基于数值模拟预分解系统探究开发

《基于数值模拟预分解系统探究开发》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于数值模拟预分解系统探究开发本文通过对5OOOt/d预分解系统的数值模拟研究，结合流体动力学基本原理，采用重整化群（RNG）数学模型，使用Fluent软件模拟旋风筒、分解炉内的气流速度场、温度场、颗粒浓度场、颗粒运动轨迹及气体组分场等分布状况，了解和掌握煤粉在分解炉炉内燃烧过程及其规律，对设备开发、优化设计起到了重要作用。该研究成果在示范线上的使用也取得了较好的效果。一、引言近年来我国水泥工业取得了较大的发展，但在热耗、电耗、污染物排放等方面同国际先进水平仍存在一定差距，有很大的潜力可挖。预分解系统是实现节能、降耗、减少污染物排放的关键

2、设备，因此开展预分解系统的研究不仅能促进我国水泥技术的发展，增强我国水泥技术的国际竞争力，而且对实现我国水泥工业节能、降耗、清洁生产发展目标也具有重要的现实意义。本文的项目以5OOOt/d预分解系统为研究对象，来源于国家科技部“十一五”科技支撑计划重大项目：“绿色制造工艺与装备”的“高性能水泥绿色制造工艺和装备”课题及后续研究。结合流体动力学基本原理，采用Fluent软件模拟旋风筒、分解炉内的气流速度场、温度场、颗粒浓度场及气体组分场等分布状况，对了解和掌握煤粉在分解炉炉内燃烧过程及其规律，为水泥工业热工设备的设计、燃烧装置的正常运行和控

3、制燃烧过程提供理论基础和实践指导意义。由于篇幅限制，本文仅以分解炉（含鹅颈管）部分为代表介绍数值模拟在设备开发研究中的应用，对项目研究成果一一HF5000高能效预分解系统在示范线上的使用情况做以阐述。二、5OOOt/d分解炉的数值模拟分解炉是预分解窑的关键设备，具有燃料燃烧、气固换热和碳酸盐分解等多种功能，是一个非常复杂的气固反应器、换热器和输送器，必须使风、煤、料在炉内混合分布均匀，煤粉才能迅速燃烧，从而使放出的热量及时被生料吸收用于CaC03分解。所以清楚地了解和分析炉内物料运动、煤粉燃烧与碳酸钙分解，对优化分解炉内燃烧过程、提高生料

4、分解率，进而研究其结构优化具有重要的理论价值与实际意义。1.分解炉的模型建立该部分由炉体、炉腔及上下锥体、鹅颈管组成。在下锥体左侧部三次风旋转进入分解炉，三次风管边部及对面各设有一个燃料喷嘴，在下锥体上部两侧设有物料喂入装置。其几何模型与实体结构如图1所示，其几何尺寸如表1。2.计算区域与网格的生成网格的生成在流场数值模拟中属于前处理过程。模型的网格划分是进行数值计算的前提，也是关键的一步。网格质量的好坏，不仅会影响计算结果的精度，对模拟结果与真实情况的吻合程度也有较大影响。针对预分解系统的结构特点，本文在研究过程中划分网格时，采用T-G

5、rid网格技术方法生成网格，如图2所示。1.数学模型假设分解炉内流体的流动为稳态湍流流动，窑尾烟气入口处与三次风进口处初始速度皆为均匀分布，颗粒间相互碰撞仅考虑重力和阻力。气体流动采用重整化群（RNG）的k-£模型，燃料燃烧及碳酸钙分解采用有限速率/涡耗散模型，辐射传热模型采用DO模型。其三维流动的控制方程可写成如下统一形式：（1）当小=1时为连续性方程，S（1）是由气相引起的源项或汇项，SP4）是由固体颗粒引起的源项。燃料颗粒作为离散相，在拉格朗日（Lagrangian）坐标系中描述，同时考虑它与气相之间的质量、动量和能量交换作用。颗粒

6、的运动方程可表示为：（2）方程2的右边依次为气相阻力、重力（包括浮力）和其他作用力。燃烧颗粒的能量方程为：(3)式中，右边依次为对流传热、辐射传热、热解挥发分析出热和反应放热；其中mP为颗粒的质量，CP为颗粒的比热，TP为颗粒的温度，h为对流换热系数，AP为颗粒表面积，为气相温度，eP为颗粒的发射率，o为波尔兹曼常数，eR为福射温度，I是福射强度，hf令为汽化潜热，？h份额常数，Hreac为表面反应释放的热量。1.初始、边界条件及计算方法为了使流动过程与方程组能够用数值方法求解，必须给定相应的边界条件和初始条件，并且初始条件和边界条件给定

7、合理与否将直接影响方程组解的收敛性和正确性。分解炉各入口边界与出口边界条件如表2，固体壁面边界采用标准壁面函数，无滑移边界，壁面粗糙度为0.5。煤粉(取自示范线)的成分分析如表3。对于所有相的控制方程采用控制容积法进行离散，离散方程组的速度与压力的耦合采用SIMPLE(Semi-ImpilictMethodforPressure-LinkedEquation即半隐式压力相关方程解法)算法，该方法优点是可以直接求出压力场和速度场，收敛性好。所有方程都采用二阶迎风差分格式，低松驰算法联合求解。收敛标准能量耗散项为10-6,其他各项为10-3o

8、2.数值模拟结果分析通过上面的建模、网格划分、定义边界条件和计算，可以得出分解炉内的速度场、温度场、气体组分布和颗粒运动轨迹等信息。如图3〜图5为分解炉Y=0的截面上速度分布6给出了分填充图、