1 前言

    預(yù)熱器是回轉(zhuǎn)窯煅燒活性石灰的關(guān)鍵設(shè)備之一，回轉(zhuǎn)窯的窯尾煙氣在預(yù)熱器內(nèi)和石灰石完成熱交換，以達到降低煙氣的排放溫度，提高石灰石進窯溫度的目的。但在實際生產(chǎn)過程中，預(yù)熱器內(nèi)石灰石受熱不均，不僅造成窯尾煙氣排放溫度過高，而且石灰煅燒質(zhì)量也不穩(wěn)定。

    目前也有針對預(yù)熱器內(nèi)部流場分布的研究，但是并沒有考慮石灰石在預(yù)熱器內(nèi)部堆積的無序性對煙氣流動的影響，所以其對預(yù)熱器內(nèi)煙氣流動的模擬分析參考價值不大。筆者嘗試使用流體分析軟件FLUENT和離散元EDEM顆粒軟件對預(yù)熱器內(nèi)窯尾煙氣進行氣固耦合模擬分析。

2 預(yù)熱器內(nèi)氣固耦合模擬分析

    2.1 FlLUENT和EDEM耦合模塊

    FLUENT和EDEM耦合方法的基本思路是：通過FLUENT求解流場，使用EDEM計算顆粒系統(tǒng)的運動受力情況，二者以一定的模型進行質(zhì)量、動量和能量等的傳遞，實現(xiàn)耦合。具體到本案例為離散元EDEM顆粒軟件生成石灰石顆粒并實際接近地填充預(yù)熱器中，顆粒之間形成的孔隙接近真實情況，EDEM經(jīng)過一定的計算時間步把顆粒計算結(jié)果輸入軟件FLUENT進行流體模擬計算，其計算迭代收斂后再把流體計算結(jié)果返回EDEM軟件計算顆粒運動情況，以此循環(huán)計算得到煙氣在物料中的運動情況。

    2.2 湍流模型的選擇

    煙氣在預(yù)熱器內(nèi)石灰石間流動時，其雷諾數(shù)約6500，遠大于臨界點2000～3000，因此煙氣在預(yù)熱器內(nèi)石灰石間的流動是以湍流為主。

    可實現(xiàn)k-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε二元方程模型的改進方案，是目前應(yīng)用最為廣泛的湍流模型，能有效地用于各種不同類型的流動模擬，包括射流和混合自動流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動等。因此綜合考慮穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和計算精度，該研究選用可實現(xiàn)k-ε模型分析預(yù)熱器內(nèi)部流場。

    2.3 邊界條件

    模擬分析以煙氣進入預(yù)熱器為邊界條件，進預(yù)熱器的煙氣流速為3.29m/s，溫度1050℃，煙氣出口壓力為-4500Pa，其他為自由邊界條件。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，無滑移邊界條件，壁面粗糙度0.5，石灰石的平均粒徑33mm，密度2900kg/m3。

    2.4 模型的建立和網(wǎng)格劃分

    預(yù)熱器內(nèi)石灰石的平均粒徑約33mm，在EDEM中簡化為球型顆粒。石灰石下落至預(yù)熱器內(nèi)過程如圖1～2所示。

圖1 石灰石填充預(yù)熱器過程

圖2 石灰石填充滿預(yù)熱器

    將預(yù)熱器三維模型進行網(wǎng)格劃分．網(wǎng)格單元采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 預(yù)熱器的有限元模型

    2.5 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

    將應(yīng)用EDEM軟件裝滿石灰石顆粒的預(yù)熱器和計算流體力學(xué)（CFD）軟件FLUENT進行氣固耦合模擬仿真。壓力一速度耦合方程采用貼體曲線坐標(biāo)系中的非交錯網(wǎng)格的簡式(simple)算法，壓力梯度項采用標(biāo)準(zhǔn)(standard)格式，使用默認的欠松弛因子，監(jiān)視收斂性判別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-4，初始化后對其進行迭代計算。

    模擬分析得到預(yù)熱器結(jié)構(gòu)一剖面的煙氣流線圖、速度分布云圖如圖4、5所示。

圖4 預(yù)熱器內(nèi)煙氣流線圖

圖5 預(yù)熱器內(nèi)煙氣速度分布圖

    從圖4可以看出，窯尾煙氣進入預(yù)熱器后，少量較高速度的在煙氣撞上接近預(yù)熱倉高度一半位置的預(yù)熱器外壁上，在推桿處形成渦流，推桿附近流線非常稀疏。從圖5也可以看出推桿附近大部分區(qū)域幾乎沒有煙氣流動，大部分煙氣沿外壁側(cè)上行至排煙口，沿最短路徑排出，在倉體的右側(cè)煙氣明顯較少。因此，在預(yù)熱器推桿和倉體上部煙氣的流速和流量都較小，這兩處石灰石顆粒的傳熱效果也較差。

3 預(yù)熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

    為了改善煙氣在預(yù)熱器內(nèi)的流動，擬采用在預(yù)熱器中下部增加導(dǎo)氣梁干涉預(yù)熱器內(nèi)煙氣流動的方法，避免推桿處煙氣渦流的產(chǎn)生。將加導(dǎo)氣梁的預(yù)熱器模型重新模擬分析，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 帶導(dǎo)氣梁預(yù)熱器內(nèi)煙氣流線圖

圖7 帶導(dǎo)氣梁預(yù)熱器內(nèi)煙氣速度分布圖

    由圖6可知，加導(dǎo)氣梁后，通過干擾煙氣的流動路徑，使得進入液壓推桿附近區(qū)域的煙氣流線明顯增多。對比圖4和圖6可以看出，左下側(cè)的煙氣流速明顯增加，使得此處物料的換熱效果得到改善。

    針對預(yù)熱器上部煙氣分布不均的情況，擬將懸掛裝置抬升，并使其和澆注料形成一定角度。這樣可使從回轉(zhuǎn)窯進入的煙氣在進入此區(qū)域后，經(jīng)懸掛裝置緩沖后，沿四周的澆注料反壓到石灰石料面上，從而擴大高溫?zé)煔飧浇鼌^(qū)域的影響程度。

圖8 懸掛抬升后預(yù)熱器內(nèi)煙氣流線圖

圖9 懸掛抬升后預(yù)熱器內(nèi)煙氣速度分布圖

    從圖8可以看出，將懸掛裝置抬升并與周邊澆注料形成一定角度后，煙氣通過該處時有向下運動并擴散的趨勢。對比圖5和圖9可以看出，低速煙氣區(qū)域明顯減少，擴大了煙氣和石灰石物料的熱交換范圍，提高了換熱效果，同時預(yù)熱效果更加均勻。

4 結(jié)論

    1）借助離散元軟件EDEM生成的近似生產(chǎn)實際的石灰石顆粒，更加真實的還原了石灰石在預(yù)熱器內(nèi)堆積的孔隙，然后使用流體分析軟件Fluent和離散元EDEM耦合模擬煙氣的流動，能夠更加接近實際和直觀的觀察到煙氣在預(yù)熱器內(nèi)流動情況，為設(shè)備的優(yōu)化及工藝操作的改進提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

    2）經(jīng)過優(yōu)化后的預(yù)熱器換熱效果明顯提高，從江陰某冶金石灰廠反饋的數(shù)據(jù)，煙氣從預(yù)熱器排出的平均溫度在200℃左右，較以前的250℃有明顯的改善，大大降低了產(chǎn)品的熱耗。

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本文標(biāo)題：基于FLUENT和EDEM的石灰預(yù)熱器氣固耦合模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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