陶析環對設備流場影響的分析與研究

張春麗，楊麗君，趙旭，張萬堯，張曉陽，郭雨

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

1 CFD模型的建立

1.1 幾何模型

本數值模擬采用1:1的設備尺寸進行三維建模。容器流場主要尺寸：總長L=21.77m，直徑Φ=3.8m，模型的具體結構形式見圖1。其中進口參數煙氣流量為Q煙氣=205533m3/h，密度為ρ=0.25Kg/m3；煤粉顆粒流量為Q煤粉=100Kg/h，密度為ρ=1000Kg/m3,顆粒粒徑d=0.01mm。

經分析，采用離散相模型進行該噴過程的數值模擬。

1.2 計算模型

該過程連續相煙氣是一個可壓縮的內部流動，同時其與煤粉顆粒之間的相互作用不可忽略,鑒于此，計算時采用密度基雙耦合進行求解；另外，煙氣攜帶煤粉顆粒運動時，煙氣速度達到14.5m/s，雷諾數較高，故流動為湍流；考慮到在后燃室內，流動中的速度分量和熱力參數都隨時間而改變，因此該過程又是一個非定常流動過程。基于以上理論基礎，展開數值分析。

圖1 燃燒室三維模型

1.3 計算網格

依據前面分析，進行模型的網格劃分，采用Hex/Wedge網格。模型中同樣XY是截面方向,沿Z軸負方向是流體流動方向。為了比較兩種結構下的流場差別，除了工藝邊界相同外，所追蹤的顆粒數量也是一樣的，均為1416個粒子。

2 數學模型

該過程是一個氣流攜帶固體顆粒的噴射輸運過程，采用k～ε湍流模型,控制方程如下：

動量守恒方程：

3 有無陶析環時燃燒室內流場和顆粒停留時間分析

3.1 連續相煙氣的速度云圖

在焚燒爐內各物料達到穩定以后，煙氣作為連續相，其速度沿Z軸變化如圖2、3所示：無陶析環時整個速度變化不大，增設陶析環時速度有一定的湍流變化，但均在出口處（Z軸負方向）速度達到最大值。

圖2 無陶析環時煙氣沿Z軸方向速度變化圖

圖3 增設陶析環時煙氣沿Z軸方向速度變化圖

3.2 煤粉顆粒濃度分布

煤粉顆粒在焚燒爐內的濃度分布會直接影響其參與化學反應的程度，進而影響設備的生產能力，圖4是無陶析環時煤粉顆粒的濃度分布，從云圖上可以看出，顆粒最初是沿著入口平面下降的，逐漸擴展到后燃室的整個橫截面，顆粒濃度基本在5.51×10-4～1.1x10-3kg/m3，燃燒室中心局部顆粒濃度達到1.5×10-3kg/m3左右。

圖4 無陶析環時煤粉顆粒沿Z軸方向的濃度分布圖

圖5 是增設陶析環時，焚燒爐內顆粒濃度分布情況，可以看出濃度值基本在5.22×10-1kg/m3左右，在陶析環與壁面之間處有些顆粒濃度高達9.92～10.4kg/m3/s，說明該處是顆粒流動累積較多。看以看出增設套析環時，瞬態的顆粒濃度高出很多倍，有利于顆粒的充分燃燒。

圖5 有陶析環時煤粉顆粒沿Z軸方向的濃度分布圖及局部放大圖

3.3 煤粉顆粒停留時間

圖6 是無陶析環時煤粉顆粒的穩定停留時間，可以看出，煤粉顆粒的停留時間最大為4.5s，而且煤粉顆粒在焚燒爐的中下部停留時間較長，尤其是在底部。同時可以看出，停留時間在1s上顆粒主要分布在后燃室的中后部，而且在緊貼壁面處。

圖6 無陶析環時煤粉顆粒停留時間

圖7 是增設陶析環時煤粉顆粒的停留時間，可以看出，粒子的最大停留時間在t=24.8s，而最大停留時間范圍的粒子，隨著計算時間的增加，其停留時間也隨之增加。同時可以看出顆粒停留時間在t≥3s的粒子，其所占比例在60%左右，說明增設陶析環后大多數顆粒的停留時間都達到了3s以上。而停留時間t≥4.5s的顆粒較少，大概在15%左右。總體看，較沒有陶析環時60%的顆粒時間至少增加到3倍，而且主要是在焚燒爐中上部分布。

圖7 煤粉顆粒停留時間分布圖

3.4 煤粉單顆粒軌跡分析

為了更直觀地比較增設陶析環對流場的影響，針對典型的單個顆粒的軌跡進行截圖，如圖8所示，在無陶析環時，顆粒是沿直線下降的，顆粒之間的差別僅僅是沿著中心線還是貼壁運動。

圖8 無陶析環時單顆粒的典型運動軌跡

圖9 是增設陶析環時單個顆粒的典型的運動軌跡，可以看出在陶析環附近，顆粒運動形成渦流，擾動很大，與無陶析環時差別很大，勢必造成顆粒停留時間增大，有的顆粒甚至在陶析環的死角處一直旋流，這些粒子就是被截流的，即是前面提到的會隨著計算時間的增加一直增加的粒子。

圖9 增設陶析環時單個顆粒的典型運動軌跡

4 陶析環直徑對流場的影響分析

為了比較陶析環直徑大小對顆粒停留時間的影響，建立了三種陶析環直徑模型，分別為Φ=2.2m，1.8m，1.2m。由數值模擬結果，可以得到直徑Φ=2.2m時停留3s所占的百分比較小，主要是因為顆粒的湍流擾動較小；直徑Φ=1.2m時停留3s所占的百分比較直徑Φ=1.8m時較小，主要是因為陶析環處的擾動過大時，會造成顆粒的速度也較大，對獲得較大的停留時間是不利的，因此，陶析環的直徑不宜過大或過小。

5 結語

本文通過對焚燒爐內有無陶析環的顆粒流場進行冷態數值模擬與分析，發現增設陶析環結構時，顆粒的運動軌跡擾動很大，相應焚燒爐內顆粒濃度和顆粒停留時間都大大加長；通過對比不同大小的陶析環，發現陶析環直徑過大或過小均不利于增大顆粒停留時間，因此是在增設陶析環的同時，選擇最佳直徑將很大程度上提高顆粒在燃燒室內的停留時間，使燃燒更充分，提高燃燒效率。