轉速對油基鉆屑熱解爐溫度場影響的數值模擬

2019-03-18 08:19:18徐千芃文遠高夏世斌

油氣田環境保護 2019年1期

徐千芃文遠高夏世斌

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院；2.武漢理工大學資源與環境工程學院)

0 引言

隨著能源危機問題的升級，頁巖氣作為一種新興的化石能源廣泛受到各界關注，頁巖氣開采過程中隨著油基鉆井液的循環使用，帶回地面的過程中會產生油基鉆屑[1]。油基鉆屑主要來源于被鉆碎的巖層巖屑，主要含有烴類化合物、重金屬、二氧化硅，以及油基鉆井液中添加的各種化學試劑，如絮凝劑、乳化劑、加重劑等。油基鉆屑已被國家列為危險廢物(HW08)，如果未經過處理直接排放，將會對環境造成危害[2-3]。

油基鉆屑資源化處理已經成為頁巖氣開采環節中不可或缺的一環。目前國內外對于油基鉆屑資源化處理多采用化學萃取法、固化法、焚燒法、微生物法、熱解工藝法等方式，化學萃取法處理徹底但成本較高、并且工藝較為復雜，剩余污泥量較大；焚燒法無法回收原油而容易造成資源浪費，并且處理過程中容易產生有毒物質污染周圍環境；微生物法處理周期過長并且由于技術的限制，無法投入大規模的實際生產應用當中[4]。熱解法作為近年來廣泛使用的一種固廢處理工藝，具有熱解處理效果好，油分回收率高等優點，熱解產物進行冷凝分離后，熱解油被回收利用，不冷凝氣可回收作為熱源的燃料，而處理殘渣已達到國家環保相關標準，可作為生態建材、陶瓷濾料的生產材料[5]。

隨著技術的發展，油基鉆屑熱解裝置有許多不同的形式，根據加熱方式可分為外熱式和內熱式；根據裝置固定情況可分為固定式與回轉式；根據放置方式的不同可分為臥式與立式[6]，國內外有關不同油基鉆屑熱解裝置其熱解效果的研究方興未艾，但針對外熱回轉式熱解裝置內溫度場情況進行CFD數值模擬的研究仍有欠缺[7-8]。

本研究利用ANSYS Fluent軟件對外熱回轉式油基鉆屑熱解爐運行時的溫度場進行數值模擬，研究了不同回轉速度下熱解爐內溫度分布情況，探究物料、爐內氣體溫度分布特點，尋求最優熱解效果時的工藝條件，對提高油基鉆屑資源化處理效果提供了有益的參考。

1 數值模擬與計算方法

1.1 研究對象與幾何模型

本研究模擬計算的回轉窯主體包含傾斜的回轉窯體、固定構件、旋轉齒輪以及物料進出口等，簡化模型如圖1所示。物料通過料斗進入高溫窯體內，通過重力以及回轉作用，緩慢從窯尾向窯頭運動，因數值模擬主要針對窯體換熱段，故不考慮窯體外壁加熱階段和物料進入以及輸出過程。窯口半徑0.45m，窯體全長6m,左端設置正方形物料入口，邊長為0.25m，窯體放置傾斜角為1°。

圖1 回轉窯模型示意

1.2 計算模型與邊界條件

由于油基鉆屑從進料到出料是一個溫度不斷變化的過程，所以采用非穩態模擬方法，物料運動時間為3 600s，時間步長為1s，內部流場采用壓力速度耦合型simple算法，考慮到近壁面等低雷諾數區域RNGK-ε湍流模型的流動黏性解析公式更能準確反映流動狀況從而提高模擬準確性，所以湍流模型選用RNGK-ε模型[9]，輻射模型采用P1輻射模型，具體求解控制方程如下[10]：

質量守恒方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(5)

式中：E為流體微團的總能(J/kg)，包含內能、動能和勢能之和；hj為組分j的焓值(J/kg)；keff為有效熱傳導系數(W/(m·K))；Jj為組分j的擴散通量；Sh為化學反應熱及其他自定義體積熱源項。由于油基鉆屑熱解過程涉及的化學反應以及傳熱過程極為復雜[11]，為了模擬計算求解的順利進行，對模型進行如下簡化：

油基鉆屑復雜組分以正辛烷以及正十六烷代替，分別代表小分子烷烴以及大分子烷烴，不考慮其他化學組分；

回轉窯壁厚忽略不計，并假設為理想定壁溫情況；

不考慮組分在高溫情況下發生的相變揮發。

油基鉆屑入口采用速度入口，參照設計要求，流速為0.0016m/s，進料溫度300K，正辛烷質量分數為70%，正十六烷為30%，出口采用自由出流，回轉窯壁面采用定壁溫條件，結合相關實驗結果與文獻，壁面溫度定為673K，回轉窯內部初始狀態時填充氮氣與油基鉆屑，油基鉆屑填充率為0.15。回轉速度以0.01rad/s為梯度，對固定式即回轉轉速為0至0.04rad/s五種不同工況進行數值模擬分析。

2 數值模擬結果分析

2.1 結果準備性驗證

張宏麟曾對水泥回轉窯內部傳熱特性及流場做了一定的分析[12]，其模擬了回轉速度0.22rad/s時回轉窯內部溫度分布情況，取其結果進行對比作為模擬結果準確性的準備性驗證，結果如圖2(由于參考對象與模擬對象長度不一致，所以窯體長度表示當前位置占全長的比例)。

圖2 結果準備性驗證對比

由圖2可以看出，兩者結果中的物料溫度變化趨勢大致相同，都為入口處有一溫度攀升階段，待加熱時間足夠長后，溫度較為穩定，接近出口處由于與外界設備相連存在一定的熱量交換，導致溫度存在略微的降幅。模擬結果準備性驗證為后階段模擬提供了一定的可靠性驗證，也為后階段研究不同轉速下的溫度場分布及實際工程應用提供了一定的指導。

2.2 回轉窯內溫度場分布

3 600 s(出料時刻)時不同回轉速度參數下沿X=0平面方向截面溫度云圖見圖3，其中Z表示沿爐長方向，Y表示豎直方向即重力方向。

由圖3可知，入口處由于油基鉆屑物料剛進入回轉窯熱解爐內導致局部溫度較低，回轉窯底部區域由于物料的堆積，溫度場顯著低于上方高溫氣體層，尾部由于與出料口連接造成一定的熱損失，與氣體回流導致溫度也顯著低于高溫氣體層，當窯體固定或窯體轉速較低，為0.01 rad/s與0.02 rad/s時，內部溫度場分層情況比較均勻，且回轉速度為0.02 rad/s時，溫度場低溫區域更小，即回轉窯內部換熱效果更好，熱解效果更佳，當回轉速度較快，為0.03 rad/s與0.04 rad/s時，內部溫度場特別是出料口附近更加紊亂。

圖3 3 600s時不同回轉速度下溫度云圖

2.3 油基鉆屑物料溫度分布

當填充率為0.15時，物料層高度h=0.41R,R為回轉窯內徑，取圖1截面中高度0.5h處沿Z軸方向溫度來表征回轉窯內油基鉆屑物料的溫度，沿軸線方向溫度分布如圖4。

圖4 3 600 s時不同轉速下油基鉆屑溫度分布

由圖4可知油基鉆屑進入回轉窯時，由于窯內氣體以及窯體內壁溫度很高，物料迅速升溫，當轉速較低時，經過迅速升溫段之后，物料溫度較為平緩，只在接近出口處會有小幅下降，且回轉速度為0.02 rad/s時，物料溫度略高于回轉速度為0.01 rad/s的工況，當窯體固定或轉速較大時，窯內物料混合不夠均勻或回轉速度過大導致內部物料運動過于劇烈，新進入的物料無法得到充分混合與加熱，導致存在一定的溫降區域，但隨著回轉運動的持續進行，物料總體溫度穩定上升，最終和低速回轉下的工況終溫接近。

2.4 油基鉆屑物料溫度隨時間變化

由上，0.02 rad/s回轉速度的工況下，內部溫度場分布較好，適宜油基鉆屑熱解的進行，故取此轉速下不同時刻窯內油基鉆屑溫度進行對比分析。由于此工況下除入口段溫度變化較小，便取沿Z軸方向油基鉆屑軸線溫度均值來表征每一時刻油基鉆屑溫度。油基鉆屑從入口進料到出口出料總共歷時3 600 s，每72s記錄一次回轉窯內溫度場分布數據，總共50組，油基鉆屑溫度隨時間變化曲線見圖5。