劉偉，劉鵬，馬梓艦，龔可新，孫昊

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐冶煉工藝采用大型封閉式礦熱爐，礦熱爐燃燒過程中會產(chǎn)生大量的高溫煙氣，其煙氣中混有大量礦料顆粒[1]。煙道作為煙氣排放和運輸?shù)闹匾O(shè)備，其結(jié)構(gòu)對氣固兩相流、氣固的傳質(zhì)機理以及顆粒對煙道壁面沖蝕磨損都有著十分重要的影響[2-3]。

顆粒沖蝕現(xiàn)象其過程復雜，難以僅僅依靠實驗來研究沖蝕機理，因此大部分針對大型工業(yè)設(shè)備內(nèi)部流動特性的研究都是通過數(shù)值模擬實現(xiàn)的。FORDER[4]等提出了一種沖蝕模型預測管內(nèi)的沖蝕速率并計算了顆粒的軌跡。鞏啟濤[5]等采用Realizablek-ε模型模擬了400 mm T型三通管道的流場，研究了雷諾數(shù)、管徑比和管間夾角對三通區(qū)域局部流動阻力的影響。GRANT[6]等通過大量實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出了不同的顆粒不同入射角度碰撞壁面的反彈恢復系數(shù)。PENG[7]等通過E/CRC沖蝕模型和顆粒壁反彈模型來研究管徑、入射速度、管道彎曲角度和粒徑等影響因素規(guī)律。VERITAS[8]等研究了由于砂粒對材料表面的沖擊而造成的侵蝕磨損和沖蝕，已知顆粒撞擊目標表面的沖擊速度和角度，則可以根據(jù)方程關(guān)系來估計沖蝕磨損的材料損失。WANG[9]通過測定氣固兩相流的介質(zhì)物理性質(zhì)，研究了多晶硅還原爐顆粒對壁面的沖蝕影響，發(fā)現(xiàn)顆粒的尺寸增大，進而導致動能增加，顆粒與壁面撞擊更劇烈，對顆粒材料的磨損更嚴重。何興建[10]等通過運用DPM離散模型來研究顆粒對T型彎管沖蝕影響，結(jié)果表明顆粒濃度越大，沖蝕效果越明顯。嚴淳鳀[11]采用DPM沖蝕模型對彎管不同顆粒體積分數(shù)對彎管的壁面沖蝕問題。王博[12]等研究了30°彎管的沖蝕數(shù)值模擬，通過改變?nèi)肟诹魉?、顆粒粒徑及質(zhì)量流率，分析沖蝕速率的變動規(guī)律。

基于馬梓艦[13]等以鎳鐵冶煉工藝中 48 MW礦熱爐煙道為研究對象，建立了氣固兩相流傳質(zhì)模型，研究了在實際工況下氣固兩相流傳質(zhì)機理，采用DPM離散模型、Grant 和 Tabakoff 顆粒反彈模型以及DNV沖蝕模型機理來對煙氣管道的沖蝕機理經(jīng)行了研究，分析了不同煙氣黏度、不同密度下顆粒對管壁的最大沖蝕速率及沖蝕區(qū)域的影響。

1 物理模型

煙道模型及網(wǎng)格如圖1所示。礦熱爐高溫煙氣從爐口段進入煙道，途經(jīng)Ⅰ段煙道、Ⅱ段煙道、Ⅲ段煙道和盲管段，最后從出口段流出。由于煙道T型結(jié)構(gòu)處顆粒運動情況復雜，又存在顆粒對壁面的沖蝕現(xiàn)象，故對煙道T型管處進行了網(wǎng)格加密。模型結(jié)構(gòu)具體參數(shù)數(shù)值如表1所示。

圖1 煙道模型及網(wǎng)格示意圖

表1 煙道結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)學模型

2.1 顆?？刂品匠?/h3>

采用DPM離散模型對顆粒進行數(shù)值模擬，采用拉格朗日方法對顆粒進行計算。由于顆粒粒徑較大，本研究只考慮重力和曳力的影響。其中顆粒的作用力平衡方程為：

式中：u—流體流速，m·s-1；

up—顆粒流速，m·s-1；

ρ—流體密度，kg·m-3；

ρp—顆粒密度，kg·m-3；

gy—y方向的重力加速度，m·s-2；

Fy—其他y方向作用力，包括虛擬質(zhì)量力等；

FD(u-up)—單個顆粒所受曳力；

CD—曳力系數(shù)。

2.2 顆粒碰撞模型

顆粒與壁面碰撞后，顆粒會發(fā)生彈性和塑性變形，從而會損失一定量的能量，反射速度將會減小。本文中采用Grant和Tabakoff 提出的顆粒反彈模型，通過多次實驗來總結(jié)出法相和切向的恢復系數(shù)公式，進而來計算顆粒反彈后的速度，如式（3）所示：

式中：et—切向反彈系數(shù)；

en—法向反彈系數(shù)。

3 邊界條件

煙道進口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口為邊界條件。離散相邊界條件中，邊界類型用戶自定義函數(shù)（UDF）的宏（DEFINE_DPM_BC）對邊界面進行修改，在壁面選擇上是無滑移壁面。在離散模型中，顆粒粒徑遵循Rosen-Rammler 分布，假設(shè)顆粒在運動過程中沒有旋轉(zhuǎn)，顆粒之間不碰撞，不黏附。

4 結(jié)果分析

4.1 煙氣黏度對沖蝕的影響

煙氣的黏度對顆粒受到的曳力有著重要的影響，因此討論不同黏度下顆粒的沖蝕磨損情況有著重要的意義。

不同黏度出口段沖蝕情況如圖2所示。當煙氣黏度是2.6×10-5Pa·s時，出口段的沖蝕區(qū)域相對集中，沖蝕區(qū)域的面積較小，且顆粒的最大沖蝕速率最大。隨著黏度的增大，出口段的沖蝕區(qū)域慢慢變大，而顆粒的沖蝕位置逐漸發(fā)散，顆粒的最大沖蝕速率也逐漸減小。

圖 2 不同黏度出口段沖蝕情況

黏度對出口段最大沖蝕速率的影響如圖3所示。

圖3 黏度對出口段最大沖蝕速率的影響

由圖3可知，隨著煙氣黏度的增大，顆粒的最大沖蝕速率逐漸減小。相同情況下，煙氣的黏度越大，其顆粒受到的煙氣的影響也就越大，進入出口段時撞擊壁面的能量損失也就越小，從而對壁面的沖蝕效果也就越小，相反，沖蝕效果也就變得明顯。

4.2 煙氣密度對沖蝕的影響

對比不同煙氣密度下的最大沖蝕速率，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著煙氣密度的增大，顆粒的最大沖蝕速率逐漸減小。根據(jù)曳力計算公式（2）可知，相同情況下，煙氣的密度越大，其顆粒受到的曳力也就越小，受到的重力影響就增大，進入出口段時撞擊壁面的能量損失也就越小，從而對壁面的沖蝕效果也就越小。相反，煙氣的密度越小，顆粒受到的曳力也就越大，顆粒受到重力影響就減小，顆粒對壁面撞擊的能量損失也就變大，沖蝕效果也就變得明顯。

圖4 密度對出口段最大沖蝕速率的影響

5 結(jié) 論

1）在馬梓艦等研究成果的基礎(chǔ)上，采用用戶自定義（UDF）對壁面恢復系數(shù)進行編譯，研究了煙氣不同濃度、不同密度下顆粒對壁面的最大沖蝕速率。

2）隨著煙氣濃度的增大，顆粒對壁面的最大沖蝕速率減小。這個是由于煙氣濃度的增加，顆粒受到煙氣的影響增大，進而撞擊壁面的能量損失減小，沖蝕區(qū)域發(fā)散，沖蝕位置下向出口方向偏移。反之，沖蝕區(qū)域聚集，顆粒的最大沖蝕速率變大。

3）煙氣的密度增大，進而影響了顆粒受到的曳力減小，重力影響增大，顆粒撞擊壁面損失的能量減少，顆粒對壁面的最大沖擊速率減少。相反，煙氣的密度減小，顆粒對壁面的最大沖擊速率增大。