（机械电子工程专业论文）ddcilc型预分解炉混合燃烧数值模拟.pdf

摘要 预分解新型干法水泥生产技术是目前水泥生产的最先进的技术，分解炉是 新型干法水泥生产线上预分解技术的核心设备和关键技术装备之一，其性能优 劣直接影响到系统能耗、环保排放以及整个系统的生产效率。分解炉系统内部 的流场非常复杂，燃料燃烧和生料分解这两个反应是悬浮于气流中进行的，各 过程相互制约，使得分解炉系统的设计和开发具有很大的难度。长期以来，分 解炉的设计方法主要是依靠试验及由大量实验数据归纳出的经验公式。 以计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 为理论基础的数值模 拟技术能对流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等问题进行准确的预测，因 此在工程中得到越来越多的推广和应用。将数值模拟方法应用于分解炉的流场 研究，进而优化其结构和操作参数，提高其各项性能，可以节省大量的开发费 用，还能大大缩短研发周期，这对于分解炉的开发具有重要的理论意义和工程 应用价值。 本文采用c f d 数值模拟的方法对2 1 0 0 t d ，d d c i l c 型分解炉内三维湍流 流场进行了数值模拟研究。在建立模型过程中，基本保证了分解炉几何结构的 完整真实性。在划分计算网格时，采用了混合网格生成技术，并对细小的结构 进行了网格的局部细化。这些措施都保证了计算结果能够更加真实的描述分解 炉流场中的各种流动特征。对气相流场描述时，采用了标准k 双方程湍流模 型，该模型对于分解炉内部的旋流流动模拟更合理。对炉内生料及煤粉颗粒的 运动则采用随机颗粒轨道模型进行模拟。该模型的优点是能够模拟有复杂经历 的颗粒相，并且能够模拟颗粒的湍流扩散和气固相之间的耦合作用。对煤粉的 燃烧模拟则采用了非预混燃烧模型，燃烧辐射模型采用p 1 模型。在数值计算时， 对气体的控制方程采用控制容积法进行离散，差分格式为二阶迎风差分，离散 方程组的压力速度耦合采用s i m p l e 算法，求解方程采用t d m a 逐面迭代和低 松弛因子。对于颗粒的常微分控制方程组则采用数值积分的方法求得解析解。 模拟结果得到了炉内气体流动状态、颗粒运动规律、煤粉燃烧状态及煤粉和轮 胎胶粉混合燃烧状态等多项参数，全面精细直观的反应了炉内的流动状态。模 拟结果符合炉内的流动趋势，为分析d d c i l c 分解炉内的流动规律和化学反应 提供了有效信息，也为分解炉的结构优化和实际操作参数的选取提供了重要的 理论依据。 关键字：预分解炉，计算流体力学，流场，废轮胎 a b s t r a c t d r y - p r o c e s sp r e c a l c i n e rl 【i 1 i lt e c h n o l o g yi st h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g yi n c e m e n tm a n u f a c t u r ea tp r e s e n t ，a n dp r e c a l c i n e ri so n eo ft h eh a r dc o r ea n dk e y t e c h n o l o g ye q u i p m e n ti ni t t h ep e r f o r m a n c eo fp r e c a l c i n e rh a sg r e a te f f e c to ne n e r g y c o n s u m p t i o n ，p o l l u t a n t sd i s c h a r g ea n dp r o d u c i n ge f f i c i e l l c yo ft h es y s t e m t h ef l o w f i e l di np r e c a l c i n e rs y s t e mi sv e r yc o m p l e xa sw e l la st h er e a c t i o n so ff u e lc o m b u s t i o n a n dr a wm a t e r i a l sd e c o m p o s i n g ，w h i c ha r ei n f l u e n c e db ye a c ho t h e r , a r et a k e np l a c e i ns u s p e n s i o na i rf l o w f l o wt h e s er e a s o n s ，i ti sd i 伍c u l tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h e p r e e a l c i n e rs y s t e m i nt h ep a s ty e a r s ，d e s i g no ft h ep r e c a l c i n e rs y s t e md e p e n d sm a i n l y o ne x p e r e n e n t a ld a t aa n de m p i r i c a lf o r m u l a t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) i s a p p l i e dw i d e l yi n t h ee n s i n e e r i n gf i e l dd u et oi t sa c c u r a t en u m e r i c a lp r e d i c t i o nf o rt h e f l o w , h e a te x c h a n g e ，c h e m i s t r yr e a c t i o na n dm u l t i p h a s ef l o w s on u m e r i c a l s i m u l a t i o no nt h et u r b u l e n c ef l o wi sa d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h ef l o wc h a r a c t e ri nt h e p r e c a l c i n e rt oo p t i m i z es y s t e ms t r u c t u r ea n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e t h i s m e t h o dc a ns a v et h er & dc o s ta n dt i m es ot h a ti ti ss i g n i f i c a n ti nt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h r e e d i m e n s i o n a lt u r b u l e n t f l o wi n210 0 t dd d c i l cp r e c a l c i n e rw e r es t u d i e d t h ei n t e g r i t ya n da u t h e n t i c i t yo f g e o m e t r ys t r u c t u r eo ft h ep r e c a l c i n e ri se n s u r e da tm o d e le s t a b l i s h i n gp r o c e s s m i x e d g r i d d i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e da tg r i d d i n gd r a w i n gp r o c e s s ，a n dt h eg r i d d i n go fs m a l l s t r u c t u r ei sm i n i s h e d a l lo ft h i sm e a s u r ee n s u r e st h er e a l i t yo ft h er e s u l t s t h eg a s p h a s ei se x p r e s s e dw i t hk - t w o e q u a t i o nm o d e l t h i sm o d e li sm o r er e a s o n a b l et o s t r o n ge d d yf l o wi np r e c a l c i n e r m o v e m e n to fl a wm a t e r i a la n dc o a lp a r t i c l ei s s i m u l a t e db yt h ep a r t i c l es t o c h a s t i ct r a j e c t o r ym o d e l t h i sm o d e li s c a p a b l ei n s i m u l a t i n gp a r t i c l ew i t hc o m p l i c a t e de x p e r i e n c e i ta l s oe n a b l e st os i m u l a t ec o u p l i n g i n t e r a c t i o nb e t w e e ng a sp h a s ea n dp a r t i c l ep h a s e ，t u r b u l e n c ed i f f u s i o no fp a r t i c l ei s a l s or e g a r d e di nt h i sm o d e l n o n - p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e li s a d o p t e di n s i m u l a t i n gc o a lc o m b u s t i o n ；t h em i x e do fc o a la n dw a s t e dt y r ec o m b u s t i o n ；r a d i a t i o n i i i o ft h ec o m b u s t i o ni se x p r e s s e dw i t ht h ep - 1r a d i a t i o nm o d e l a tc a l c u l a t i n gp r o c e s s ， c o n t r o lv o l u m em e t h o d ( c v m ) i sa p p l i e di nd i s c r e t i z i n gt h eg a sp h a s ec o n t r o l e q u a t i o n t h ed i f f e r e n c ef o r m a ta p p l i e di ss e c o n do r d e ru p w i n dd i f f e r c e c o u p l i n g b e t w e e np r e s s u r ea n dv e l o c i t yi ss o l v e db yt h es i m p l ea r i t h m e t i c t r i d i a g o n a l m a t r i xa l g o r i t h m ( t d m a ) m e t h o da n dl o wr e l a x i n gf a c t o ra lea l s oa p p l i e di ns o l v i n g t h ec o n t r o le q u a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r e d i c t st h ef l o wf i e l d ，t h ep a r t i c l em o v e m e n ta n dt h ec o a l c o m b u s t i o n , w h i c hi sc o i n c i d e n tw i t ht h ef l o wt e n d e n c y t h er e s u rp r o v i d e su s e f u l i n f o r m a t i o nf o ra n a l y z i n gt h ek i n e t i c sr e g u l a t i o na n dr e a c t i o ni np r e c a l c i n e r , a n da l s o g i v e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t r u c t u r eo p t i m i z i n ga n dp r a c t i c a lo p e r a t i o n p a r a m e t e rs e l e c t i n go ft h ep r e c a l c i n e r k e yw o r d s ：p r e c a l c i n e r , c f d ，f l o wf i e l d ，w a s t et i r e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 签 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：彳蔓羞鎏 导师( 签名)研究生( 签名) ：彳立歪堑导师( 签名) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外水泥工业发展现状 1 1 1 我国水泥工业的发展现状 硅酸盐水泥作为目前用量最大的建筑材料，自1 8 2 4 年它的诞生至今1 7 0 多 年的发展历程中，为人类社会进步和经济发展做出了巨大的贡献，是现代人类 文明进步的基石。由于水泥具有丰富的原料资源、相对较低的生产成本以及良 好的胶凝性能，在目前及未来相当长的一段时间内，水泥依然是人类社会主要 的建筑材料。 我国是水泥工业大国，水泥工业作为我国基础工业的支柱之一，在国民经 济的可持续性发展中具有举足轻重的地位。随着我国经济的发展，水泥工业发 生了巨大的变化，主要表现在【1 】： 一、水泥产量大幅提高。改革开放以来，我国水泥产量大幅提高，1 9 7 8 年 全国水泥产量仅为6 5 2 4 万吨，人均仅6 5 公斤，2 0 0 0 年水泥产量为5 9 7 亿吨， 人均4 6 0 公斤，达到了世界人均消费水平，在2 0 0 7 年，我国水泥产量达到1 3 6 亿吨，人均约1 吨，为世界人均消费量的2 倍。 二、产品标准与国际接轨。现行的水泥标准与改革开放时相比有了很大的 改进，主要表现在我国通用水泥国家标准与国际水泥标准实现了接轨，提高了 水泥质量，便于国际交流，促进了我国水泥工业的发展。在1 9 9 9 年，根据i s 0 6 7 9 国际水泥强度检验方法标准，制定出g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥强度检验国家标准【2 】， 同时修改了产品质量标准，制定出g b l 7 5 1 9 9 9 、g b l 3 4 4 1 9 9 9 和g b1 2 9 5 8 1 9 9 9 等三种通用国家水泥标准。到2 0 0 7 年，把这三个水泥标准合并成一个通用水泥 标准g b l 7 5 2 0 0 7 。这次修订使得我国水泥国家标准与国际标准实现了接轨。 三、生产结构调整初显成效。新中国成立时，水泥生产结构是以湿法回转 窑和干法回转窑为主的结构。随着经济的发展，水泥生产远不能满足需要，立 窑水泥由于建设投资少、建设期短，便迅速发展。在表1 1 中【3 】，“大水泥 是 指湿法和干法回转窑生产的水泥，“小水泥 是指9 0 以上是立窑、1 0 以下为 武汉理工大学硕士学位论文 小回转窑生产的水泥。从表中可以看出1 9 7 3 年小水泥产量达到了5 3 ，说明我 国水泥生产技术结构由湿法和干法回转窑为主转变为以立窑为主。此后，小水 泥比例不断提高，到2 0 0 0 年竟达到了8 0 。立窑是比湿法和干法回转窑更为落 后的水泥生产技术，其产品质量差、资源消耗率高、环境污染严重，在发达国 家早已淘汰。上世纪7 0 年代，我国起步开发比湿法和干法回转窑更先进的新型 干法水泥生产技术。在对外开放的条件下，采用了自主开发与技术引进、消化 吸收相结合的方法，加快了技术开发进程，在较短的时间内取得了成效。从2 0 0 3 年开始，我国水泥新型干法生产蓬勃发展，2 0 0 1 年我国新型干法产量占水泥总 产量的1 1 ，2 0 0 7 年以达到了5 5 ，超过了落后生产方法的产量，生产技术调 整初见成效。 表1 1 我国水泥水泥生产技术结构的变化表 水泥生产技术结构的变化 年份大水泥( ) 小水泥( )年份新型干法产量( )落后生产方法产量( ) 1 9 7 15 64 42 0 0 11 18 9 1 9 7 25 14 92 0 0 21 58 5 1 9 7 44 25 82 0 0 32 27 8 1 9 7 54 15 92 0 0 43 16 9 1 9 8 03 26 82 0 0 54 06 0 1 9 9 0 1 98 1 2 0 0 6 4 85 2 2 0 0 02 08 02 0 0 75 54 5 我国水泥工业存在的问题，主要表现在：企业平均规模小，2 0 0 2 年综合企 业规模是1 5 万吨，其中大中型企业产量占4 7 ，平均规模约为4 7 万吨，接近 世界主要水泥生产国5 0 - 6 0 万吨的最低水平，而小企业产量占5 3 ，平均规模 只有9 万吨；资源能源消耗高，上世纪8 0 年代以来，我国水泥工业节能取得了 一定的进展，水泥企业熟料能耗为1 7 3 5 k g 标准胤熟料，仍远高于国际先进水 平1 1 7k g 标准胤熟料，此外，我国水泥综合电耗9 5 1 1 0 k w h t 水泥【4 】，仍比发 达国家高5 - 1 0 ；环境污染严重，水泥工业废气中含有大量的c 0 2 、c o 、n o x 和s 0 2 等，这些有害气体是造成温室效应、破坏生态环境的主要污染源。根据 国家统计局发布的数据，2 0 0 7 年我国水泥制造业实际排放粉尘5 1 5 万吨，s 0 2 1 0 5 万吨，其排放量竞高达全球平均值的3 8 倍。很显然，这里占总产量4 7 ， 以立窑为主的落后水泥的生产方式是最大的污染源。按照国家发改委的总体部 2 武汉理工大学硕士学位论文 署抓紧淘汰立窑水泥理所当然。 1 1 2 国外水泥工业的发展动态 当前国际水泥工业的发展是以节能、降耗、环保、高性能和提高劳动生产 率为中心，走可持续发展的道路。主要表现在【5 】： 一、不断提高水泥工业与生态环境的相容性。根据世界大型跨国水泥集团 的2 0 0 7 年年度报告，按熟料的销售量排序，名列世界前5 位的是：瑞士h o l c i m 公司( 1 4 9 6 亿吨) 、法国l a f a r g e 公司( 1 3 6 4 亿吨) 、德国h e i d e l b e r g 公司( 8 7 9 0 万吨) 、墨西哥c e m e x 公司( 87 4 0 万吨) 和意大利i t a l c e m e n t i 公司( 64 6 0 万吨) 。该5 大水泥公司2 0 0 7 年合计销售5 2 5 9 亿吨，约占全球总量的1 9 2 。 这5 大水泥公司的可持续发展指数见表1 2 。这些指数最初是由世界水泥可持续 发展行动委员会提出的，现已达成共识。可持续发展指数包含6 方面的内容， 即：水泥原料( 钙质和硅铝质) 矿山复垦以及矿区周边生态或生物多样性重建工 程，建成湖泊、沼泽、湿地或丛林等；水泥中的熟料含量百分数，意在鼓励生 产混合水泥，多掺混合材料；采用各种废料废渣用作水泥替代原料，节约天然矿 物原料资源；采用各种可燃废料用作替代燃料，节约天然化石燃料资源；煅烧 熟料时各种有害物( c 0 5 、s 0 2 、n 0 5 、粉尘、重金属、二恶英、呋喃等) 的排放 量；吨水泥的水资源消耗量。 这5 大水泥公司7 0 旷9 0 的原料矿山在开采过程中都进行着植被的修复工 程，至于水泥中熟料含量，这5 大公司的数据为7 2 * , - - 7 9 之间，今后的趋势是 开发对各种混合材料( 矿渣、粉煤灰等) 的深加工技术，多生产混合水泥，逐 步减少熟料比例。在燃料替代方面，这5 大公司在全球范围内介于6 - - - 1 3 之间， 但是在欧盟则为4 0 - 6 0 ，说明欧盟水泥工业在替代燃料方面比世界其它地方 先进很多。 表1 22 0 0 7 年世界5 大水泥公司可持续发展指数 瑞士法国德国墨西哥意大利 h o l c i m l a f a r g eh e i d e l b e r g c e m e xl t a i c e m e n t j 销售量( 百万吨) 1 4 9 61 3 6 48 7 98 7 4 6 4 6 可持续发展指数 1 矿山复垦9 07 57 29 47 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 熟料含量 7 2 67 37 97 8 5 7 2 6 3 替代原料1 0 9 1 1 41 2 1 2 85 9 4 替代燃料1 1 4 ( 5 5 )9 8 ( 5 0 )1 7 ( 6 0 )7 ( 4 5 )4 2 ( 4 0 ) 5 混合材料 2 32 21 61 72 2 6 水消耗k g t 3 4 0 3 4 33 5 64 0 34 9 0 注：括号内的数字表示公司在欧盟内的替代燃料的使用比例，其余数据则是公司在全球范 围内的平均数据。 二、不断提高水泥生产与管理的信息化【6 】。运用信息技术，创新各种工艺过 程的专家系统和数字神经网络系统，实现远程诊断和操作，保证水泥生产稳定 和良好的质量，进行科学管理和商务活动是近年来国外水泥工业在信息化、自 动化、网络化、智能化领域中所进行的主要工作。水泥企业信息化一般有如下 几方面内容：水泥生产过程的自动化、智能化，如集散型控制系统d c s 、计算 机集成制造系统c i l v i s 、计算机辅助制造系统c a m 等；管理决策的科学化、网 络化和信息化，如管理信息化系统m i s 、办公自动化o a 、企业资源计划e r p 、 需求计划h r p 等；商务活动电子化、网络化、信息化，如客户关系管理系统 c r m 、电子商务e c 、电子支付系统e p s 、电子订货e o s 等。 1 2 课题研究的背景和意义 分解炉是新型干法水泥生产线上预分解技术的核心设备。分解炉属于高温 气固多相反应器，炉内为气固两相流动、煤粉燃烧、生料化学反应、同时伴有 旋流、回流的复杂流场。煤粉燃烧的放热过程与生料分解的吸热过程在一个空 间内呈悬浮态或流化态下同时进行，这种将物料的分解反应从回转窑内呈堆积 状态移至窑外分解炉中呈悬浮状态进行的方式，不仅使传热速度大大加快，而 且使分解后的c 0 2 从粉料表面扩散到气流中的传质速度也加快，从而加速整个 分解过程，尽可能提高生料的分解率。 水泥分解炉性能直接关系到水泥产量、资源、能源消耗、环境负荷等问题。 对于高性能分解炉，不仅要求高效，同时要求运行可靠，即要求分解炉在提高 生料分解率、煤粉燃尽率、降低污染物的浓度等方面既要具有较好的性能又要 有良好的抗波动能力。而分解炉的外形尺寸，三次风、生料和煤粉的进口位置 与炉内物料的浓度分布，运动速度、停留时间以及气相的流动速度，温度、压 4 武汉理工大学硕士学位论文 力的分布等情况都直接影响炉内煤粉的燃尽率、生料的分解率、污染物的浓度 以及耐温和抗波动能力。 近年来因分解炉优化设计的需要，针对炉内流场的研究已相当广泛和深入， 其研究方法包括实验研究和理论研究两种。实验研究又分为冷态模拟、热态模 拟和热工标定等川。尽管研究者们在不断完善实验方法，但由于受到测试设备和 测试手段的限制，多数工作仅限于流体力学特性的宏观观察和测量，得到的结 果多为统计平均特性。因冷模与热模实验结果存在诸多本质上的差别，仅仅靠 冷模实验结果来预报炉内实际流动特性是不可能的，而且花费代价太高：而热模 的困难更大。数值模拟方法以其节省时间，节省人力物力、适应可多变等诸多 有利因素越来越被人们所重视，随着计算机内存、速度的不断提高，数值模拟 将成为分解炉开发研究的有效手段。本课题的研究目的是采用c f d 技术来对分 解炉内部的复杂流场进行数值模拟研究，以掌握分解炉系统内部的气体流动状 态、颗粒运动规律、气固耦合、煤粉在分解炉内的燃烧状况等运行规律。采用 c f d 技术对分解炉进行研究，可以详尽的了解分解炉内部复杂流场状态和运行 规律，以指导分解炉的结构优化和开发，并缩短开发时间，降低成本；模拟的 结果还可以为分解炉的运行调控提供参数，为安全、高效生产提供信息。因此 本课题具有重要的理论和实用意义。 1 3 国内外研究现状及分析 上世纪七十年代以后，窑外分解技术在世界各国得到了飞速发展【引。窑外分 解技术的关键设备预分解炉的分类方法很多，按气流的运动形式可分为旋风式、 喷腾式、悬浮式和沸腾式四种。生料和燃料在分解炉中分别依靠旋风效应、喷 腾效应、悬浮效应和流化态效应高度分散于气流中，增加物料与气流间的接触 面积，达到提高燃料燃烧效率和生料分解率的目的。为提高效率，一种分解炉 常采用多种流体效应，提高物料在气流中的扩散率和热交换率。如r s p 、k s v 等属于旋风一喷腾式分解炉；s f 属于旋风式分解炉，但n s f 、c s f 属于旋风 喷腾式分解炉；m f c 分解炉虽以流化态效应为主，也具有旋风效应；普列波尔 型及派洛克朗型属于悬浮式分解炉，亦具有局部的旋风效应。 对各种类型分解炉的研究，国内外许多学者倾向于利用c f d 技术对其进行 数值模拟研究，并取得了很大的进展。 武汉理工大学硕士学位论文 在国内，很多学者曾对分解炉进行气相模拟，结果只能定性符合炉内流动 规律。 针对分解炉内气固两相流场，华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的陆继 东等人对双喷腾分解炉的流场进行了较系统的数值模拟研究【8 】。陈作炳等研究了 强化悬浮式分解炉气固两相之间的耦合作用，得到分解炉内的流场分布和颗粒 运动轨迹，为分析分解炉内气固两相的运动规律提供有利信息【9 】。 针对分解炉内伴有煤粉燃烧和c a c 0 3 分解的耦合研究，叶旭初等宏观分析 了分解炉内的热态情况，根据提出的方程与模型针对s l c 分解炉内气固两相二 维流动及燃烧和分解进行了数值研究，结果定性给出了两相速度、气相温度、 组分浓度和壁面热流温度分布【l o 】。武汉理工大学的马保国、李相国等人在借鉴分 解炉物理模型和流体力学的湍流模型的基础上，对喷腾式和旋喷式分解炉的冷 态流场进行了分析，为优化分解炉结构设计提供了理论依据，并利用热重分析 法研究了废轮胎胶粉的燃烧特性，初步探讨了胶粉的基本特性与燃烧过程( 1 l 】。 在国外，国际著名水泥公司p o l y s u i s 公司已经将c f d 技术应用于低阻高效 旋风预热器的开发设计研究中【1 2 1 。h e l l e n i c 水泥研究中心的v o n e k o l y f e t i s 等应 用空气动力学和煤粉的燃烧模型模拟了回转窑内部的煤粉燃烧过程【”】。d r p e t e r j m u l l i n g e r 和d r b a r r i e g j e n k s 在分解炉的设计中应用p h e o n i c s 软件进行分 解炉内部的气固两相流场数值模拟【1 4 1 。d 。g i d d i n g s 采用数值方法模拟了分解炉 内的燃烧和分解过程，得到了煤粉燃尽率和生料分解率【1 5 】。 尽管分解炉和整个水泥生产预分解技术相当成熟，但现阶段国内预分解技 术依然存在一些问题，其中分解炉技术依然是最主要的问题之- - 1 6 1 。主要表现在： 由于近年来能源紧张导致水泥厂煤质量不断下降，分解炉适应能力不足，影响 熟料的产量和质量；对采用无烟煤和低挥发分煤的工程，煤在分解炉内燃烧和 传热依然存在先天不足，导致结皮堵塞较多，通风不畅，影响产量和质量；一 些工程要求能够燃烧垃圾，但对垃圾处理和分解炉内燃烧要求及燃烧效果等目 前还没有完全解决，需要不断改进；由于环保要求，燃烧产生的有害气体减排 问题已经提上日程，需要在分解炉设计时予以考虑。 为提高分解炉对低质燃料的适应能力，目前已设计出了数十种炉型【1 刀，仅 2 5 0 0 u d 规模就出现了2 0 多种，设计适应低热值燃料的分解炉主要有两种方法： 一是炉容不断扩大，为适应煤质量的变化，可能会增加数倍的炉容积，另外为 了适应物料的变化，以及为了增加熟料的产量时也可能会增加炉容积；二是采 6 武汉理工大学硕士学位论文 用组合型分解炉，例如m f c 炉、s f 炉均可加d d 炉用于低挥发分煤和无烟煤。 尽管这些组合也有一定的合理性，但不是每次组合都会成功，对熟料产量和质 量影响较大的因素很多，特别是对一些较难燃烧的低质燃料，可能会出现分解 炉燃烧较难控制，炉体烧坏，难以着火，温度难以稳定等各种不良情况。因此， 有必要探索一种性能优越的分解炉，能适应各种煤质及废弃物的燃烧要求，炉 内燃烧温度稳定，操作简单可控，熟料质量好的分解炉。 2 0 世纪9 0 年代中期以来，发达国家水泥行业在环境保护、降低单位能耗、 综合利用各种废弃物以及利用废气余热发电都有重大进展，正在逐步接近清洁 生产和可持续发展的战略目标。德国水泥工业在利用废弃物方面成绩显著【l 引， 2 0 0 4 年每吨水泥利废总量为3 7 0 k g t ，二次燃料替代率达到4 5 ，水泥行业在 全社会利废总量中占1 9 8 。这充分说明德国水泥工业利废质量较高，已进入 良性发展阶段。此外，日本水泥工业在利废总量也是很高的【1 9 】，2 0 0 5 年，单位 利废总量和水泥行业在全社会利废总量中的比例分别达到了4 0 和1 8 。我国 水泥行业单位利废量与德国、日本接近，但其中用作混合材料的多，而用作二 次燃料的数量几乎为零。比如我国环保总局2 0 0 3 年环境状况年报指出【2 0 】，水泥 行业利用工业废弃物作为混合材料就有近2 3 4 0 0 万吨，用作二次原料6 0 0 0 多 万吨，两者合计占全国废弃物利用总量的5 3 5 ，但其中在消纳废弃物作为二 次燃料方面却几乎是空白。因此，对分解炉的数值模拟研究，特别是在利用固 体废弃物作为二次燃料方面的研究还是很有必要的。 目前针对各种大型分解炉内流场的数值模拟，特别是水泥分解炉利用固体 废弃物作为二次燃料方面的研究国内才刚刚开始，这也是我国水泥行业利用废 弃物作为二次燃料方面几乎为零的一个因素。对于刚刚出现的d d c i l c 分解炉， 我们对影响该分解炉内煤和废旧轮胎混合燃料的燃烧性能的等各种因素还处于 一片空白状态，因此对这方面的研究还是很有必要的。 1 4 本文的主要研究内容 本文采用了c f d 数值模拟的方法对用于2 10 0 删新型干法水泥生产线上的 d d c i l c 型分解炉内流场进行研究，主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 在广泛查阅国内外相关文献的基础上，分析分解炉内流动特性，对流动 的物理现象进行合理简化，建立了可行的的分解炉流动模型。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 结合帮助文件学习g a m b i t 和f l u e n t 软件，基本掌握了g a m b i t 软 件下的建模及划分网格的要领，熟悉了f l u e n t 软件里所采用的基本解法、湍 流模型、多相流模型、组分输运和反应流模型及离散格式等。 ( 3 ) 根据用于2 1 0 0 删新型干法水泥生产线上的d d c i l c 型分解炉的实际工 作条件和要求，完成系统的几何模型、生成计算网格、确定计算边界条件、流 动状态。 ( 4 ) 根据流动状态选择合理的流动模型，确定差分格式及算法，对分解炉系 统的气相流场进行数值模拟计算，并分析炉内的气体流动特性。 ( 5 ) 在气相流场模拟的基础上，应用多相流理论，对d d c i l c 分解炉内的气 固两相流场进行数值模拟计算，并分析固体颗粒的运动特性以及气固两相流场 与气相流场的区别。 ( 6 ) 在气固两相流场模拟的基础上；应用燃烧理论，确定了合理的煤粉燃烧 模型，对煤粉和轮胎胶粉在分解炉内混合燃烧过程进行了初步探讨。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g a m b i t 软件下分解炉数学模型 的建立 2 1g a mb i t 软件简要介绍 本文数值模拟的d d c i l c 分解炉的几何模型是在p r o e 软件中建立的，然后 把几何模型导入到f l u e n t 的专用前处理软件g a m b i t 中完成网格划分及边界设 定，最终在f l u e n t 6 3 中完成分解炉的数值模拟。因此，有必要对f l u e n t 的前处 理软件g a m b i t 作简要介绍。 f l u e n t 中的专用前处理软件g a m b i t 是面向c f d 几何建模的网格生成软 件，具有强大的几何建模功能，既可以在g a m b i t 内直接生成点、线、面、体 以及通过其功能强大的布尔运算能力组合成各种几何模型，也可以从p r o e 、 u g l l 、i d e s a 、c a t i a 、a n s y s 、p a t r a n ，a i 肿c a d 等通用的c a d c a e 系统中导入几何图形和网格。当从接口中导入几何时，g a m b i t 几何修正功能 会自动合并重合的点、线、面；g a m b i t 在保证原始几何精度的基础上通过虚 拟几何自动缝合小缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划分的需 要。同时，建立几何模型和划分网格以后，可以根据实际问题和选取的求解器 设置不同的边界类型【2 1 】。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 c a m b i t 操作界面介绍 图2 - 1g a m b i t 操作界面 g a m b l t 操作界面如图2 1 所示。由图可知，g a m b i t 操作界面包括六个 部分，分别为主菜单栏、命令面板、视图、视图控制面板、命令解释宙与命令 显示窗和命令输入栏1 2 2 。 主菜单栏( m a r e m e n u b a r ) ：菜单栏位于操作界面的上方，有f i l e 、e d i t 、s o l v e t 和h e l p 四个菜单。g a m b i t 可识别的几何和网格的文件后缀均为d b s ，而要将 g a m b i t 中建立的网格模型调入f l u e n t 使用则需要将其输出为m h s 文件 ( f i l e e x p o r t m e s h ) 。 命令面板( o p e r a t i o nt o o lp a d s ) ：命令面板是g a m b i t 的核心部分，通过 命令面板上的命令图标，可以完成大部分的工作，如：几何建模、网格划分、 边界设置及坐标设置等。 从命令面板上我们可以看出，o p e r a t i o n 区域中的四个命令按钮分别 为：g e o m e a y ( 几何体) 、m e s h ( 网格) 、z o n e s ( 区域) 和t o o l s ( - - e 具) 。相应地，整个 建模工作可分为三个步骤：一是建立几何模型，二是划分网格，三是定义边界。 武汉理工大学硕士学位论文 第四个命令按钮则是工具按钮，一般取默认值。 视图：对于建立的三维模型，往往需要从不同角度看，在g a m b i t 中就可以显 示四个视图，同时也可以只显示一个视图。视图的坐标轴由视图控制面板来决 定，同时，我们还可以使用鼠标来控制视图中的模型显示。其中按住左键拖曳 鼠标可以旋转视图，按住鼠标的中键拖动鼠标则可以在视图中移动物体，按住 鼠标的右键上下拖动鼠标可以缩放视图中的物体，以便看清我们希望看到的部 位。 命令解释窗( d e s c r i p t i o nw i n d o w ) ：命令解释窗位于g a m b i t 命令面板的右下 方，即命令显示窗的右侧，当我们将鼠标放在命令面板中任意一个按钮的上面 时，d e s c r i p t i o n 窗口中将出现对该命令的解释。 命令显示窗口和命令输入栏( c o m m a n d ) ：命令显示窗口和命令输入栏位于 g a m b i t 命令面板的左下方，命令显示窗口中记录了每一步操作的命令和结果， 并且单击右上方的向上箭头还可以全部展开；而命令输入栏则可以直接输入命 令，其效果与单击命令按钮相同。 2 1 2 几何建模的一般方法 在g a m b i t 中进行几何建模时，对二维图形的几何建模主要遵循点、线、 面的原则；而对三维图形的几何建模则先要建立体，像搭积木一样，由g a m b i t 提供的模块中直接生成的基本图形( 如长方体、球、圆柱、圆台等) 通过布尔运算 拼凑成我们需要的几何图形。 2 1 3 网格划分方法 g a m b i t 具有强大的网格划分功能。可以分别针对边界层、边、面、体和 组划分网格【2 3 】。g a m b i t 中t g r i d 方法可以在极其复杂的几何区域中划分出与 相邻区域网格连续的完全非结构化网格。g a m b i t 网格划分方法的选择是高度 智能化的。当用户选择了一个几何区域后，g a m b i t 会根据该几何区域的特征 自动选择最合适的网格划分方法，使网格划分过程变得相当容易。 在g a m b i t 中可以生成多种形状的网格。对二维流动，可以生成三角形或 四边形网格；对于三维流动，则可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等 武汉理工大学硕士学位论文 网格。根据具体计算的需要，还可生成混合网格，利用网格自适应功能，还能 对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。 网格的选择依赖于具体的问题，在选择网格的时，应该考虑下列问题【2 4 】：初 始化时间；计算花费；数值耗散。 ( 1 ) 初始化的时间 对于很多实际问题中具有复杂几何外形的模型，采用结构网格或块结构网 格可能要花费大量的时间，甚至根本无法得到结构网格。复杂几何外形初始化 时间的限制迫使在非结构网格中使用三角形网格和四面体网格。然而，如果几 何外形并不复杂的话，两种方法所耗费的时间没有明显差别。 ( 2 ) 计算花费 当几何外形太复杂或者流动的长度尺度太大时，三角形网格和四面体网格 所生成的单元会比等量的包含四边形网格和六面体网格的单元少得多。这是因 为三角形网格和四面体网格允许单元聚集在流域的所选区域，而四边形网格和 六面体网格会在不需要加密的地方产生单元。四边形和六面体单元在某些情况 下可以允许比三角形四面体单元更大的比率( 如线性尺度比，角度比等) 。三角形 四面体单元的大比率总会影响单元的扭曲率。因此，相对简单的几何外形，而 且流动和几何外形很符合，就可以使用大比率的四边形和六边形单元。这种网 格数量可能会比三角形四面体网格的数量少。 ( 3 ) 数值耗散 多维条件下主要的误差来源于数值耗散，又被称为虚假耗散( 之所以被称为 虚假的，是因为耗散并不是真实现象，而是它和真实耗散系数影响流动的方式 很类似) 。关于数值耗散有如下几点： 当真实耗散很小时，即对流占主导地位时，数值耗散是显而易见的。 所有求解流动问题的数值格式都会有数值耗散，这是因为数值耗散来源于 截断误差，截断误差是描述流体流动的离散方程导致的。 f l u e n t 中所用的二阶离散格式可以帮助减少解的数值耗散的影响。 数值耗散量的大小与网格的分辨率成反比。因此解决数值耗散问题的一个 方法就是对网格进行精化。 当流动和网格成直线时数值耗散最小，所以我们要尽可能使用结构网格。 最后一点和网格选择最有关系。很明显，使用三角形四面体网格流动永远 不会和网格成一条直线，而如果几何外形不是很复杂时，四边形网格和六面体 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 网格可能就会实现流动和网格成一条线。只有对简单的流动，譬如在管内流动 中，你才可以使用四边形和六面体网格来减少数值耗散，而且在这种情况下使 用四边形和六面体网格有很多优点，因为与三角形四面体网格相比可以用更少 的单元得到更好的解。 这里仅以面网格为例说明不同的网格划分方法( t y p e ) 。 g a m b i t 对于二维面的网格的划分提供了三种网格类型：四边形、三角形 和四边形三角形混合，同时还提供了五种网格划分的方法【2 5 】。表2 1 、2 2 分别 列举了五种网格划分的方法以及它们的适用类型。 表2 - 1 网格划分方法 方法描述 m a p 创建四边形的结构化网格 s u b m a p将一个不规则的区域划分为几个规则区域，并分别划分结构化 网格。 p a v e 创建非结构化网格 t r ip r i m i t i v e 将一个三角形区域划分为三个四边形区域