(pringted)分解炉内燃烧、分解过程的cfd模拟研究

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1、喷旋管道式分解炉内燃烧、分解过程的CFD模拟研究南京工业大学叶旭初李祥东刘民中材国际南京水泥工业设计研究院蔡玉良丁苏东摘要针对水泥分解炉内煤粉燃烧、生料颗粒分解过程共存的特点，提出了相应的计算模型与方法，以CFD通用软件CFX4为基础，采用用户接口，二次开发出模拟该现象的工程计算软件，并以工业化中实际使用的5500t／d的喷旋管道分解炉为对象，计算分析了炉内的煤粉燃烧、生料分解率在空间上的变化规律，探讨了炉内的湍流速度场及高温区域、空气组分、颗粒体积浓度等的空间分布特征，指出了进一步优化的方向。关键词计算流体动力学煤粉燃烧生料分解数学模型计算软件水泥窑外分解现代分解炉

2、的结构表现出了多种分解炉的复合性，研制和开发一种能够符合各种工业要求的高效分解炉确非易事，有必要利用现代工程理论知识从各个方面综合分析、试验研究，最后通过实践反复改进和优化才能实现[1]。到目前为止，人们对分解炉的认识也仅是停留在感性和经验的基础之上。近年来，计算流体力学(CFD)和数值模拟方法在工程研究中的应用得到了长足的发展，该技术在水泥生产的工业过程中取得了初步的应用心’7J。本研究在引进的煤粉燃烧通用计算软件CFX4【81的基础上，采用用户接El软件，二次开发出适合于模拟研究分解炉内煤粉燃烧、生料分解现象的工程通用应用软件。以南京水泥工业设计研究院开发的550

3、0t／d喷旋管道炉为研究对象，给出了该炉内实际操作工况条件下的湍流、温度、组分场、煤粉燃烧、生料分解等的变化规律，理论研究与实际工程在线的检测和热工标定值基本吻合，为进一步的优化设计提供了基础。1基本原理1．1气相方程组气相方程包括连续性方程、动量方程及湍流模型方程分别为：塞+V·(10u)=0(1)dr’妻pU+V’(∥ou)一V‘(卢秽Vu)=一Vp7+V‘(me(Vu)，)+B(2)9n3式中，lD和U分别表示流体的密度和速度；卢酊为有效黏度，其定义式为P矿=P+pr，pr为湍流黏度，对于

4、i}一￡模型，假定弘，=q10等；B表示体积力。对于气体湍流k-s模型，

5、湍流动能k和湍流耗散率e的定义式分别为：委础+V·(puk)一V·((户+等)V

6、

7、})=P+G一陋(3)委芦+v·(1DUe)一v·((P+鲁)V￡)=c。詈(P+c，max(G，o))一c：lDi2(4)其中，P和G的定义分别为：P=户够vu(VU+(Vu)7)一号V·u(弘矿V·U+pk)(5)G=Gh-I-G。+G。(6)上式中的G妇、G。和G。分别代表浮力、旋转和阻力的作用。1．2化学组分平衡方程组设组分Xi(i=1、2、⋯us)间发生一系列化学反应，其中的第，个化学反应式可以表达为：a，．1jXl七8r2ix2+⋯々々GPlix、+QP2ix2+⋯式中，a

8、rij和％分别表示反应物和生成物的化学计量数。则其差值n≯=嗡一n哼便是组分i在第，个化学反应中的全局化学计量系数。设K表示反应过程中组分i的质量分数，则组分i的质量平衡关系式为：委成+v·(puYi一∽+鲁)VE)=si．(7)其中，K由分子浓度[置]定义：，K：掣(8)此处，职表示物质i的分子质量，岛表示组分i在反应，中的产率。质量源项S，为：％S卜∑～’，=1式中，弓表示该反应的反应常数，弓=击吩。1．3焓方程对反应流的能量描述需要考虑化学反应的影响，焓方程表达式如下：204(9)善∥+V·(PUH一(乏+筹)V日)=塞+仉其中，日：焓；K：传热系数；q：定压比

9、热；％Q。为化学反应热源项，受化学反应类型的影响：Q。=一∑驴如1．4煤、生料颗粒运动与化学反应(10)(11)煤、生料颗粒运动的动力学模型采用随机轨道模型[9]，煤燃烧过程中挥发热解采用双挥发反应模型[10

10、，碳粒燃烧采用Gibb[1¨方法，该方法考虑了氧气在焦碳颗粒的孔隙中的扩散，比较符合于实际情况。对于生料颗粒分解反应，考虑到生料成分的复杂陛，采用综合分解率来表达，如：1一(1一X)亏=』竺<尸台(n)一P。)·k·r(12)lPPr：反应时间；X：分解率；M：生料混合摩尔质量(kg)；rp：直径(m)；』D：颗粒密度(kg／m3)；k：反应常数(1nol／m2

11、$)；Po：炉内环境中c02气体的分压(arm)；R(To)：温度To时C02气体的平衡分压(arm)；K：反应常数，(．

12、}=Aexp【一赢))1．5分解炉数值模拟的思路与单纯的煤粉燃烧不同，分解炉内同时存在煤粉和生料颗粒，要对此过程进行模拟研究，就必须在计算过程中将两种颗粒进行识别，描述各自与气流之问的质量、动量和能量的交换量。为了利用通用软件解决工程问题的能力与经验，尽可能提高对分解炉数值模拟研究的水平，本研究以引进的只能计算煤粉燃烧过程的CFX4通用软件为基础，采用外接子程序的方法，具体是：(1)在CFX-4中引入若干个子程序，对从不同人口处