工業(yè)鍋爐的CFD模擬與優(yōu)化

劉欣欣

（商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000）

燃燒是諸多材料制備生長過程中必經(jīng)的階段，在金屬冶煉、化工肥料、燃料電池等諸多領(lǐng)域中都有涉及[1-3]。燃燒過程包括各種物理現(xiàn)象：傳熱、流體流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)和其他復(fù)雜的過程。作為一般燃燒過程所采用的發(fā)生器（鍋爐），其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中涉及的傳熱傳質(zhì)過程很難采用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，數(shù)值模擬的發(fā)展為研究和分析這類問題，特別是傳熱應(yīng)用提供了一種有效的解決方案。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）目前在涉及流場(chǎng)變化的燃燒現(xiàn)象過程中發(fā)揮著非常大的作用。事實(shí)上，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）可以研究鍋爐全容積內(nèi)的湍流和組份傳輸現(xiàn)象，同時(shí)還可以優(yōu)化幾何參數(shù)和運(yùn)行條件，以提高燃燒反應(yīng)和鍋爐效率，降低損失。近幾十年來，為了研究不同類型的鍋爐在不同工業(yè)應(yīng)用中的燃燒情況，各國科學(xué)家開展了多項(xiàng)CFD研究工作，采用CFD方法對(duì)大型和小型鍋爐的生物質(zhì)燃燒進(jìn)行了大量研究[4-6]。

本文對(duì)硫酸工業(yè)的冶煉鍋爐（如圖1所示）進(jìn)行分析，研究了工業(yè)鍋爐的燃燒情況，對(duì)流體流動(dòng)特性，如溫度、速度場(chǎng)、密度，進(jìn)行綜合分析。為鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖1 工業(yè)鍋爐

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

圖2 所示為工業(yè)鍋爐優(yōu)化前后幾何模型，優(yōu)化的模型主要在靠近進(jìn)口處增加一個(gè)氣流擋板，所建立的模型采用工業(yè)實(shí)際尺寸，內(nèi)部腔體為直徑3 890 mm的圓柱，總長14 181mm，空氣和硫磺入口內(nèi)徑分別為600 mm 和100 mm，出口內(nèi)徑為1 768 mm。鍋爐設(shè)有三個(gè)擋板[7-8]。

1.2 邊界設(shè)置

對(duì)分析模型設(shè)定邊界條件，硫磺粉體入口設(shè)置為速度進(jìn)口，溫度為413 K，進(jìn)口速度為5.55 m/s，設(shè)置空氣進(jìn)口為壓力進(jìn)口（Pressure-inlet），出口為壓力出口（Pressure-outlet），詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖2 工業(yè)鍋爐優(yōu)化前后幾何模型

圖3 優(yōu)化前后爐體溫度場(chǎng)分布

圖4 優(yōu)化前后爐體速度場(chǎng)分布

表1 邊界條件

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場(chǎng)模擬

圖3為優(yōu)化前后爐體內(nèi)溫度場(chǎng)分布圖，從圖3中可以看出在未優(yōu)化的鍋爐內(nèi)，硫磺進(jìn)口處及擋板周圍的溫度分布較高，鍋爐內(nèi)燃燒反應(yīng)主要發(fā)生于爐體中部，溫度隨液體沿鍋爐流動(dòng)而緩慢下降，由于原始爐體的設(shè)計(jì)使得進(jìn)口處溫度和燃燒反應(yīng)區(qū)的溫度基本相同，這樣對(duì)于進(jìn)口管來說，長期使用會(huì)造成一定的損耗。對(duì)爐體進(jìn)行優(yōu)化，在進(jìn)口處底部增加一個(gè)擋板，縮短原始爐體進(jìn)口處頂部擋板尺寸長度，同時(shí)在靠近出口處頂部增加一個(gè)擋板，這樣使得進(jìn)氣口氣流在擋板擾動(dòng)下更加均勻。從圖3（b）可以看出進(jìn)口區(qū)域溫度明顯下降，出口擋板的設(shè)置使得熱流進(jìn)行回流，從而起到保溫的作用。

2.2 速度場(chǎng)模擬

圖4為優(yōu)化前后爐體速度場(chǎng)分布，從圖4中可以看出擋板的設(shè)置使得進(jìn)口處的燃料硫粉蒸汽產(chǎn)生回流，此時(shí)從截面圖來看，進(jìn)口處x=1.4m處優(yōu)化后的速度場(chǎng)出現(xiàn)了彌散的情況，而隨著靠近出氣口速度場(chǎng)逐漸增加而減小。從速度矢量圖來看，擋板處產(chǎn)生明顯的回流圈，回流圈的出現(xiàn)使得爐體內(nèi)的速度場(chǎng)更加的均勻。經(jīng)過優(yōu)化后的爐體燃燒區(qū)域的速度場(chǎng)基本維持在54 m/s以下，相比未經(jīng)優(yōu)化的爐體其燃燒部位速度場(chǎng)更加均勻，均勻的溫度場(chǎng)有助于反應(yīng)的穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

采用Ansys-Fluent 流體計(jì)算軟件，對(duì)硫酸工業(yè)爐的溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過增加擋板使得進(jìn)口處溫度減小，整體鍋爐內(nèi)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)分布更加均勻。