工業鍋爐的CFD模擬與優化

劉欣欣

（商洛學院城鄉規劃與建筑工程學院，陜西商洛726000）

燃燒是諸多材料制備生長過程中必經的階段，在金屬冶煉、化工肥料、燃料電池等諸多領域中都有涉及[1-3]。燃燒過程包括各種物理現象：傳熱、流體流動、化學反應和其他復雜的過程。作為一般燃燒過程所采用的發生器（鍋爐），其在運轉過程中涉及的傳熱傳質過程很難采用實驗手段進行監測，因此，數值模擬的發展為研究和分析這類問題，特別是傳熱應用提供了一種有效的解決方案。計算流體動力學（CFD）目前在涉及流場變化的燃燒現象過程中發揮著非常大的作用。事實上，計算流體力學（CFD）可以研究鍋爐全容積內的湍流和組份傳輸現象，同時還可以優化幾何參數和運行條件，以提高燃燒反應和鍋爐效率，降低損失。近幾十年來，為了研究不同類型的鍋爐在不同工業應用中的燃燒情況，各國科學家開展了多項CFD研究工作，采用CFD方法對大型和小型鍋爐的生物質燃燒進行了大量研究[4-6]。

本文對硫酸工業的冶煉鍋爐（如圖1所示）進行分析，研究了工業鍋爐的燃燒情況，對流體流動特性，如溫度、速度場、密度，進行綜合分析。為鍋爐的優化設計提供理論依據。

圖1 工業鍋爐

1 數值模擬

1.1 幾何模型

圖2 所示為工業鍋爐優化前后幾何模型，優化的模型主要在靠近進口處增加一個氣流擋板，所建立的模型采用工業實際尺寸，內部腔體為直徑3 890 mm的圓柱，總長14 181mm，空氣和硫磺入口內徑分別為600 mm 和100 mm，出口內徑為1 768 mm。鍋爐設有三個擋板[7-8]。

1.2 邊界設置

對分析模型設定邊界條件，硫磺粉體入口設置為速度進口，溫度為413 K，進口速度為5.55 m/s，設置空氣進口為壓力進口（Pressure-inlet），出口為壓力出口（Pressure-outlet），詳細參數如表1所示。

圖2 工業鍋爐優化前后幾何模型

圖3 優化前后爐體溫度場分布

圖4 優化前后爐體速度場分布

表1 邊界條件

2 結果與討論

2.1 溫度場模擬

圖3為優化前后爐體內溫度場分布圖，從圖3中可以看出在未優化的鍋爐內，硫磺進口處及擋板周圍的溫度分布較高，鍋爐內燃燒反應主要發生于爐體中部，溫度隨液體沿鍋爐流動而緩慢下降，由于原始爐體的設計使得進口處溫度和燃燒反應區的溫度基本相同，這樣對于進口管來說，長期使用會造成一定的損耗。對爐體進行優化，在進口處底部增加一個擋板，縮短原始爐體進口處頂部擋板尺寸長度，同時在靠近出口處頂部增加一個擋板，這樣使得進氣口氣流在擋板擾動下更加均勻。從圖3（b）可以看出進口區域溫度明顯下降，出口擋板的設置使得熱流進行回流，從而起到保溫的作用。

2.2 速度場模擬

圖4為優化前后爐體速度場分布，從圖4中可以看出擋板的設置使得進口處的燃料硫粉蒸汽產生回流，此時從截面圖來看，進口處x=1.4m處優化后的速度場出現了彌散的情況，而隨著靠近出氣口速度場逐漸增加而減小。從速度矢量圖來看，擋板處產生明顯的回流圈，回流圈的出現使得爐體內的速度場更加的均勻。經過優化后的爐體燃燒區域的速度場基本維持在54 m/s以下，相比未經優化的爐體其燃燒部位速度場更加均勻，均勻的溫度場有助于反應的穩定。

3 結 論

采用Ansys-Fluent 流體計算軟件，對硫酸工業爐的溫度場及速度場進行模擬分析，進而對傳統工業爐進行優化設計，通過增加擋板使得進口處溫度減小，整體鍋爐內溫度場及速度場分布更加均勻。