zhuǎn)速度以0.01rad/s為梯度，對(duì)固定式即回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0至0.04rad/s五種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 結(jié)果準(zhǔn)備性驗(yàn)證

張宏麟曾對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱特性及流場(chǎng)做了一定的分析[12]，其模擬了回轉(zhuǎn)速度0.22rad/s時(shí)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度分布情況，取其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比作為模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的準(zhǔn)備性驗(yàn)證，結(jié)果如圖2(由于參考對(duì)象與模擬對(duì)象長(zhǎng)度不一致，所以窯體長(zhǎng)度表示當(dāng)前位置占全長(zhǎng)的比例)。

圖2 結(jié)果準(zhǔn)備性驗(yàn)證對(duì)比

由圖2可以看出，兩者結(jié)果中的物料溫度變化趨勢(shì)大致相同，都為入口處有一溫度攀升階段，待加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)后，溫度較為穩(wěn)定，接近出口處由于與外界設(shè)備相連存在一定的熱量交換，導(dǎo)致溫度存在略微的降幅。模擬結(jié)果準(zhǔn)備性驗(yàn)證為后階段模擬提供了一定的可靠性驗(yàn)證，也為后階段研究不同轉(zhuǎn)速下的溫度場(chǎng)分布及實(shí)際工程應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)。

2.2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場(chǎng)分布

3 600 s(出料時(shí)刻)時(shí)不同回轉(zhuǎn)速度參數(shù)下沿X=0平面方向截面溫度云圖見圖3，其中Z表示沿爐長(zhǎng)方向，Y表示豎直方向即重力方向。

由圖3可知，入口處由于油基鉆屑物料剛進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯熱解爐內(nèi)導(dǎo)致局部溫度較低，回轉(zhuǎn)窯底部區(qū)域由于物料的堆積，溫度場(chǎng)顯著低于上方高溫氣體層，尾部由于與出料口連接造成一定的熱損失，與氣體回流導(dǎo)致溫度也顯著低于高溫氣體層，當(dāng)窯體固定或窯體轉(zhuǎn)速較低，為0.01 rad/s與0.02 rad/s時(shí)，內(nèi)部溫度場(chǎng)分層情況比較均勻，且回轉(zhuǎn)速度為0.02 rad/s時(shí)，溫度場(chǎng)低溫區(qū)域更小，即回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部換熱效果更好，熱解效果更佳，當(dāng)回轉(zhuǎn)速度較快，為0.03 rad/s與0.04 rad/s時(shí)，內(nèi)部溫度場(chǎng)特別是出料口附近更加紊亂。

圖3 3 600s時(shí)不同回轉(zhuǎn)速度下溫度云圖

2.3 油基鉆屑物料溫度分布

當(dāng)填充率為0.15時(shí)，物料層高度h=0.41R,R為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑，取圖1截面中高度0.5h處沿Z軸方向溫度來表征回轉(zhuǎn)窯內(nèi)油基鉆屑物料的溫度，沿軸線方向溫度分布如圖4。

圖4 3 600 s時(shí)不同轉(zhuǎn)速下油基鉆屑溫度分布

由圖4可知油基鉆屑進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯時(shí)，由于窯內(nèi)氣體以及窯體內(nèi)壁溫度很高，物料迅速升溫，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，經(jīng)過迅速升溫段之后，物料溫度較為平緩，只在接近出口處會(huì)有小幅下降，且回轉(zhuǎn)速度為0.02 rad/s時(shí)，物料溫度略高于回轉(zhuǎn)速度為0.01 rad/s的工況，當(dāng)窯體固定或轉(zhuǎn)速較大時(shí)，窯內(nèi)物料混合不夠均勻或回轉(zhuǎn)速度過大導(dǎo)致內(nèi)部物料運(yùn)動(dòng)過于劇烈，新進(jìn)入的物料無(wú)法得到充分混合與加熱，導(dǎo)致存在一定的溫降區(qū)域，但隨著回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，物料總體溫度穩(wěn)定上升，最終和低速回轉(zhuǎn)下的工況終溫接近。

2.4 油基鉆屑物料溫度隨時(shí)間變化

由上，0.02 rad/s回轉(zhuǎn)速度的工況下，內(nèi)部溫度場(chǎng)分布較好，適宜油基鉆屑熱解的進(jìn)行，故取此轉(zhuǎn)速下不同時(shí)刻窯內(nèi)油基鉆屑溫度進(jìn)行對(duì)比分析。由于此工況下除入口段溫度變化較小，便取沿Z軸方向油基鉆屑軸線溫度均值來表征每一時(shí)刻油基鉆屑溫度。油基鉆屑從入口進(jìn)料到出口出料總共歷時(shí)3 600 s，每72s記錄一次回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，總共50組，油基鉆屑溫度隨時(shí)間變化曲線見圖5。

圖5 0.02rad/s時(shí)油基鉆屑平均溫度隨時(shí)間變化曲線

熱解初始階段物料溫度迅速上升，360 s內(nèi)由初溫300 K迅速攀升至660 K，360 s后的熱解階段，溫度變化便變得極為緩慢，可看做是一個(gè)均溫?zé)峤膺^程，由于油基鉆屑在不同溫度條件下熱解產(chǎn)物不同，迅速升溫段也是工業(yè)設(shè)計(jì)方面提高熱解效果的重要階段。

3 結(jié) 論

1)借助CFD軟件對(duì)油基鉆屑回轉(zhuǎn)窯熱解內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，能直觀清晰地看出不同時(shí)刻不同回轉(zhuǎn)速度下的溫度場(chǎng)分布情況，不同回轉(zhuǎn)速度下均表現(xiàn)為上方高溫氣體層溫度較高，下方物料層溫度較低，物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的入口區(qū)域以及出料口附近區(qū)域溫度場(chǎng)較低。

2)當(dāng)回轉(zhuǎn)速度0.02 rad/s時(shí)，內(nèi)部溫度場(chǎng)較其他工況更為優(yōu)良，更適宜油基鉆屑的熱解過程，窯體固定或回速度偏小及偏大均會(huì)導(dǎo)致油基鉆屑物料加熱不夠充分，影響熱解效果。

3)當(dāng)油基鉆屑在0.02 rad/s的回轉(zhuǎn)速度下熱解時(shí)，前360 s物料溫度急劇上升，迅速攀升至660 K左右，當(dāng)360 s之后物料溫度變化較為緩慢。