劉云峰

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氣固耦合傳熱數(shù)值模擬在篦冷機冷卻熟料過程中的應用研究

Gas-solid Coupling Heat-transfer Numerical Simulation on Clinker Cooling Process in Grate Cooler

劉云峰

摘 要：利用多孔介質(zhì)模型和氣固耦合傳熱模型計算了5 500t/d規(guī)格的篦冷機冷卻高溫物料的過程，得到了篦冷機內(nèi)部的流場和溫度場；了解了篦冷機內(nèi)部流場和溫度場的一些運行規(guī)律，加深了對篦冷機工作機理的了解；通過計算數(shù)值和實測數(shù)值的對比，驗證了此方法的可行性，利用此方法得出的數(shù)值可為余熱發(fā)電、配風優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)參考。

關鍵詞：篦冷機；耦合；多孔介質(zhì)模型

水泥工業(yè)是能源消耗大戶，每年消耗的煤炭資源約2億噸，水泥生產(chǎn)線窯頭、窯尾有大量的低溫廢氣不能被充分利用，約占水泥熟料燒成系統(tǒng)總熱量的35%被排放，能源浪費驚人［1］。篦冷機是水泥工業(yè)燒成系統(tǒng)中的重要主機設備之一，其主要功能是將回轉(zhuǎn)窯卸出的高溫熟料冷卻到下游輸送機、貯存庫以及水泥磨能承受的溫度，同時將高溫熟料顯熱回收，并以二次風和三次風的形式分別供給回轉(zhuǎn)窯和分解爐，中低溫部分主要以余熱的形式取作他用，以充分利用篦冷機中的熱量，提高整個燒成系統(tǒng)的熱效率和熟料質(zhì)量［2-4］。

篦冷機內(nèi)部的熱量回收采用的是階梯利用方式，不同溫度區(qū)域的熱量所作的用途不同。而要提高篦冷機內(nèi)熱量的階梯利用效率，就需要充分了解掌握篦冷機內(nèi)部的溫度場和流場分布情況，并依靠各個標準風室的配風量控制以及高溫熟料與冷卻氣體間的換熱效率等。由于這些過程十分復雜，依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗及手工驗算幾乎是不可能實現(xiàn)的。針對這種情況，本文采用先進的流體計算軟件Fluent對整個篦冷機冷卻水泥熟料的換熱過程進行研究計算，探究篦冷機滿負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下內(nèi)部的溫度場和流場，為充分回收熱量和設計優(yōu)化提供參考。

1　計算模型的建立及求解

1.1建立計算模型

在水泥熟料生產(chǎn)過程中，高溫的水泥熟料從回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒完成后進入篦冷機，冷卻空氣從篦冷機下部風室透過篦板對高溫熟料進行快速冷卻，將部分熔融態(tài)物質(zhì)冷卻成帶裂紋的玻璃體物質(zhì)，提高水泥熟料的易磨性，同時對高熱熟料攜帶的熱量回收利用，因此篦冷機的性能對于整個燒成系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)和熟料質(zhì)量都至關重要。為了方便計算，篦冷機計算模型采用二維結(jié)構(gòu)，二維模型的示意圖如圖1所示。

圖1　篦冷機冷卻熟料示意圖

篦冷機設計規(guī)格：5 500t/d，整機長度：29 600mm，寬度：4 650mm，內(nèi)部料層厚度：600mm。計算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，料層采用多孔介質(zhì)模型替代，物料運動采用動網(wǎng)格模型模擬。為了簡便計算，在不影響計算精度的情況下，對二、三次取風口，高溫、廢氣風口結(jié)構(gòu)采取了簡化處理。對換熱過程中的部分條件采取了理想化假設，主要有：

（1）實際計算時，假設篦冷機穩(wěn)定狀態(tài)運行，篦冷機內(nèi)物料厚度分布均勻，入料溫度穩(wěn)定，入料溫度為1 380℃（約1 650K），通入的冷卻風溫度穩(wěn)定為30℃（約303K）。

（2）忽略高溫物料的熱輻射效應，只考慮物料之間的導熱，以及物料與冷卻風間的換熱過程。

1.2多孔介質(zhì)模型

篦冷機底部料層采用多孔介質(zhì)模型替代分析，多孔介質(zhì)模型的原理就是在動量方程中附加了一個動量損失源項。這個附加的動量損失源項Si由兩部分組成，一部分是黏性損失項（Darcy），另一部分是慣性損失項：

式中：

Si——X、Y、Z各個方向上的動量源項

D、C——指示矩陣

這個附加的動量損失源項Si在多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，對計算域內(nèi)的壓力梯度有影響，形成一個與通過風速成比例關系的壓降。對于各向同性的物質(zhì)，這個方程可以簡化為：

式中：

α——滲透性系數(shù)

C2——慣性阻力系數(shù)

ρ——空氣密度

μ——空氣層流粘度

Dp的取值借鑒熊會思先生的文章中關于水泥顆粒粒度分布統(tǒng)計，結(jié)合加權(quán)余量法進行計算，得到水泥熟料顆粒的平均加權(quán)粒徑約9mm。水泥熟料顆?？紫堵师诺娜≈?，查閱文獻得知，有人計算過靜態(tài)顆粒的孔隙率約為0.45，但筆者認為，水泥熟料在冷卻風中處于微懸浮狀態(tài)，因此孔隙率取值應＞0.45，通過使用顆粒曳力定律計算，認為孔隙率取值0.55比較符合實際情況。因此計算時Dp和ε的取值為：Dp=9mm，ε=0.55。代入上式中進行計算，得到：

除了設置上述參數(shù)外，多孔介質(zhì)區(qū)域采用局部非熱平衡能量方程進行求解，采用UDF文件定義多孔介質(zhì)固相和氣相的能量源項，通過非穩(wěn)態(tài)項UDF產(chǎn)生溫度隨時間的變化，利用UDS引入固相和氣相的能量雙方程，具體形式為：

動量方程：

氣體能量方程：

固體能量方程：

式中：

ε——孔隙率

ρ——密度

v——速度

f（下標）——氣體

s（下標）——固體

cpg——氣體比定壓熱容

τ——時間

Tf——氣體平均溫度

Ts——固體平均溫度

λ——氣固熱導率（下標區(qū)分氣固相）

q——熱流密度（下標區(qū)分氣固相）

h ν——固相與流動介質(zhì)之間的單位體積的對流傳熱系數(shù)

K——滲透率

1.3動網(wǎng)格模型

Fluent軟件中的動網(wǎng)格模型用來模擬計算，由于計算域邊界運動或變形引起的計算域隨時間變化的問題，通過定義邊界運動的profile文件或者用戶自定義的UDF文件來實現(xiàn)［5］。為了貼近現(xiàn)實，更真實地模擬計算物料在篦冷機中的運動，采用了動網(wǎng)格模型替代物料運動。

動網(wǎng)格模型遵守守恒原理，對于邊界移動的任意控制體積V上的一般標量φ的守恒方程可寫為：

式中：

V（t）——計算域中大小和形狀都隨時間變化的控制體積

?V（t）——控制體積的運動邊界

u→g——動網(wǎng)格的運動速度

ρ——流體密度

u→——流體速度矢量

?！纳⑾禂?shù)

Sφ——標量φ的源項

A——面積向量

根據(jù)物料實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)，采用定義計算域邊界運動的profile文件來實現(xiàn)計算域的變化，編制的profile文件內(nèi)容為：

1（（velocity transient5 0）

2（time 0 10 100 1000 10000）

3（v_x0.035 0.035 0.035 0.035）

4）

表1　邊界條件

表2　計算溫度與實測溫度對比

1.4邊界條件及求解模型

求解過程除了使用以上模型外，氣流的湍流模型使用可實現(xiàn)的k-ε模型（Realizable），換熱過程使用耦合氣固傳熱模型，壓力—速度耦合算法使用SIMPLEC算法，離散格式使用二階迎風格式。

除此之外還需要列出外部邊界條件，邊界條件主要包括各個標準風室的配風量、風壓，二、三次風及其他各個取風口的出口壓力等。由上面的篦冷機示意圖可以知道，選取計算的篦冷機共有7個標準風室，每個風室垂直供風。具體的邊界條件數(shù)據(jù)如表1所示。

2　計算結(jié)果分析

利用上面列出的邊界條件和模型對篦冷機冷卻高溫水泥物料的過程進行計算，得到了穩(wěn)定運行狀態(tài)下篦冷機內(nèi)部流場及溫度場分布，并計算提取出了各個取風口排出煙氣的溫度。將計算提取得出的數(shù)據(jù)和實際5 500t/d篦冷機穩(wěn)定運行時測出的數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如表2所示。

由表2中的對比數(shù)據(jù)可知：二、三次風取風口，高溫取風口以及物料出料的溫度，計算值和實際值偏差較小。這主要是因為二、三次風取風口位置處于窯頭，熱交換劇烈，風速大，溫度偏差不明顯。而廢氣的風溫，計算值和測量值相對偏差較大，這主要是因為計算時部分條件采用了理想化的計算條件，對計算結(jié)果存在一定的影響。且各個取風口的計算風溫值受各個風口設置的壓力數(shù)值影響很大，小范圍內(nèi)的壓力變化都可以導致內(nèi)部流場發(fā)生大的變化，影響到各個取風口的風溫計算值。而實測的數(shù)值也會受到測點位置以及當時燒成系統(tǒng)的狀態(tài)等因素影響，也會存在一定的誤差。不過從二者之間數(shù)值的對比上，認為此計算結(jié)果還是能夠反映篦冷機內(nèi)部的真實情況。

圖2　篦冷機內(nèi)部流場（云圖）

2.1計算流場分析

圖2、圖3給出了篦冷機運行時的內(nèi)部流場，其中圖3是圖2的局部矢量放大圖。從中可以看出：由于各個取風口的負壓存在偏差，導致各個取風口的流場偏向于窯頭負壓大的方向，這說明篦冷機內(nèi)各個取風口的負壓變化會影響到篦冷機內(nèi)部的整體流場分布。這對于實現(xiàn)分區(qū)供風的設計意圖時，需要充分考慮內(nèi)部取風口負壓變化所造成的影響。

通過提取各個取風口通過流量的數(shù)據(jù)，可以看出，各個取風口基本實現(xiàn)了分區(qū)取風，1、2、3風室供風量滿足了二、三次風的取風要求，中間4、5風室供風量滿足余熱發(fā)電及煤磨取風要求，余者以廢氣排出；另外由于三次風的抽吸作用，在窯頭內(nèi)形成了一個風速增速帶；窯頭罩內(nèi)，遠離二、三次風口的位置，氣流流速小，會形成一個氣流漩渦，如圖3所示。

圖3　局部放大圖

2.2計算溫度場分析

圖4給出了篦冷機內(nèi)部的溫度場分布，從圖4可以看出，篦冷機頭部入料端區(qū)域溫度較高，這部分高溫風主要供給窯頭二次風，滿足入窯二次風對風溫的要求，三次風中由于中部和窯頭罩內(nèi)部分低溫風的供給，溫度要低于二次風溫。通過各個取風口計算的溫度值和實測值對比，二者的誤差在可以接受的范圍內(nèi)，說明利用此方法也可以為余熱發(fā)電取風提供數(shù)據(jù)支持。對照圖4上的色標顯示，物料區(qū)域的溫度分布大約可以分為三個區(qū)域，1、2風室對應高溫區(qū)（1 100K以上），3、4、5風室對應中溫區(qū)（500～1 100K），6、7風室對應低溫區(qū)（500K以下），物料區(qū)域的溫度分布可以為各個風室配風的優(yōu)化提供參考。

圖4　篦冷機內(nèi)部溫度場分布（云圖）

以上我們分析了篦冷機內(nèi)部的計算流場和溫度場分布，這里沒有給出篦冷機內(nèi)部的壓力場分布圖。這是因為計算時我們采用了多孔介質(zhì)模型來替代物料層，多孔介質(zhì)模型不能模擬計算實際顆粒層對氣流的阻力，氣流通過模型產(chǎn)生的壓降是通過在動量方程附加一個源項損失來實現(xiàn)的，與設置數(shù)值有關，筆者認為計算的壓降與實際存在的誤差差別太大，不具有參考價值。

3　結(jié)語

（1）利用耦合氣固傳熱模型計算篦冷機的熟料冷卻，得到了篦冷機內(nèi)部的流場及溫度場分布，證實了此種方法的可行性，為篦冷機的開發(fā)優(yōu)化提供了另一種手段。

（2）通過篦冷機的內(nèi)部流場，了解了篦冷機內(nèi)部的情況，發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)象，例如窯頭內(nèi)會形成一個風速增速帶，同時在遠離二、三次風口的位置會存在一個氣流漩渦等，增進了對篦冷機內(nèi)部情況的了解。

（3）通過計算值和實測值的對比，說明利用這種計算方法得到的數(shù)值可以為生產(chǎn)線其余設備，如余熱發(fā)電，提供配風優(yōu)化等數(shù)據(jù)參考。

參考文獻：

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［5］隋洪濤，李鵬飛，馬世虎，等.動網(wǎng)格工程仿真與案例實戰(zhàn)［M］.北京：人民郵電出版社，20 13.

中圖分類號：TQ172.622.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-6171（2016）01-0024-04

通訊地址：洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471000；

收稿日期：2015-05-07； 編輯：趙 蓮