（机械设计及理论专业论文）强化悬浮式水泥分解炉内流场数值模拟.pdf

武汉理1 _ 大学硕士学位论文 中文摘要 预分解新型t 法水泥生产技术是目前水泥牛产的最先进的技术，分解炉 是新型下法水泥生产线卜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1 ：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蕈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， 因此在工程巾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，可以节省人量的 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r 程应用价值。 奉文采用c f d 数值模拟的方法对2 5 0 0 t d 强化悬浮式分解炉( r e i n f o r c e d s u s p e n s i o np r e c a l c i n e r ，r s p ) 内三维湍流流场进行了研究。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，采用了重整化群( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ，r n g ) k - e 双方程湍流模 型该模型对于分解炉内部的强旋流动模拟更合理。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，对挥发份的燃烧采用概率密度函 数模型，焦碳的燃烧采用表面反应模型，挥发份的析出模型选用两步竞争反 应模型，燃烧的辐射传热采用p 一1 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 度祸合采用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。 武汉理工大学硕士学位论文 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，为分析强化悬浮式分解炉内的流动舰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。 关键词：强化悬浮式分解炉、气固两相流、煤粉燃烧机理、数值模拟 i i 武汉理工人学硕士学位论文 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 rk i l nt 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 t i ni t t h ep e r f o r m a n c eo f p 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 n 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 no ft h ea i rf l o w f o rt h e s er e a s o n s ，i ti sd i f f i c u l tt or e s e a r c ha n dd e v e l o p t h ep r e c 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 t c i n e rs y s t e md e p e n d s m a i n l yo ne x p e r i m 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 nt h ee n g 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 d m u l t i p h a s e f 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 n t 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 n2 5 0 0 v dr e i n f o r c e ds u s p e n s i o np 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 d a u t h e n t i c i t yo fg 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 g p r o c e s s m i x e d 鲥d d i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e da t 鲥d d i n gd r a w i n gp r o c e s s ，a n dt h e g r i d d i n go fs m a l ls t r u c t u r ei sm i n i s h e da 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 e r e s u l t s ，t h e g a sp h a s e i s e x p r e s s e d w i t hr e n o r r n a l i z a t i o n g r o u pr r n g ) k - e 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 os 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 fr a wm a t e r i a la n dc o a lp a r t i c l ei ss 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 c t r a j e c t o r y m o d e l t h i sm o d e li s c a p a b l ei ns 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 d e 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 gi n t e r a c t i o nb e t w e e ng a sp h a s ea n d p a n 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 e i sa l s o r e g a r d e di n t h i s m 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 sa d o p t e di ns i m u l a t i n gc o a lc o m b u s t i o n ；v o l a t i l e s 1 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 c o m b u s t i o ni s e x p r e s s e d w i t ht h e p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o nm o d e l ；c h a r c o m b u s t i o ni se x p r e s s e dw i t ht h es u r f a c er e a c t i o nm o d e l ；r e l e a s e dr a t eo ft h ev o l a t i l e s i se x p r e s s e dw i t ht h et w oc o m p e t i n gr a t e sm o d e l ；r a d i a t i o no ft h ec o m b u s t i o ni s e 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 e m e t h o d ( c v m ) i sa p p l i e di nd i s e r e t i z i n gt h eg a sp h a s ec o n t r o le q u a t i o n t h e d 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 e n c e c o u p l i n gb e t w e e n p 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 lm a t r i x a 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 r ea l s oa p p l i e di ns o l v i n gt h e c o n t r o le q u a t i o n t h es i m u l a t i n gr 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 l tp 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 gm a 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 f t h ep r e c a l c i n e r k e yw o r d s ：r e i n f o r c e ds u s p e n s i o np r e c a l c i n e r ；g a s s o l i df l o w ；c o a lc o m b u s t i o n m e c h a n i s m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1水泥分解炉简介 第1 章绪论 水泥是国民经济建设中重要的基础材料，水泥一业作为我幽建材产业的重 要组成部分，是我国重要的原材料丁业，为我国经济、社会可持续发展和提高 人民生活质量提供了强大的物质基础。据2 0 0 5 年统计，我国水泥生产总量为 1 0 5 亿吨，连续2 0 年居世界第一。目前中国水泥i l k 的问题是大而不强。高 能耗、商污染、劳动生产率低的立窑水泥占7 0 以上，而预分解新型于法水泥 生产线生产的优质水泥比例不到1 7 。 预分解新型于法水泥生产技术，即窑外分解技术，是在悬浮预热窑的基础 上发展起来的，是一种代表当代最高技术发展水平的水泥牛产方法”1 。它通过在 悬浮预热器和回转窑之间增加个新的机组分解炉，将原来主要在回转窑 内堆积态下进行的生料分解过程转移到分解炉内的悬浮态下进行，有效改善牛 料预燃烧阶段的气吲换热，同时也为充分利用干法窑尾废气中的大量热量，从 而大大提高了入窑生料的分解率和窑系统的产量和系统的热效率。该技术彻底 改变了湿法、老式干法、半干法回转窑及立窑生产等传统生产方法的弊端，使 得水泥牛产过程具有优质、高敛、低耗、符合环保要求和大型化、自动化的特 征。 分解炉是新型十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，属高温气一固多相反应器。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 o 。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。 分解炉主要功能是完成燃烧与分解反应；提高产量，缩短窑长；降低烧成 带热负荷，延长窑的使用寿命。所涉及的过程可归纳为固体流动、气固分散、 换热、燃料燃烧、分解、传质和输送等，根据其工作原理，可以被看成是高温 气固反应器。对分解炉来说，物料的分散足前提，燃料的燃烧是关键，碳酸盐 武汉理工大学硕士学位论文 的分解是目的。 分解炉的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、j _ 三次风、生料和煤粉的进口俯置与炉 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、胜力的 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”1 。 水泥分解炉承担着预分解系统中繁重的燃烧、换热和碳酸盐分解的仟务。 这些任务能否在高效的状态下顺利完成，主要取决于牛料和燃料能否在炉内很 好的分散、混合和均布；燃料能否在炉内迅速的完全燃烧，并把燃烧热及时的 传递给物料；生料中的碳酸盐组分能否迅速的吸热、分解，逸出的二氧化碳能 含及时的排出。以上这些要求能否达到，又在很大程度上取决于炉内气、固流 动方式。对分解炉内气固分散过程的要求是迅速、充分、均匀的过程。目前采 取的有效分散措施大多以流体力学方法为主，利用旋流效应、喷腾效应、流态 化效应、湍流效应、粉体冲击效应等来达到分散的目的。而这些效应无一例外 不与结构有关，因此合理的结构设计和工艺过程控制是实现上述目的唯一途径。 实践经验证明，合理的流型对分解炉功能发挥有明显的作用，近年来各种 新型分解炉的研制，分解炉结构上的各种变化，都是围着组织合理的流场这个 目的进行的。 目前投产使用的分解炉类型多达3 0 种以上，其分类按炉内气流的主要运动 形式划分主要有旋风式、喷腾式、悬浮式和沸腾式四种。生料及燃料在分解炉 内分别依靠“旋风效应”、“喷腾效应”、“悬浮效应”及“流化效应”高度分教 于气流之中，并滞后于气流运动，从而增加物料与气流间的接触面积，延长物 料在分解炉内的停留时间，达到提高燃烧效率、热交换效率及入窑生料分解率 的目的。目前应用比较广泛的炉型如强化悬浮式分解炉( r s p ) 、双喷腾分解炉 ( d d ) 等均是采用将多种运动形式相结合的复合型分解炉。 武汉理工大学硕士学位 a 文 1 2 国内外分解炉的研究现状 水泥分解炉承担着繁重的燃烧、换热和碳酸赫分解的任务，其内部的物理 化学过程十分复杂。炉内为气一固两丰 的输运、混合、分散、换热和化学反应 以及两相间的彼此制约和相互作用等物理化学过程的复杂流场，其复杂的流 动特性决定了炉内煤粉燃烧和生料分解的效果。一方面炉内的物料分布是否 均匀、物料在炉内的停留时间跃短等和气体流动有很大的关系：另一方面， 二、二次风的合理配合对稳定燃烧和提高燃烧效率也有积极影u 向。由于分解 炉内部的这种复杂性，也导致分解炉的研究和开发任务十分艰巨；也正是这 种复杂性，使得传统的研究方法受到严峻的挑战，选择先进的研究方法就显 得十分重要。 对于分解炉的研究，传统的方法有理论分析、模拟实验”“和热工标定等。 由于受测试手段、测试方法的限制，难于获得分解炉内真实、全面的信息， 同时所需的大量财力和人力的投入使得这种研究十分不经济。近年来，随着 计算机技术、计算方法，特别是计算流体力学及其相关算法的不断发展，采 用计算流体动力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a f 1u jdd y n a m ic s ) 进行数值模拟的新 方法在丁程研究领域得到了越来越多的应用。c f d 是一种计算机模拟技术，集 流体力学、数值计算方法和计算机图像学于体，现将对工程中的流体流动、 传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值预测及r 程应用一般简称为c f d 技术。 c f d 方法采用计算机模拟来研究工程问题，和传统研究手段相比，具有投资省， 周期短的优点。为了给分解炉的研究提供更多的信息和更便捷的手段，应用 c f d 技术对分解炉内的复杂流场进行数值模拟以其节省时间、节省人力物力、 适应多可变因素、了解信息充分全面等诸多有利因素越来越被人们所重视“。 目前，在国内外，已有一些科研工作者将c f d 技术引入了分解炉的研究 中，并取得了一定的成就。目前，针对分解炉内流场在数值模拟方面的研究 进展分别如f ： 在国内：济南大学的赵蔚琳”。1 “等人对实际运行着的f l s 、d d 分解炉内二 维气相流场进行数值模拟，给出了炉内速度分布规律，并与冷模试验结果进 行比较，揭示了分解炉内气相流场特性。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，提出两种数学模型，为优化分解炉结构 武汉理t 大学硕士学位论文 设计提供了理论依掘。南京水泥工业设计研究院王超群”2 1 等人则针对双喷腾 分解炉内的：维流场进行了数值模拟，定性的分析了分解炉内流动特征。王 超群“还采用k e a p 两相湍流模型对一种新型的喷腾分解炉内的气一固两相 流动特性进行了数值模拟。模拟结果表明，采用喷腾型分解炉并采用加速射 流改善炉内气流速度及物料浓度分布的方法是行之有效的。武汉理t 大学的 王家楣、肖国权”4 ”1 等人采用c f d 通用软件f l u e n t 针对某大型高性能分解炉 的实际尺寸，对分解炉内的气网两相流场进行了数值模拟，计算所得的速度、 压力分布与该炉热i j 标定的结果以及其实际运行的性能较符合。武汉理工大 学的李建锡”7 】对分解炉中煤的着火及燃烧特点进行了理论研究与分析。结果 表明：在同一气流温度条件下，燃烧并存两种分离的稳定燃烧状态及煤粒表面 温度，一种受化学反应控制，媒粒温度接近气流温度，燃烧速率较低，另一 种受扩散控制，煤粒表面温度较高，燃烧速率也高，并得出了分解炉中煤的 燃烧以扩散控制为丰的结论。武汉理工大学的谢峻林、梅书霞“”等人针对华 新宜都水泥厂的分解炉建立数学模型，采用简化的p d f 反应模型，对煤在分 解炉内的燃烧过程进行了数值模拟计算结果揭示了挥发分释放与燃烧的过 程，剖析了焦炭的燃烧机理，为煤粉在分解炉内的优化燃烧提供了重要的理 论参考依据。南京工业大学的叶旭初、李祥东“等人以现有的c f d 通用软件 c f x 为基础，解决了c f d 技术应用 二分解炉数值模拟时所面临的三个关键问题， 即颗粒种类的识别、不同种类颗粒的处理方法以及系统质量和能量的平衡关 系，开发r 一套适用于分解炉内煤粉燃烧和碳酸盐分解反应的数值计算软件。 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的陆继东、黄来、吴君棋”2 。2 ”等人对双喷 腾分解炉的流场数值进行了较为系统的数值模拟研究。吴君棋、陆继东等人 应用重整化群k e 模型对炉内三维( 非轴对称) 气相湍流流场进行数值模拟， 通过改变分解炉的中部缩口尺寸、上部柱体尺寸和下部柱体尺寸的结构参数 以及入口气流的流速，在不同条件下的到了炉内流场的分布情况，并将模拟 结果与工程应用中的分解炉进行了比较，定性符合炉内流动特征。黄来、陆 继东等人对炉内气一固两相流场进行了数值模拟，气相在欧拉坐标系下采用k e 双方程模型表示，固相颗粒在l a g r a n g e 坐标系下采用随机轨道模型表示， 模拟的结果预测了分解炉内气固两相流动规律，为分析炉内的气一固运动规 律和预测固体颗粒在炉内的停留时间提供了有利信息。黄来、陆继东等深入 研究和分析了双喷腾分解炉中气体成分来源对煤粉燃尽率和碳酸钙分解率之 武汉理上大学硕上学位论文 间的影响关系，在前人研究的基础上运用适用于工业研究的碳酸钙分解模型， 数值模拟求解了煤粉总体燃尽率和碳酸钙总体分解率，提出了一种预测分解 炉内不同来源气体成分分布的方法，为z _ q k 研究分解炉中煤粉燃烧和碳酸钙 分解问题提供了理论依据。在上述研究的基础。卜- ，黄柬、陆继东等人还对炉 内的煤粉燃烧和碳酸钙分解耦合过程进行了分析和数值模拟研究，分析了煤 粉燃烧和碳酸钙分解之间的质量和能量的耦合问题，运用适用于工业研究的 碳酸钙分解模型，对其传质传热过程进行r 深入分析，推导的混合分数及其 输运方程中的源项表达式可以并j 来模拟分解炉内的煤粉燃烧和碳酸钙分解祸 合作用，得到的温度分布和气体组分质量分数的分布也是比较合理的。模拟 结果町以定性地描述分解炉实际生产过程中的内部过程，为分析分解炉内煤 粉燃烧和碳酸钙分解耦合作用提供了有利的理论依据和分析手段。在国外： 国际水泥著名公司p o ly s i u s 公司也已经将c f d 技术应用十低阻高效旋风预 热器的开发设计研究中”“。h e l l e n i e 水泥研究中心的v o f ie k o l y f e t i s ”等应 用窄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 eg j e n k s 在分解炉的设计中也应用p i t 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。d g i d d i n g s ”“采用数值的方法模拟了 分解炉内的燃烧和分解过程，得到的煤粉燃尽率和生料分解率。 总的看来，由于分解炉内为气一固输送、混合、分散、换热和化学反应并且 伴随颗粒粒径、气一固流量、温度、压力等因素的复杂变化，而上述功能和变化 又彼此制约和相互作用，这就使得分解炉内的物理化学过程十分复杂。目前针 对各种大型分解炉内流场的数值模拟，研究较深入完整的并不多见，特别是对 于应用广泛而结构较复杂的强化悬浮式( r e i n f o r c e ds u s p e n s i o np r e c a l c i n e r ， r s p ) 分解炉，目前并未见成功的模拟报道。 1 3 本文研究目的和意义 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 武汉理工人学硕上学悔论文 提供参数，为安全、高效生产提供信息。本课题有重要的理论和实用意义，具 体如下： ( ”对分解炉进行c f d 数值模拟能够指导分解炉的开发 目前开发一种新的分解炉炉型的基本过程是根据具体条件确定技术方案， 按照相似理论原理制作模型，在实验室进行单相和多相的冷态模型实验，以确 定不同参数对分解炉内气、固两相流动过程的影响因素，最后优化结构，放大 尺寸进行热态工业实验。这一过程需通常需要几年时间_ 才能完成，而且还需要 投入大量的人力物力。采用数值模拟和实验相结合的方法，可以降低可以大大缩 短研发周期、减少研发成本。 ( 2 ) 对分解炉进行c f d 数值模拟能够优化分解炉的结构和性能 分解炉设计的传统方法基本上是采用经验数据和简单计算的方法通过几何 上的放大或缩小来实现设备规格( 如产量等) 上的变化，但随着经济的发展， 巾场对产：品规格的需求趋于多样化，单凭经验数据实现产品规格上的变化已远 不能满足市场的需求；另一方面，任何设备规格上的变化都必然导致系统发生 或多或少的变化，这时就要求研究人员对设备系统的内在规律性有一个比较深 的把握。采用数值模拟的方法，不仅可以降低对经验的依赖性，还可以提高结 构的合理性。 ( 3 ) 对分解炉进 j ：c f d 数值模拟对水泥生产具有实际的指导意义 通过c f d 数值模拟，还可以得出风速、压力、煤粉燃烬率和气体成分等诸 多水泥生产厂家感兴趣的参数，为指导实际的生产操作提供理论依据。 1 4 论文所研究的主要内容 本文采用了c f d 数值模拟的方法对用于2 5 0 0 t d 新型干法水泥生产线上的 强化悬浮式分解炉( r s p ) 型分解炉内流场进行研究，主要工作包括以f 儿个方 面： ( 1 ) 根据用于2 5 0 0 t d 新型干法水泥生产线上的r s p 型分解炉的实际工作条 件和要求，建立系统几何模型、生成计算网格、确定计算边界条件、流 动状态。 ( 2 ) 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。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 存气相流场模拟的基础卜，应用多相流理论，对r s p 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。 ( 4 ) 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，对煤粉在分解炉内的燃烧过程进行了初步探讨。 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章r s p 型分解炉几何建模与网格生成 采用c f d 数值模拟研究流动问题的第一步就是将计箅区域进行离散化，也 即对流体区域生成计算网格，其主要包括几何建模和网格生成两部分内容。本 章主要就是完成这两部分内容，目的是完成数值求解的前处理工作。 2 1r s p 型分解炉简介 r s p 是强化悬浮预热器的英文名称r e i n f o r c e ds u s p e n s i o np r e h e a t e r 的 缩写，它是日本小野田水泥公司与川琦蕈f 业公司共同研制的，应用十分，“泛 是目前分解炉的常用炉型之一。 21 1 r s p 分解炉炉型分析 r s p 炉是国际卜研制开发较早的炉型。其整体结构合理。最早的涡旋燃烧 事( s b ) 内喷有燃油，使之在二次风中涡旋点火，在烧煤后亦可用于提高风温 有利于煤粉迅速点火燃烧：三次风从涡旋分解室( s c ) 上部以切线方向进入； 从上级旋风筒来的生料，在三次风入口卜部经撒料板分散后随三次风入s c 室内。 由于三次风的涡旋作用，沿s c 室断面上，生料粉的浓度由中心至边缘递增，这 样在s c 室中心部分形成一个物料特稀浓度区，既有利于生料粉对炉壁耐火材料 的保护，又有利于燃料在纯净的三次风中燃烧。但从换热角度来看，对s c 室内 的气固换热则是不利的。尚未完全燃烧的燃料及未及完全分解的生料随s c 室断 面风速1 0 一1 2m s 的气固流经斜烟道一起进入混合室( m c ) ，再同从窑尾烟室 经炉下缩口喷腾向上的窑烟气会合，存m c 室内进一步燃烧分解。这种“两步到 位”的燃烧和分解模式，对于充分利用窑气中的热焓及过剩0 。都是有利的。因 此，无论从燃料燃烧动力学方面还足从气固换热的热力学方面分析，这种s b 、 s c 、m c 三室匹配的结构，都有其独特之处。 从结构分析来看，s b 室的主要功能在于加速燃料起火预燃；s c 室的作用在 于燃料在三次风中迅速裂解，加速燃烧进程，而对生料碳酸盐分解来说要求是 不高的，一一般来说入m c 室生料分解率仅有3 5 一4 5 ；m c 室则是完成燃料燃烧 武汉理工人学硕士学位论文 及牛料分解的最后部位，在m c 室气固流喷旋叠加流场作用下，分散均布较好 换热传质效果亦佳。由上可见，三个室之间尤其s c 室及m c 室间的合理匹配， 对于r s p 炉设计十分重要。s c 室三次风涡旋强度、s c 室入m c 室气固旋流与m c 室窑气喷腾流之间的合理匹配，对_ 丁s c 室以及们室的i 维流场是否合理都有 着重要影响。设计中也必须重视这些问题。 r s p 炉的缺点在于系统结构比较复杂，如二次风入口较高，且多点入炉等( 较 小炉型两处入炉，即s b 室一个、s c 室一个；较大炉型则三处入炉，及s b 室 个，s c 室两个) 等。再者，由于i 次风涡旋进入s c 室，气固流涡旋强度过大， 将造成系统阻力较大，电耗增加。此外，喷旋叠加作用匹配不当，如s c 窀涡旋 强度过大，将会造成由s c 室进入m c 室气圃流“旋流后效应”，使m c 室内：三维 流场欠佳，进而影响m c 室的传热、传质效果。这些也是在r s p 炉设计中应该加 以注意的。”。 2 1 2r s p 分解炉的主要特点 1 、r s p 炉主要由涡流燃烧室s b ( s w i r lb u r n e r ) ，涡流分解室s c ( s w i r i c a l c i n e t ) ，及混合室m c ( m i x i n gc h a m b e r ) 三部分组成。在窑尾烟室与m c 室之 f h j 没有缩口以平衡窑与分解炉之间的压力，缩r 处风速一般为5 0 一6 0m s ，负 压为0 8 1 0k p a 。 2 、从冷却机抽来的三次风以大约3 0m s 的速度从s c 室上部切向吹入炉中。 从上一级旋风筒来的生料，在三次风入炉前喂入气流中，并在该处设肓撒料器， 使风、料混合入炉。 3 、烧油时，在三次风入口下部，沿s c 室周围设有四个喷油燃烧器。烧煤 时，仅有一个喷煤燃烧器从s b 室上部伸入，燃烧器插入深度与s c 室顶部平齐。 煤燃烧器用耐热钢制成，结构简单，一次风占分解炉三次风总量的l o 一【5 。 可在喷煤管内部设置风翅，将煤粉以3 0m s 速度从上部呈涡旋状喷入，使煤粉 易于分散，有利燃烧。煤风旋转方向应同s c 室气流旋向相反。 4 、s b 室内的主燃烧器旁设有辅助燃烧喷嘴，做点火之用。由于s b 室很小， 温度易于升高，当喷入的煤粉燃烧，喷嘴着火后，即停止供应辅助喷嘴燃料。 5 、在s c 室内，煤粉与新鲜三次风混合燃烧，故燃烧速度较快，反应温度 及容积热负荷较高，一般在s c 窜进入m c 室的生料分解率可达4 0 ，s c 室内截 9 武汉理工大学硕士学位论文 面风速为1 0 一1 2m s 。 6 、由s c 室出来的热气流、生料粉及未完全燃烧的燃料进入m c 率后，与呈 喷腾状态进入的高温窑烟气相混合，此时燃料继续燃烧，生料进一步分解， 室截面风速为8 一1 2m s 。 7 、r s p 炉内既有较强烈的旋转运动，又有喷腾运动。由于物料随三次风以 涡旋状态进入s c 室，有利于保护炉内温度的均匀分布及保护炉壁。同时南于窑 气以较高速度进入m c 室，形成喷腾运动，并且由于m c 室截面较大，风速降低， 这既有利于物料的继续加热分解又有利于延长物料及燃料住炉内的停滞时间， 适合于低质燃料的完全燃烧。 8 、由于烧油时，燃油可基本上在s c 室内完全燃烧，而烧煤时，相当数量 的煤粉要到m c 室燃烧，甚至部分要在旋风筒内燃烧，从而使最低级及最高 级旋风筒出口气体温度升高，故燃煤时的热耗较烧油时要增高5 一8 。 9 、r s p 炉分s b 、s c 、m c 三个部分，并且三次风分别从s b 室及s c 窜多处导 入，窑与m c 窀之间又设有缩口，故结构比较复杂系统通风调节比较困难，通 风阻力也较人。 2 1 3 提高分解炉性能的主要方法 在分解炉的设计中，通常在以卜方面来进行改进，以提高分解炉的性能： 1 适当扩大炉容，延长气流在炉内的停滞时间( tg ) ： 2 改进炉的结构，使炉内具有合理的三维流场，力求提高炉内气、固滞留 时间比( kt =ts tg ) ，延长物料在炉内停浠时间( ts 1 ： 3 保证物料向炉内均匀喂料，并做到物料入炉后，尽快分散均布； 4 改进燃料燃烧器型式与结构，以及合理布局，使燃料入炉后尽快点燃； 5 ，f 料、下煤点及三次风之间布局的合理匹配，以有利于燃料起火、燃烧 和碳酸盐的分解； 6 根据需要，选择分解炉在预分解窑系统的最优部位、布置和流程，有利 于分解炉功能的充分发挥，提高全系统功效等。 o 武汉理1 。大学硕士学位论文 2 2 r s p 型分解炉的几何建模 本文研究的是日产2 5 0 0 吨r s p 型分解炉。几何建模工具采用的是f i 前比较 流行的大型三维c a d 软件包p r o e n g i n e e r 。几何模型的建立是依据中国建材建 设有限公司提供的2 5 0 0 吨r s p 型分解炉的平面设计图纸。数值模拟的计算域为 炉内的流动空间，彳i 涉及到分解炉的耐火及保温层。根据实际图纸，取分解炉 的内空尺寸，生成分解炉的三维几何模型，如图2 一l 、22 所示。 图21 分解炉结构示意图 窑气入口 图2 - 2 分解炉局部放大示意吲 武汉理工大学硕士学位论文 从上述几何模犁的建立过程来看，本文的计算是对燃烧室流场真实几何形 状的三维模拟，所建市的几何模型包含了原始模型的几乎所有特征。由于几何 模型与实体几乎没有差别保证了计算结果的准确性和计算模型在丁程上的实 用性。 本分解炉共有五个入r 】、一个出口。入口包括一次风和燃料入l 、窑气入 口、三次风入口，以及由c 4 进入的两个物料入口。其总高为5 6 5 3 m ，管道直径 为3 8 3m 。该分解炉是一种“喷旋结合”的分解炉。窑尾烟气从分解炉的下部 窑气入口喷入，由于下部缩口的存在，形成喷腾效应。三次风由切向吹入涡旋 分解室( s w ir lc a l c ir l s r ，s c ) ，在s c 室内形成强旋流效应。c 4 旋风简流出的 物料经分料阀分成两部分分别由位于s c 室上的下料口( 2 ) 和混合室( m i x e d c h a m b e r ，m c ) 上的下料口( 1 ) 进入分解炉。煤粉由位于涡旋燃烧室( s w ir 1 b u r n e r ，s b ) 的顶部的入1 3 进入。物料在分解炉分解后由出口流入c 5 旋风筒。 2 3 网格生成技术基础 在计算流体动力学中，按照一定规律分布于流场中的离散点的集合叫网格， 分布这些网格节点的过程叫网格生成。网格生成对c f d 至关重要，直接关系到 c f d 计算问题的成败。随着c f d 在实际1 。程设计中的深入应用，所面临的几何外 形和流场变得越来越复杂，网格生成作为整个计算分析过程中的首要部分，也 变得越来越困难，它所需的人力时间已达到个计算任务全部人力时间的6 0 左右。可见网格生成是c f d 作为空气动力学工程应用的有效1 ：具所面临的关键 技术之一。 为易于较准确的满足边界条件，传统的做法是形成贴体( 单域) 的计算网格。 随外形复杂程度的提高形成单域贴体的计算网格更加困难，即使勉强生成，网 格质量不能保证，也影响流场数值求解的效果。为此，近些年来发展了不少新 的网格生成方法，主要有分区结构网格、非结构网格和自适应笛卡尔网格等。 2 3 1 分区结构网格方法 分区结构网格方法是将原始的物理区域根据外形的特点将总体流场分成 2 武汉理工大学硕士学位论文 若于个子域，对每个子域分别建立网格，并在其中对流动主控方程求解，各了 域的解在相邻子域边界处通过耦合条件来实现光滑。区域分解的基本原则是： 尽量使每个子域的边界简单以便于网格的建立；各子域大小也尽量相同以实现 计算负载的平衡，这一点对十并行计算尤为重要。 分区网格又分为各子域无重叠部分的分区对接刚格和相邻区域有重叠部分 的分区重叠网格两种。它们都属于分区网格生成方法，且与流场的分区计算方 法以及并行计算方法密切相关，并构成这些算法的基础。对丁二分区对接网格方 法，虽然网格块之间的关系和数据交换比较简单，但相连网格块之间必须共用 网格线( 二维) 或网格面( 三维) ，为了提高计算的精度，要求块与块之间的连 接应尽量光滑，这给网格生成带来诸多限制和不便。分区重叠网格与分区对接 网格相比，由于不要求各子域共享边界，大大减轻了各区自身网格生成的难度。 重叠网格已被成功地推广应用于三维复杂外形的绕流计算，但其本身仍有一些 不足之处。首先，重叠区数据的插值精度直接影响计算结果的精度和收敛性。 目前常采用的是线性插值。在大梯度区用线性插值显然不能满足需求，而且复 杂流动的物理量大梯度区往往事先无法确定，重叠区内出现物理量大梯度变化 是极有可能的。其次，重叠网格间的通量守恒性也难以严格保证。 232 非结构网格方法 非结构网格方法是最近应用比较广泛的一种复杂外形网格生成方法，它的 基本思想是利用三角形( 二维) 或四面体( 三维) 在定义复杂外形时的灵活性， 以d e l a u n a y 法或阵面推进法为基础，全部采用三角形( 四面体) 来填充二维( 三 维) 空i n j ，它消除了结构网格中节点的结构性限制，节点和单元的分布口j 控性 好，因而能较好地处理边界，对复杂外形的适应能力非常强。 非结构网格具有以下显著优点：一是它舍去了网格节点的结构性限制，易 于控制网格单元的大小、形状及网格点的位置，因此它比结构网格具有更大的 灵活性，对复杂外形的适应能力非常强；二是随机的数据结构非常利于进行网 格自适应。一旦在边界上指定网格的分布，在边界之间可以自动生成网格，无 需分块或用户的干预，而且不需要在子域之间传递信息。三是在网格生成过程 中，采用了一定的标准来进行优化判定，因而能生成高质量的网格，且很容易 控制网格大小和节点的疏密。由于，卜述独特的优点，非结构网格技术备受关注， 武汉