（工程热物理专业论文）气态悬浮焙烧炉一级旋风预热器的数值模拟与优化研究.pdf

摘要 本文利用计算流体动力学软件f l u e n t 6 3 对气态悬浮焙烧炉中 一级旋风预热器内气固两相流动进行数值模拟与优化研究。针对一 级旋风预热器结构的非对称特性和流场的三维强旋流特性，利用六面 体结构化网格离散求解区域，选用雷诺应力湍流模型模拟气相流动， 采用颗粒随机轨道模型模拟颗粒相流动，选用单向耦合方式处理气 固两相的耦合。本论文主要完成了以下工作： 对气态悬浮焙烧炉进行热平衡测试，获得焙烧系统的各项热工参 数，为数值模拟计算提供计算依据。选取经典的高效型切流式旋风分 离器作为验证模型，对数值模拟方法的可靠性进行验证。 对一级旋风预热器的气相流动进行三维数值模拟研究，发现静压 沿径向由外向内逐渐降低，且在中心轴线附近最低，沿轴向白上向下 降低较小。对速度场中占主导地位的切向速度进行研究，发现在一级 旋风预热器壁面和旋转轴心位置，切向速度等于零，切向速度分布呈 现典型的兰金组合涡分布。在气流入口位置，切向速度的加速并不明 显，经过蜗壳的收缩才加速至峰值，进入下部柱体段后，切向速度有 所降低。 对一级旋风预热器的颗粒相流动进行三维数值模拟研究，发现数 值计算得到的分离效率与热平衡测试计算得到的分离效率比较吻合。 模拟粒径在lg m 1 2 0 i t m 范围内颗粒的分级效率，得到切割粒径d ，。为 2 1 4 p m ，临界粒径d 为7 1 7 9 m 。对大量不同粒径颗粒的运动轨迹进 行追踪，发现小粒径颗粒的运动带有很大的随机性，而大粒径颗粒进 入一级旋风预热器后一般能很快贴壁旋转向下被捕获，并且颗粒从不 同区域入射时的运动轨迹有较大的差别。 分析操作参数和结构参数对一级旋风预热器压降和分离性能的 影响，得到一级旋风预热器的优化设计方案：气流入口速度约为 1 3 m s ，升气管的插入深度约为2 4 5 0 m m ，升气管直径约为2 5 0 0 m m ， 下部柱体段高度约为2 9 0 0 m m 。本文的研究成果为一级旋风预热器的 生产运行和优化设计提供了参考。 关键词：气态悬浮焙烧炉，一级旋风预热器，数值模拟，优化 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n do p t i m u m r e s e a r c ho n g a s - - s o l i dt w o - p h a s e f l o wi nt h ep r i m a r yc y c l o n e p r e - h e a t e ro fg a ss u s p e n s i o nc a l c i n e rb yu s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t 6 3 g i v e na s y m m e t r i c a ls t r u c t u r eo f t h ep r i m a r y c y c l o n ep r e h e a t e ra n di t s3 一ds t r o n gs w i r l i n gf l o wf i e l d ， s t r u c t u r a lh e x a h e d r o ng r i d sw e r ea d o p t e dt os o l v et h ee q u a t i o n s ； r e y n o l d ss t r e s sm o d e la n ds t o c h a s t i ct r a je c t o r ym o d e lw e r e e m p l o y e dt os i m u l a t et h eg a s - p h a s ef l o wa n ds o l i d - p h a s ef l o w r e s p e c t i v e l y ；a n do n ew a yc o u p l e dm a n n e rw a su s e dt od e a lw i t ht h e c o u p l i n go fg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： h e a tb a l a n c em e a s u r i n go ft h eg a ss u s p e n s i o nc a l c i n e rw a s c a r r i e do u tt oo b t a i nw o r k i n gp a r a m e t e r sa st h ef u n d a m e n t a l c o n d i t i o n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s c l a s s i c a l h i g h l ye f f i c i e n t t a n g e n tf l o wc y c l o n es e p a r a t o rw a sc h o s e na st h ev e r i f i c a t i o nm o d e l t oe x a m i n et h er e l i a b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eg a s p h a s ef l o wi nt h e p r i m a r yc y c l o n ep r e h e a t e rr e v e a lt h a ts t a t i cp r e s s u r er e d u c e si nt h e r a d i a ld i r e c t i o na n dr e a c h e st h el o w e s tv a l u en e a rt h ec e n t r a la x i s ；i t a l s or e d u c e sf r o mt h et o pt ot h eb o r o ma l o n gt h ea x i s r e s e a r c ho n t h et a n g e n t i a lv e l o c i t y , w h i c hp l a y sal e a d i n gr o l ei nt h ef l o wf i e l d ， i n d i c a t e st h a tt a n g e n t i a lv e l o c i t yi se q u a lt oz e r ob o t ho nt h ew a l lo f t h ep r i m a r yc y c l o n ep r e h e a t e ra n dn e a rt h er o t a t i o na x i s t h e r e s e a r c ha l s os h o w st h et y o i c a lr a n k i n e sv o r t e xd i s t i l b u t i o no ft h e t a n g e n t i a lv e l o c i t y , w h o s ea c c e l e r a t i o ni su n n o t i c e a b l en e a rt h e e n t r a n c e t h et a n g e n t i a lv e l o c i t yr e a c h e st h em a x i m u mv a l u ea f t e r s h r i n k a g eo ft h ev o l u t ea n dr e d u c e sa f t e re n t e r i n gt h el o w e rc y l i n d e r 3 一dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h ep a r t i c l e p h a s ef l o wi nt h e p r i m a r yc y c l o n ep r e h e a t e rw a sa l s oc a r r i e do u ta n dt h er e s u l t s r e v e a lt h a tc o l l e c t i o ne f j f i c i e n c yo b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o r r e s p o n d st ot h a to b t a i n e db yh e a tb a l a n c em e a s u r i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o n e m c i e n c y o ft h e p a r t i c l e s ( 1 岬12 0 岬i nd i a m e t e r ) s h o w st h a tt h ec u tp a r t i c l ed i a m e t e rd 5 0 i s 21 4i nd i a m e t e r ；c r i t i c a lp a r t i c l ed i a m e t e r d l o o i s71 7i nd i a m e t e r a f t e rt r a c i n gah u g ea m o u n to f p a r t i c l e s ，i tc a nb ef o u n do u tt h a tt h e m o v e m e n tr e g i o n so fs m a l lp a r t i c l e sa r eo fg r e a tr a n d o m n e s s ，a n d l a r g ep a r t i c l e ss w i r ln e a rt h ew a l la n dt r a v e ld o w n w a r dt h e na r e t r a p p e d ，t h et r a c k so fp a r t i c l e ss p r a y i n gf r o md i f f e r e n tr e g i o n sd i f f e r v e r ym u c hf r o me a c ho t h e r a n a l y s i so fe f f e c t st h a to p e r a t i o np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e p a r a m e t e r sh a v eo nt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n dp r e s s u r ed r o po f p r i m a r yc y c l o n ep r e h e a t e ri n d i c a t e st h eo p t i m a ld e s i g no fp r i m a r y c y c l o n ep r e h e a t e r ：t h ee n t r a n c ev e l o c i t yo ft h eg a si sa b o u t13r n s ， t h ei n s e r t i o nd e p t ho fo u t l e tt u b ei sa b o u t2 4 50 m m t h ed i a m e t e ro f o u t l e tt u b ei sa b o u t2 5 0 0 m m ，t h eh e i g h to fc y l i n d e rs e g m e n ti sa b o u t 2 9 0 0 m m t h o s ec o n c l u s i o n sc a nb eo fg r e a th e l pi nt h ep r o d u c t i o n o p e r a t i o no fp r i m a r yc y c l o n ep r e h e a t e ra n d i t so p t i m u md e s i g n k e yw o r d s ：g a ss u s p e n s i o nc a l c i n e r , p r i m a r yc y c l o n e , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , o p t i m u m i i 中南大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 密度，k g m 3 速度，m s 时间，s 动力粘度，p a s 粘性系数，p a s 湍动能，m 2 s 2 湍能耗散率，i n 2 s 3 有效粘性系数，p a s 湍流马赫数 简体直径，m m 总高，n - l l n 下部柱体段高度，m m 锥体段高度，m m 升气管直径，m m 升气管插入深度，i i l l n 入口截面高度，m m 入口截面宽度，m l t l 入风口段边宽，i i u i l 偏心距，m m 排料口直径，1 t l n 入口湍流动能，m 2 s 2 入口湍流耗散率，m 2 s 3 湍流强度， 入口速度，m s 水力直径，n l n l 气流阻力系数 气体密度，k g m 3 气流入口截面面积，m 2 筛余质量百分比， 颗粒粒径，g m 特征尺寸，岬 v p“， 所后 占 以鸠d日玩也以s 仃6厂e坟k气， f&如巧d孑 中南大学硕士学位论文 符号说明 疗 d 5 0 d l o o i ，k 非均匀指数 切割粒径，p a n 临界粒径，岬 直角坐标分量 v i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另i d i ：i 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：么整盗日期：垃年j 月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者虢继趣靳签名肛 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年一月一日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 流态化焙烧技术 第一章文献综述 1 1 1 流态化技术的应用与发展 流念化技术已在世界各国的化工、石油、冶金、电力、食品等工业中得到广 范的应用，如矿石焙烧、催化操作、食品冷冻、干燥浸渍物体的塑料涂敷、热处 理、筛分、矿物分离、溶剂吸收与回收、污物焚化及粉状物料输送等【l j 。 流态化技术首次较大规模的工业应用始于1 9 2 6 年，德国科学家f r i t zw i n k l e r 在l e u n a 建成第一台实用的常压流化床气化发生炉，用于粉煤气化【2 1 。上世纪4 0 年代，由于第二次世界大战的影响，航空汽油的需求量剧增，美国麻省理工学院 和美孚石油公司率先推出了流化催化裂化装置以取代传统的固定床法炼油生产。 从上世纪4 0 年代中期开始，美国和加拿大等地出现了流态化焙烧装置，用于黄 铁矿、石灰石等物料的焙烧，标志着流态化焙烧技术的开始。 我国在2 0 世纪5 0 年代初期，就开展了对流态化技术及其应用的研究工作， 最早的应用实例就是流态化焙烧，1 9 5 5 年南京化学工业公司采用流态化技术焙 烧黄铁矿以生产s 0 2 并制造h 2 s 0 4 。1 9 5 7 年我国在辽宁葫芦岛采用流态化装置 焙烧锌精矿以生产z n o 和s 0 2 ，获得成功。1 9 6 5 年沈阳化工研究院与大连染料 厂合作，成功地开发了流态化冷凝技术。同年，我国建成了第一台自行设计和制 造的流态化催化裂化装置【2 】。 1 1 2 氢氧化铝焙烧技术的发展 在流态化焙烧工艺应用于氢氧化铝的焙烧以前，氢氧化铝的煅烧主要采用传 统的回转窑。但回转窑的换热效率低、投资大、产品质量不高。自2 0 世纪4 0 年代起，国外已开始对氢氧化铝的流态化焙烧技术进行试验研究。在上世纪6 0 年代由美国铝业公司首先获得成功，第一套同产3 0 0 t 的流态闪速焙烧炉于1 9 6 3 年在该公司的博克塞特氧化铝厂投入工业生产，相继有德国的鲁齐联合铝公司 的循环流念焙烧炉，丹麦史密斯公司和法国弗夫卡巴布柯克公司的气态悬浮焙烧 炉建成投产，流态化焙烧装置在氧化铝生产中迅速得到了广泛的应用。到1 9 9 3 年止，据不完全统计，全世界用于氢氧化铝焙烧的流态化焙烧装置已达9 1 套之 多，总计生产能力约为3 7 4 0 万吨氧化铝，约占世界氧化铝生产能力的7 8 。1 9 9 3 年世界氧化铝产量为3 5 1 6 8 力吨，据统计其中有5 7 是由流态化焙烧炉生产出 中南人学硕士学位论文第一章文献综述 来的。自上世纪8 0 年代以来，国外新建的氧化铝厂已全部采用流态化焙烧炉， 形成了全部取代回转窑的局面。同时原来采用回转窑焙烧的氧化铝厂，也纷纷改 用流态化焙烧炉，以替代原有的回转焙烧窑。 我国对于氢氧化铝流态化焙烧技术的研究工作始于1 9 5 6 年。研究者们对多 层沸腾炉、旋风预热单层沸腾焙烧载流冷却和悬浮闪速焙烧等进行试验和工业 试验，在取得经验教训的同时，也在流态化焙烧技术上取得一定的进展。遗憾的 是1 9 8 1 年山东铝厂研究所在氢氧化铝悬浮闪速焙烧试验上取得初步进展以后， 未能将试验继续进行下去，因此未取得工业生产应用的成果。我国自从1 9 8 4 年 8 月从西德k h d 公司引进第一套日产1 3 0 0 t 的美国闪速焙烧装置以来，中国铝 业股份有限公司山西分公司、河南分公司、广西分公司相继又引进了丹麦史密斯 公司的数套气态悬浮焙烧装置【3 】。同时，原有的氧化铝厂也纷纷引进国外的流态 化焙烧装置取代或部分取代原有的回转窑。 流态化焙烧装置与传统的回转窑相比具有明显的优势，如热效率高、热耗低， 产品质量好，投资小，设备简单、寿命长、维修费用低，对环境污染轻等。无论 是在国外还是国内，在氧化铝生产中采用流态化焙烧技术和装置，已成为必然的 发展趋势。现应用于工业生产的三种类型的流态化焙烧装置是美国铝业的流态闪 速焙烧炉、德国的鲁齐循环流态焙烧炉，丹麦史密斯公司的气态悬浮焙烧炉。其 中气态悬浮焙烧技术起步最晚，但技术先进，代表着最新的流态化焙烧水平，我 国氧化铝工业也广泛采用丹麦史密斯气态悬浮焙烧装置。 1 2 氢氧化铝气态悬浮焙烧 1 2 1 氢氧化铝气态悬浮焙烧工艺 丹麦史密斯公司的氢氧化铝气态悬浮焙烧系统主要包括：氢氧化铝喂料、文 丘里闪速干燥器、多级旋风预热系统、气体悬浮焙烧炉、多级旋风冷却器、二次 流化床冷却器、除尘和返灰等部分【4 】，工艺流程如图1 1 所示。 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 - 1 焙烧系统工艺流程图 a 0 1 一螺旋喂料器：a 0 2 一文丘里闪速干燥器；c 0 1 、c 0 2 、c 0 3 、c 0 4 一一次冷却器； l 0 1 喂料小仓；p 0 1 、p 0 2 璇风预热器；p 0 3 一热分离旋风筒；p 0 4 焙烧炉； p 1 1 一电收尘；p 1 7 翻 风机；p 1 8 一烟囱；v 1 8 、v 1 归点火器；t 1 1 一热发生器； t 1 2 一燃烧器；k 0 1 、k d 2 一二次流化床冷却器；f 0 1 一皮带机；f 0 4 一皮带秤 大气 氢氧化铝气态悬浮焙烧炉的工艺流程为：含水1 0 左右的氢氧化铝由螺旋喂 料器a 0 1 喂入文丘罩闪速干燥器a 0 2 ，由二级旋风预热器p 0 2 吹来的约4 0 0 的 烟气将物料在此烘干并送至一级旋风预热器p 0 1 ，经p 0 1 分离后的约1 5 0 。c 的物 料进入二级旋风预热器p 0 2 预热至4 0 0 左右进入主焙烧炉p 0 4 进行焙烧，焙烧 温度一般控制在1 1 2 0 1 1 5 0 ，焙烧后的氧化铝从顶部送入热分离旋风筒p 0 3 进行分离，从p 0 3 出来的约9 0 0 的氧化铝逐级进入冷却系统，经c 0 1 、c 0 2 、c 0 3 、 c 0 4 四级冷却器后进入流化床冷却器进行二次冷却至8 0 。c 以下。烟气通过p 0 1 进入电收尘p 1 1 ，收尘后含尘浓度低于5 0 m g n m 3 以下的废气经烟囱p 18 排入大 气。收下来的烟尘经吹灰器吹回至二级冷却器中。 1 2 2 气态悬浮焙烧原理 气态悬浮焙烧焙烧的工作原理如图1 2 所示。图1 1 中焙烧主炉p 0 4 和热分 离旋风筒p 0 3 组成了一个反应分离联合体。经过预热和部分焙烧后的约3 0 0 - 4 0 0 的氢氧化铝沿着平行于锥底的方向进入反应器，预热空气从反应器底部喷 入，低热值燃料从燃烧空气进口管道中送入。物料在反应器中焙烧几秒钟后， 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 被水蒸气及燃烧产物的混合物从反应器带出，在热分离旋风筒内得到分离。 水蒸气和燃烧废气 图l - 2 气态悬浮焙烧示意图 反应器中没有安装空气分布板，只靠底部锥形部分形成旋涡区隆起支承物 料。焙烧炉中固体流体在焙烧炉底部的旋涡区进行返混，在旋涡区以上进行柱 塞流动或连续空气输送。这样比较大的颗粒由于极限速度比较高，它的停留时间 要比小颗粒的停留时间长，所以不论颗粒的大d , j t a 何，都可以得到均匀的焙烧。 由于炉内物料、燃料和来自旋涡区上部的燃烧产物相混合，炉子从下到上整 个部分的燃烧均匀而没有火焰，热物料被燃烧气体所包围。由于颗粒与气体之间 的热传递速度高，气体的温度仅比物料的温度稍微高一点。 1 3 旋风预热器 在图1 1 中，一级旋风预热器p 0 1 、二级旋风预热器p 0 2 统称为旋风预热器， 是气态悬浮焙烧炉的基本构成单元。一级旋风预热器p 0 1 虽然处于预热系统，但 是物料的预热主要在二级旋风预热器p 0 2 内进行，在一级旋风预热器p 0 1 内主 要进行物料的分离，故一级旋风预热器又称旋风分离器。一级旋风预热器p 0 1 是预热系统最重要的单元，其性能的优劣影响着成品氧化铝的质量、焙烧炉的粉 尘排放量、物料的循环量等，因而本文选取一级旋风预热器作为研究对象。 在一级旋风预热器内，含尘气体产生旋转运动将物料颗粒甩向边壁，然后通 过边壁附近向下的气流将已分离的颗粒带到排料口。一级旋风预热器本身结构简 单，但影响参数很多，所以一级旋风预热器的设计基本上都是根据经验方法结合 部分试验进行的。目前，随着能源紧缺和环境保护形势的同益严峻，对一级旋风 预热器的优化设计提出了更为严格的要求。 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 1 旋风预热器的基本结构及工作原理 标准的逆流式旋风预热器由入口、气体出口、排料口、分离空间组成【5 】，如 图1 3 所示。旋风预热器通过入口结构的设计迫使气流切向进入旋风预热器内产 生旋转运动。旋转气流沿器壁成螺旋形向下朝锥体流动，称为外旋流。含尘气体 在旋转过程中产生离心力，将颗粒甩向壁面，颗粒失去惯性力而靠入口速度的初 始动量随外旋流沿壁面下落，最终进入排料口。旋转向下的外旋气流在到达锥体 时，因圆锥体形状的收缩，根据“旋转矩”不变的原理，其切向速度不断提高。另 一方面，外旋流旋转过程中使周边气流压力升高，使圆锥中心部位形成低压区， 由于低压区的吸引力，当气流到达锥体下端某一位置时，便向分离器中心靠拢， 即以同样的旋转方向在旋风分离器内部，由下反转向上，继续作螺旋运动，称为 内旋流。最后，净化气流经排气管排出分离器外，一小部分未被捕集的颗粒也由 此逃逸。 气体出口 = = = a 入口 排料口 升气管 分离空间 图l 一3 标准旋风预热器示意图 旋风预热器内的流场是不同性质的准自由涡与强制涡及流向相反的源流和 汇流叠加起来的流场，以升气管向下延伸到旋风预热器底部形成的圆柱面为分界 面。在分界面以外是准自由涡与汇的叠加，而分界面以内的核心是强制涡与源的 叠加【6 1 。 旋风预热器内是一个三元流场，即切向分速、轴向分速与径向分速。对粉料 颗粒的捕集分离起主导作用的流速分量是切向分速与径向分速。切向分速产生径 向加速度，使粉料颗粒在半径方向产生向外的离心沉降速度，把粉料颗粒推到圆 筒壁面而分离。径向分速把粉料颗粒在半径方向向内推到中心部涡核区域，致使 颗粒随上升气流通过升气管排出。这是旋风预热器内流场流速分量中一对主要矛 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 盾，称为主流。而轴向分速与径向分速构成另一对矛盾，这对矛盾对除尘效率和 除尘过程起到一定的作用，称为次流。次流一般有简体次流和锥体次流。简体次 流产生上灰环，锥体次流产生下灰环。上灰环使原来已捕集在圆筒边缘的粉尘先 沿外筒壁向上运动，然后沿顶盖向内移动，又沿内筒的外壁向下移动，最后短路 而排出，造成除尘效率降低。下灰环是推动已捕集分离在锥体边缘的粉尘向下移 动，是有利于颗粒收集的灰环。 1 3 2 旋风预热器的国内外研究现状 如前所述，旋风预热器内部的流动十分复杂，因此很难通过实验手段或解析 方法预报其内部气流的流动状况和颗粒的运动规律。近年来，数值仿真技术以及 现代测试技术的迅猛发展，促进了旋风预热器的研究进展。 在国外，f r a s e rsm 【7 】等人采用激光多普勒测试仪对s t a i r m a n d 高效型切流式 旋风分离器进行实验研究，获得了旋风分离器内的速度分布。h o f f m a n nac 心j 等 人研究了旋风分离器长度对分离效率和压降的影响。e r d a lfm 【9 1 0 】等人模拟了气 液圆柱形旋风分离器内的回旋流特性。l a c e r d aaf t j 等人研究了l a p p l e 型旋风 分离器内雷诺应力各向异性的特点。s m d e rd a l e 坦】揭示了旋风分离器内的颗粒分 离、壁面效应、旋涡卷吸、颗粒碰撞及凝聚等现象。s h a l a b yh 【1 3 j 等人采用k 一占 模型、雷诺应力模型以及大涡模拟对旋风分离器的流场进行研究，结果表明k 一占 模型不适合旋风分离器流场的预测，大涡模拟结果与雷诺应力模型计算结果差不 多，但是大涡模拟需要较高的计算机运算能力及较长的运算时间。d e r k s e njj 【1 4 j 等人采用三维、随时间变化的欧拉拉格朗日法对旋风分离器内的气固湍流流动 进行模拟。发现颗粒相的存在削弱了旋流强度，湍流得到了有效的抑制。 m a t s u z a k ik t l 5 ，1 6 】等人基于s m a g o r i n s k y 模型采用大涡模拟技术对旋风分离器内 的旋流流动进行了模拟计算，并通过单向耦合的拉格朗同法对颗粒运动轨迹进行 追踪。他们根据颗粒运动轨迹预测了分离器的性能，并分析了升气管插入深度对 性能的影响。 在国内，毛羽、王海刚【1 7 垅】等采用标准k s 模型，r n g k s 模型和雷诺应 力模型对旋风预热器内的流场分布进行预报，与实验测试结果对比表明，雷诺应 力模型的预报结果最准确，r n g k g 模型能大致给出合理的分布，标准k g 模 型与实验偏差较大。李文东【2 3 1 基于交错网格的s i m p l e 方法对切向入口旋风分 离器内的流场进行数值模拟，选用标准的k g 模型、s m i t h 修正模型和c h e nk i m 修正模型验证不同湍流模型的适用效果。认为s m i t h 修正湍流模型更适合于预报 像旋风分离器内这种具有返转流动的强旋流场。薛晓虎【2 4 】采用改进的雷诺应力 模型对旋风分离器上部环形空间内的强旋湍流流动进行数值模拟，分析了顶板和 升气管附近的局部二次涡。彭维明【2 5 】用介于a s m 和r s m 之间的混合模型对流 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 场进行了理论计算，并结合激光多普勒测试装置对速度分布进行测试，认为混合 模型适合于旋风预热器的性能预测。陈红【2 6 】从分析固相颗粒在旋风分离器中的 运动轨迹和浓度分布情况入手，建立了旋风分离器性能分析模型。该模型在一定 程度上突破了“径向混合”的假设，并充分考虑了重力沉降和径向加速过程对固相 分离的影响，进一步加强了理论模型对实际过程的描述能力。胡璨元、周力行【2 7 ， 弱j 等将改进了雷诺应力方程压力应变项的i p c m + w a l l 模型，加入到f l u e n t 6 0 软件平台上，分别用修正的和标准的i p c m + w a l l 模型、i p c m 模型以及s s g 模 型，对蜗壳式旋风分离器内三维湍流流动进行了数值模拟，给出了分离空间和灰 斗内的时平均速度和雷诺应力分量的分布，并用l d v 测量结果加以检验。研究 结果表明，修正的i p c m + w a l l 模型对切向和轴向速度、切向和轴向正应力以及 轴。切剪应力的预报值与实测值的吻合比其他压力应变项模型的好得多。魏新利 口9 ，3 0 】对单相流场采用湍流各向异性的雷诺应力模型，对气、固两相流场采用相 间耦合的随机轨道模型，通过描述颗粒的运动轨迹，揭示了颗粒在旋风分离器中 运动的物理机制。吴小林【3 i 】对旋进涡核现象和旋进涡核中心的运动规律进行描 述，得到了旋进涡核影响范围，速度波动规律以及旋进涡核出现的强度。杜德喜 p 2 j 采用分离器锥体段中心湍动能峰值定位自然旋风长的方法，分析入口面积、 芯管下口直径、下溢口直径和锥体段长度对自然旋风长的影响。 1 4 课题的基本情况 1 4 1 课题的来源 课题来源于中国铝业股份有限公司广西分公司“氢氧化铝气态悬浮焙烧炉热 工制度的优化”项目。广西分公司继1 9 9 5 年从丹麦史密斯公司引进产能为1 2 0 0 t d 的1 号气态悬浮焙烧炉后，2 0 0 3 年由贵阳铝镁设计研究院设计的产能为1 4 0 0 t d 的2 号气态悬浮焙烧炉建成投产。在实际运行过程中，两台气态悬浮焙烧炉虽能 达产，但很难达到最理想的生产状态。虽然在近两年对气态悬浮焙烧炉进行了一 些技术改造，但生产中仍存在一级旋风预热器分离效率低、煤气单耗高，排烟温 度和排料温度高，氧化铝产品质量不稳定，灼减值高等问题。 国内的氧化铝生产大量引进丹麦史密斯公司的气态悬浮焙烧炉，而国内的氧 化铝与国； l - q n 比具有强度低，易磨损等特点，这使得一级旋风预热器出口废气中 含尘浓度高，导致电收尘和风机负荷大，产品灼减值偏高。目前，国内研究院及 各氧化铝厂已在引进气念悬浮焙烧炉及消化吸收方面作了大量工作，但由于应用 研究和技术开发相对滞后，能耗仍然较高，焙烧氧化铝产品质量也不稳定【3 3 。3 5 1 。 因此，在消化气态悬浮焙烧技术的基础上优化焙烧炉操作条件，改善其结构和流 程配置，发展创新，尽快开发适合我国氧化铝工业特点、具有独立知识产权的新 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 型气态悬浮焙烧炉具有重要意义，尤其是对制约焙烧炉性能的一级旋风预热器进 行深入研究，改善其性能更是至关重要。 中南大学能源科学与工程学院分别于2 0 0 6 年0 9 月及2 0 0 7 年0 8 月对2 撑气 态悬浮焙烧炉以及l 群气态悬浮焙烧炉进行了热平衡测试。通过热平衡测试发现 两台焙烧炉均存在一级旋风预热器分离效率低的问题，严重制约了焙烧炉的性 能。而l 群气态悬浮焙烧炉投入生产运行比2 群焙烧炉要早，故一级旋风预热器分 离效率低的问题在1 撑焙烧炉上显得尤为突出。故本文拟以中铝股份有限公司广 西分公司平果铝厂1 群气态悬浮焙烧炉的一级旋风预热器为研究对象，对其流场、 压降以及分离效率等展开深入的研究，为操作参数和结构参数提供优化建议，对 进行工业尺寸规模的试验和工程实践也具有预测指导意义。 1 4 2 课题的研究手段 要对一级旋风预热器的性能进行探讨，必须深入地研究其内部的湍流流场以 及颗粒的运动轨迹。虽然近几十年来，人们已经发展了多种气固两相流测量方法 来研究一级旋风预热器内的流场结构、压降和分离效率，但往往由于测量手段对 流场的影响，先进测量仪器的造价昂贵及自身缺陷等诸多因素，测量手段很难直 观地分析和探索一级预热器内部的流场和分离效率。而数值模拟手段由于只需计 算机，具有周期短、见效快、费用低、信息量大、适用性强、能够充分反映操作 参数和结构参数对内部流场和分离效率的影响等优点，成为研究一级旋风预热器 切实可行的手段。 1 4 3 课题的研究内容 本课题采用数值仿真研究方法，研究氢氧化铝气态悬浮焙烧炉中一级旋风预 热器内的流场分布规律和气固分离特性，拟展开以下几方面的研究工作： ( 1 ) 对气态悬浮焙烧系统进行热平衡测试，获得焙烧系统的各项热工参数， 为一级旋风预热器的数值模拟研究提供参考依据。 ( 2 ) 对适合于一级旋风预热器的数值模拟方法进行研究，并对经典切流式 旋风分离器内的流场进行数值模拟，验证数值计算方法的可靠性。 ( 3 ) 对一级旋风预热器的气相进行三维数值模拟研究，分析静压分布和切 向速度分布情况，并结合热平衡测试结果，对操作参数和结构参数进行初步的优 化研究。 ( 4 ) 对一级旋风预热器的气固两相展开三维数值模拟，研究颗粒的分离效 率，追踪颗粒的运动轨迹，综合分析操作参数和结构参数对一级旋风预热器以及 气态悬浮焙烧炉性能的影响，最终确定出适合于一级旋风预热器的优化参数。 中南大学硕士学位论文第二章气态悬浮焙烧炉的热平衡测试 第二章气态悬浮焙烧炉的热平衡测试 为获得气念悬浮焙烧炉的各项热工参数，了解其能流和物流构成、热效率及 其它技术经济指标，找出目前生产中存在的问题和不足，为一级旋风预热器的数 值仿真提供计算依据，本章对气态悬浮焙烧炉的热平衡测试结果进行分析与讨 论。 2 1 热平衡测试 2 1 1 热平衡测试体系 气念悬浮焙烧炉的热平衡测试根据有色金属行业标准y s t l l 9 8 2 0 0 5 执行 【3 6 1 。测试期问，生产稳定正常。测试结果取三个连续白班的平均值。热平衡测 定范围包括氢氧化铝喂料系统，文丘里闪速干燥器，多级旋风预热系统，气态悬 浮焙烧炉，多级旋风冷却器，二次流化床冷却器，除尘和返灰系统；而热平衡计 算范围包括氢氧化铝喂料系统，文丘里闪速干燥器，多级旋风预热系统，气态悬 浮焙烧炉，多级旋风冷却器，返灰系统。图2 1 为焙烧炉测试体系图，虚线框内 表示热平衡计算体系。热平衡测定的项目和数据见表2 1 。 2 1 2 热平衡计算基准 热平衡计算采用如下计算基准： ( 1 ) 基准温度采用0 。c 。 ( 2 ) 基准压力采用1 0 13 2 5p a 。 ( 3 ) 燃料的发热量按收到基低位发热量计算。 ( 4 ) 物料平衡与热平衡均以一吨成品氧化铝为基准计算单位。 9 中南大学硕士学位论文 第二章气态悬浮焙烧炉的热平衡测试 氢氧化铝 ：f - 一干一- i l i 十 上 i l - i 文丘里闪速干燥器a 0 2 厂一! ： i ! ： - 电收器 l l一级旋风预热器p 0 1 l ：1 上 1 一一 电收尘料 ： 1 二级旋风驾热器p 0 2 i - 。- 。 i - 土 i i 一一一- i 气态悬浮焙烧炉p 0 4 l ： i”。 1 1 i i i i 土 - i i i i - 热分离旋风筒p 0 3 主燃烧器 1 i l j一 l 上? 1 i i i i 第一级旋风冷却筒c 。l j i i i 上， ： i i - r 第二级旋风冷却筒c 0 2 - l l l l 一一11 lji l - -第三级旋风冷却筒c 0 3 l - l 上? i 章蔓宝左彳 i - j。 - 矽l 二亡。弋。i ， 第四级旋风冷却简c 0 4 - l i j r j ：。污而蒹 新空气 一流化床冷却器k o l k 0 2 l ， 热水 氧化铝 一空气 图2 - 1 气态悬浮焙烧炉测试体系图 1 0 烟气 煤气 新空气 中南人学硕士学位论文第二章气态悬浮焙烧炉的热平衡测试 表2 - 1 热平衡测试项目及数据表 项目 单位测定数据项目单位测定数据 大气温度3 2 5大气压力p a9 8 8 0 0 大气相对湿度 6 7 6大气水分含量 3 3 入炉湿氢氧化铝入炉氢氧化铝 t h 8 6 2 2 8 量 附着水含量 入炉氢氧化铝氢氧化铝入炉温 3 4 65 5 1 结晶水含量度 成品氧化铝 2 9 7 8 成品氧化铝灼减08 出炉温度 成品氧化铝 成品氧化铝产量讹5 4 81 7 口- a 1 2 0 3 含量 成品氧化铝氧化铝出冷却器 9 8 36 8 2 y - a 1 2 0 3 含量 温度 流化床冷却器 n m 3 h2 7 5 9 进流化床冷却器 3 2 4 冷却水流量冷却水温度 出流化床冷却器 流化床冷却器n m 3 m3 9 0 3 24 3 。9 冷却水温度空气量 进流化床冷却器出流化床冷却器 4 1 38 8 1 空气温度空气温度 发生炉煤气耗量 n m 3 h3 5 5 4 1 7 进炉煤气温度4 2 6 发生炉 发生炉煤气压力p a 3 2 8 3 0 89 4 煤气成分c 0 2 发生炉 发生炉 1 0 97 3 煤气成分c o 煤气成分h 2 发生炉发生炉 6 4 9o ，8 煤气成分n 2煤气成分0 2 发生炉 k j n dm 34 5 6 1 56 7 煤气成分c h 。煤气低发热量 进入c 0 4 的进入c 0 4 的新空 n m 3 h3 5 2 8 9 44 8 5 新空气温度气标准状态风量 燃烧新空气燃烧新空气 m 3 m8 5 7 1 43 2 5 温度工作状态风量 中南大学硕士学位论文 第二章气态悬浮焙烧炉的热平衡测试 续表2 i 项目单位测定数据项目单位测定数据 燃烧新空气标准n m 3 几7 6 5 9 8出p 0 1 废气温度1 8 6 2 状态风量 出p 0 1 废气出p 0 1 废气 n m 3 h12 0 9 4 0 0n m 3 h7 2 8 6 9 0 标湿流量标干流量 出p 0 1 废气出p 0 1 废气 1 2 0 2 25 4 2 2 干烟气成分c 0 2干烟气成分0 2 出p 0 1 废气出p 0 1 废气 0 1 6 60 0 0 2 干烟气成分s 0 2 干烟气成分c o 出p 0 1 废气出p 0 1 废气 0 0 0 38 2 3 8 4 干烟气成分n o 干烟气成分n 2 出p 0 1 废气 出翼兰竺气 k g n m 3 o 0 8 23 9 7 含尘浓度 。 含湿量 k 倒1 广l 气k 朗1 j o ，干气 o 1 3 6出p 0 1 炉灰温度 1 8 6 2 含尘浓度 。 烟囱排放废气温 出p 0 1 炉灰量 k g h 9 9 1 9 4 1 8 7 3 度 烟囱排放废气烟囱排放废气 1 2 2 l l5 7 4 4 干烟气成分c 0 2干烟气成分0 2 烟囱排放废气烟囱排放废气 o 1 6 l0 0 0 2 干烟气成分s 0 2 干烟气成分c o 烟囱排放废气烟肉排放废气 0 0 0 28 1 8 7 9 干烟气成分n o 干烟气成分n 2 烟囱排放废气烟囱排放湿废气 3 7 7 m g n m 5 5 7 5 4 9 含湿量含尘浓度 烟囱排放干废气 m g n m 3 干 9 2 4 烟囱排放废气 n m 3 l l1 2 8 2 0 3 7 含尘浓度气标湿流量 烟囱排放废气 烟囱排放炉灰温 n m h7 9 8 7 4 7 1 8 7 3 标干流量度 烟囱排放炉灰量 k g h 7 4电收尘吹风风温3 2 5 l 撑电收尘返灰管 m 3 h1 4 5 8 o l 电收尘返灰管 n m 3 hl3 0 2 9 工况风量标况风量 1 2 中南人学硕士学位论文第二章气态悬浮焙烧炉的热平衡测试 续表2 - 1 项目单位测定数据项目单位