張春麗，楊麗君，趙旭，張萬(wàn)堯，張曉陽(yáng)，郭雨

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

1 CFD模型的建立

1.1 幾何模型

本數(shù)值模擬采用1:1的設(shè)備尺寸進(jìn)行三維建模。容器流場(chǎng)主要尺寸：總長(zhǎng)L=21.77m，直徑Φ=3.8m，模型的具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。其中進(jìn)口參數(shù)煙氣流量為Q煙氣=205533m3/h，密度為ρ=0.25Kg/m3；煤粉顆粒流量為Q煤粉=100Kg/h，密度為ρ=1000Kg/m3,顆粒粒徑d=0.01mm。

經(jīng)分析，采用離散相模型進(jìn)行該噴過(guò)程的數(shù)值模擬。

1.2 計(jì)算模型

該過(guò)程連續(xù)相煙氣是一個(gè)可壓縮的內(nèi)部流動(dòng)，同時(shí)其與煤粉顆粒之間的相互作用不可忽略,鑒于此，計(jì)算時(shí)采用密度基雙耦合進(jìn)行求解；另外，煙氣攜帶煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，煙氣速度達(dá)到14.5m/s，雷諾數(shù)較高，故流動(dòng)為湍流；考慮到在后燃室內(nèi)，流動(dòng)中的速度分量和熱力參數(shù)都隨時(shí)間而改變，因此該過(guò)程又是一個(gè)非定常流動(dòng)過(guò)程?；谝陨侠碚摶A(chǔ)，展開(kāi)數(shù)值分析。

圖1 燃燒室三維模型

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

依據(jù)前面分析，進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，采用Hex/Wedge網(wǎng)格。模型中同樣X(jué)Y是截面方向,沿Z軸負(fù)方向是流體流動(dòng)方向。為了比較兩種結(jié)構(gòu)下的流場(chǎng)差別，除了工藝邊界相同外，所追蹤的顆粒數(shù)量也是一樣的，均為1416個(gè)粒子。

2 數(shù)學(xué)模型

該過(guò)程是一個(gè)氣流攜帶固體顆粒的噴射輸運(yùn)過(guò)程，采用k～ε湍流模型,控制方程如下：

動(dòng)量守恒方程：

3 有無(wú)陶析環(huán)時(shí)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)和顆粒停留時(shí)間分析

3.1 連續(xù)相煙氣的速度云圖

在焚燒爐內(nèi)各物料達(dá)到穩(wěn)定以后，煙氣作為連續(xù)相，其速度沿Z軸變化如圖2、3所示：無(wú)陶析環(huán)時(shí)整個(gè)速度變化不大，增設(shè)陶析環(huán)時(shí)速度有一定的湍流變化，但均在出口處（Z軸負(fù)方向）速度達(dá)到最大值。

圖2 無(wú)陶析環(huán)時(shí)煙氣沿Z軸方向速度變化圖

圖3 增設(shè)陶析環(huán)時(shí)煙氣沿Z軸方向速度變化圖

3.2 煤粉顆粒濃度分布

煤粉顆粒在焚燒爐內(nèi)的濃度分布會(huì)直接影響其參與化學(xué)反應(yīng)的程度，進(jìn)而影響設(shè)備的生產(chǎn)能力，圖4是無(wú)陶析環(huán)時(shí)煤粉顆粒的濃度分布，從云圖上可以看出，顆粒最初是沿著入口平面下降的，逐漸擴(kuò)展到后燃室的整個(gè)橫截面，顆粒濃度基本在5.51×10-4～1.1x10-3kg/m3，燃燒室中心局部顆粒濃度達(dá)到1.5×10-3kg/m3左右。

圖4 無(wú)陶析環(huán)時(shí)煤粉顆粒沿Z軸方向的濃度分布圖

圖5 是增設(shè)陶析環(huán)時(shí)，焚燒爐內(nèi)顆粒濃度分布情況，可以看出濃度值基本在5.22×10-1kg/m3左右，在陶析環(huán)與壁面之間處有些顆粒濃度高達(dá)9.92～10.4kg/m3/s，說(shuō)明該處是顆粒流動(dòng)累積較多。看以看出增設(shè)套析環(huán)時(shí)，瞬態(tài)的顆粒濃度高出很多倍，有利于顆粒的充分燃燒。

圖5 有陶析環(huán)時(shí)煤粉顆粒沿Z軸方向的濃度分布圖及局部放大圖

3.3 煤粉顆粒停留時(shí)間

圖6 是無(wú)陶析環(huán)時(shí)煤粉顆粒的穩(wěn)定停留時(shí)間，可以看出，煤粉顆粒的停留時(shí)間最大為4.5s，而且煤粉顆粒在焚燒爐的中下部停留時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是在底部。同時(shí)可以看出，停留時(shí)間在1s上顆粒主要分布在后燃室的中后部，而且在緊貼壁面處。

圖6 無(wú)陶析環(huán)時(shí)煤粉顆粒停留時(shí)間

圖7 是增設(shè)陶析環(huán)時(shí)煤粉顆粒的停留時(shí)間，可以看出，粒子的最大停留時(shí)間在t=24.8s，而最大停留時(shí)間范圍的粒子，隨著計(jì)算時(shí)間的增加，其停留時(shí)間也隨之增加。同時(shí)可以看出顆粒停留時(shí)間在t≥3s的粒子，其所占比例在60%左右，說(shuō)明增設(shè)陶析環(huán)后大多數(shù)顆粒的停留時(shí)間都達(dá)到了3s以上。而停留時(shí)間t≥4.5s的顆粒較少，大概在15%左右?？傮w看，較沒(méi)有陶析環(huán)時(shí)60%的顆粒時(shí)間至少增加到3倍，而且主要是在焚燒爐中上部分布。

圖7 煤粉顆粒停留時(shí)間分布圖

3.4 煤粉單顆粒軌跡分析

為了更直觀地比較增設(shè)陶析環(huán)對(duì)流場(chǎng)的影響，針對(duì)典型的單個(gè)顆粒的軌跡進(jìn)行截圖，如圖8所示，在無(wú)陶析環(huán)時(shí)，顆粒是沿直線下降的，顆粒之間的差別僅僅是沿著中心線還是貼壁運(yùn)動(dòng)。

圖8 無(wú)陶析環(huán)時(shí)單顆粒的典型運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9 是增設(shè)陶析環(huán)時(shí)單個(gè)顆粒的典型的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看出在陶析環(huán)附近，顆粒運(yùn)動(dòng)形成渦流，擾動(dòng)很大，與無(wú)陶析環(huán)時(shí)差別很大，勢(shì)必造成顆粒停留時(shí)間增大，有的顆粒甚至在陶析環(huán)的死角處一直旋流，這些粒子就是被截流的，即是前面提到的會(huì)隨著計(jì)算時(shí)間的增加一直增加的粒子。

圖9 增設(shè)陶析環(huán)時(shí)單個(gè)顆粒的典型運(yùn)動(dòng)軌跡

4 陶析環(huán)直徑對(duì)流場(chǎng)的影響分析

為了比較陶析環(huán)直徑大小對(duì)顆粒停留時(shí)間的影響，建立了三種陶析環(huán)直徑模型，分別為Φ=2.2m，1.8m，1.2m。由數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到直徑Φ=2.2m時(shí)停留3s所占的百分比較小，主要是因?yàn)轭w粒的湍流擾動(dòng)較小；直徑Φ=1.2m時(shí)停留3s所占的百分比較直徑Φ=1.8m時(shí)較小，主要是因?yàn)樘瘴霏h(huán)處的擾動(dòng)過(guò)大時(shí)，會(huì)造成顆粒的速度也較大，對(duì)獲得較大的停留時(shí)間是不利的，因此，陶析環(huán)的直徑不宜過(guò)大或過(guò)小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)焚燒爐內(nèi)有無(wú)陶析環(huán)的顆粒流場(chǎng)進(jìn)行冷態(tài)數(shù)值模擬與分析，發(fā)現(xiàn)增設(shè)陶析環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡擾動(dòng)很大，相應(yīng)焚燒爐內(nèi)顆粒濃度和顆粒停留時(shí)間都大大加長(zhǎng)；通過(guò)對(duì)比不同大小的陶析環(huán)，發(fā)現(xiàn)陶析環(huán)直徑過(guò)大或過(guò)小均不利于增大顆粒停留時(shí)間，因此是在增設(shè)陶析環(huán)的同時(shí)，選擇最佳直徑將很大程度上提高顆粒在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間，使燃燒更充分，提高燃燒效率。