王 慧 渾寶炬 夏新茹

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

低階煤管式氣流干燥過程的數(shù)值模擬*

王 慧 渾寶炬 夏新茹

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

管式氣流干燥技術(shù)是當前低階煤干燥提質(zhì)的主流技術(shù)之一，具有干燥效率高、設(shè)備簡單等優(yōu)點。為研究低階煤在氣流干燥過程中的傳熱、傳質(zhì)情況，對其中的倒U型干燥管采用Fluent軟件進行了氣固兩相流的數(shù)值模擬，結(jié)果表明：熱煙氣和低階煤顆粒在干燥管的彎管部位傳熱最好，改變進口熱煙氣溫度有助于兩者之間的換熱。

管式氣流干燥 低階煤 干燥提質(zhì)技術(shù) 數(shù)值模擬 Fluent

低階煤是低變質(zhì)程度的煤，其灰分、含硫量低，密度小，黏結(jié)性差，揮發(fā)分、含水量、活性強度高，但熱穩(wěn)定性很差，發(fā)熱量較低，易風(fēng)化、發(fā)生自燃，不宜長期貯存和遠距離運輸。低階煤干燥提質(zhì)技術(shù)是利用煙氣直接或間接傳熱給低階煤進行脫水處理，實現(xiàn)煤發(fā)熱量的提高，因而被廣泛應(yīng)用于煤炭加工行業(yè)[1-3]。管式氣流干燥過程是高溫干燥介質(zhì)與濕物料直接接觸一并進入倒U型干燥管，高溫介質(zhì)將熱能傳遞給濕物料后，濕物料中的水分以氣體形態(tài)擴散出去，完成傳熱、傳質(zhì)過程[4-6]。本研究利用流體力學(xué)Fluent軟件[7]對倒U型干燥管中的高溫?zé)煔馀c濕低階煤兩相流的流場進行數(shù)值模擬，分析倒U型干燥管內(nèi)高溫?zé)煔飧稍餄竦碗A煤時的流動與傳熱情況，有助于優(yōu)化管式氣流干燥管參數(shù)。

1 管式氣流干燥工藝

管式氣流干燥工藝設(shè)備主要有磨煤機、鍋爐、倒U型干燥管、一級分離器、二級除塵器、布袋除塵器、引風(fēng)機、煙囪等，工藝流程如圖1所示。

本研究數(shù)值模擬的對象為干燥管，該干燥管為一倒U型等直徑管，在干燥過程中，濕低階煤被高溫?zé)煔鈳右黄鹱韵露陷斔椭粮稍锕芮彝蜻\動，至彎管部位方向才有所變化[8]。煙氣在鍋爐內(nèi)加熱后在倒U型干燥管的進口處與磨碎后的濕低階煤顆粒直接接觸，濕低階煤被高溫?zé)煔鈳幼韵露线\動。在干燥時，熱煙氣與低階煤顆粒的溫度和速度一直發(fā)生變化，從而脫除低階煤內(nèi)的水分。干燥后的低階煤顆粒與煙氣進入一級分離器進行氣固分離，分離后的煙氣由二級除塵器、布袋除塵器進行二次除塵，收集到的低階煤物料進入煤倉，經(jīng)過除塵的煙氣通過引風(fēng)機由煙囪排放至大氣中[9]。

圖1 管式氣流干燥技術(shù)流程

2 Fluent軟件數(shù)值模擬

根據(jù)管式氣流干燥技術(shù)特征，在構(gòu)建模型時進行簡化設(shè)置：①低階煤顆粒的濕度與溫度沿軸方向均勻變化；②低階煤顆粒與熱煙氣并流，且懸浮顆粒無回流；③低階煤顆粒大小均勻，屬于球形，低階煤顆粒均勻分布于干燥管內(nèi)，干燥管壁絕熱[10-11]。

2.1 干燥管模型構(gòu)建

利用Fluent軟件的前處理器Gambit對倒U型干燥管進行模型繪制：高2 m，直徑0.038 m，模型共劃分為57 920個六面體網(wǎng)格，干燥管的模型網(wǎng)格如圖2所示。設(shè)置干燥管的進口為“VELOCITY_INLET”、出口為“OUTFLOW”、壁面為“WALL”。

2.2 求解設(shè)定

將干燥管中的氣體-顆粒流視為不可壓縮，選擇基于有限體積法的壓力基求解器，并選擇隱式、穩(wěn)態(tài)。干燥時涉及到了傳熱，因而開啟能量方程。湍流參數(shù)設(shè)置時選擇定義湍動能k與湍動耗散率ε。多相流模型選用Eulerian模型，主相為煙氣，次相為低階煤顆粒，其物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

圖2 倒U型干燥管的模型網(wǎng)格

表1 材料物理性質(zhì)參數(shù)

低階煤顆粒粒徑取300 μm，“Phase Interaction”中的曳力選擇“Gidaspow”，熱交換模型選擇“Gunn”。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 壓力場分析

壓力場模擬結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 氣固兩相混合的壓力云圖

圖4 氣固兩相混合的彎管部位壓力云圖

由圖3、圖4可知：干燥管從進口到出口方向氣固兩相混合物的壓力呈逐漸減小的趨勢，壓力最大值出現(xiàn)在進口處，上升區(qū)域的壓力降低較均勻，下降區(qū)域的壓力值變化幅度不大，直至接近出口處，壓力才下降至最小，且壓力值為負值，這是由于低階煤顆粒在熱煙氣的帶動下運動以及顆粒之間的碰撞造成了壓力損失。由于低階煤顆粒的慣性作用使得干燥管內(nèi)側(cè)的壓力低于外側(cè)。

2.3.2 速度場分析

低階煤顆粒在整體干燥管中的速度分布情況見圖5。由圖5可知：低階煤顆粒在進口處在高溫?zé)煔獾膸酉麻_始加速，且速度變化較大，隨后低階煤顆粒與熱煙氣的相對速度逐漸減小，顆粒由加速運動變?yōu)閯蛩龠\動，直至彎管部位速度才開始減小，且干燥管外側(cè)的速度小于內(nèi)側(cè)，在剛進入下降區(qū)域時低階煤顆粒的速度仍在減小，但隨后逐漸增大。進一步分析可知：在倒U型干燥管的進口處，低階煤顆粒的速度為0，在有一定速度的高溫?zé)煔鈳酉露a(chǎn)生了速度，此時顆粒與煙氣有最大的相對速度，且在進口段低階煤顆粒量是最多的，有最大的傳熱表面積，所以該處的傳熱系數(shù)值最大，且該處的傳熱效率遠高于隨后階段，可認為倒U型干燥管的進口加速階段是整體干燥中影響最多的階段。

圖5 低階煤顆粒的速度云圖

2.3.3 溫度場分析

熱煙氣在干燥管中的溫度分布情況見圖6、圖7。由圖6、圖7可知：在倒U型干燥管的上升區(qū)域煙氣溫度變化較明顯，而在彎管部位變化較平緩，且干燥管外側(cè)溫度高于內(nèi)側(cè)，原因是低階煤顆粒的慣性使其大多數(shù)聚集于彎管外側(cè)，濃度較大，從而使其與煙氣的熱交換更加劇烈，干燥管下降區(qū)域的煙氣溫度持續(xù)緩慢降低，到達出口時溫度達到了最低值。

在低階煤干燥脫水過程中，熱煙氣的熱量傳遞給低階煤顆粒表面，而低階煤顆粒的外在水分受熱后以氣體形態(tài)從顆粒表面擴散出，因此熱煙氣的溫度逐漸降低，而低階煤顆粒的溫度逐漸升高，最終完成了低階煤顆粒的干燥，因此對傳熱進行強化可使得低階煤顆粒干燥更加充分。

2.3.4 不同條件下干燥管內(nèi)Nu數(shù)的分布情況

由于努賽爾數(shù)(以下簡稱Nu數(shù))可更好地反映出倒U型干燥管內(nèi)的換熱情況，為此，在干燥管中不同長度的位置設(shè)置了11個點，分別計算出各點的Nu數(shù)，得到了干燥管不同長度位置的傳熱情況，見圖8。

圖6 煙氣的溫度云圖

圖7 煙氣彎管部位的溫度云圖

圖8 不同速度、溫度下干燥管各點對應(yīng)的Nu數(shù)

由圖8可知：①改變倒U形干燥管進口處煙氣速度時，干燥管內(nèi)各點對應(yīng)的Nu數(shù)變化不明顯，可見，改變進口煙氣速度不影響低階煤顆粒與熱煙氣之間的傳熱效果；②升高U型干燥管進口熱煙氣溫度易使整體干燥管內(nèi)混合物間的Nu數(shù)增大，說明增加進口熱煙氣溫度有助于煙氣與低階煤顆粒之間的換熱；③倒U型干燥管內(nèi)低階煤顆粒在干燥時，上升區(qū)域的Nu數(shù)逐漸增大，彎管部位的Nu數(shù)快速增大，這是因為低階煤顆粒與熱煙氣在該處的相對速度最大，而在下降區(qū)域時Nu數(shù)又逐漸減小。

3 結(jié) 語

利用Fluent軟件對低階煤管式氣流的干燥過程進行了數(shù)值模擬研究，對干燥時熱煙氣與低階煤顆粒兩相流的流場分布情況及干燥管進口處的不同煙氣速度與溫度對傳熱效果的影響進行了詳細分析，為相關(guān)研究提供參考。

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·記者在線·

紫金礦業(yè)下屬威斯特銅業(yè)通過CNAS能源管理體系認證

近日，紫金礦業(yè)集團權(quán)屬企業(yè)青海威斯特銅業(yè)取得具有“cnas”標志的gb/t23331—2012能源管理體系認證證書。

cnas是由國家認證認可監(jiān)督管理委員會批準設(shè)立并授權(quán)的國家認可機構(gòu)，統(tǒng)一負責(zé)對認證機構(gòu)、實驗室和檢查機構(gòu)等相關(guān)機構(gòu)的認可工作，其“cnas”標志在全球具有很高的權(quán)威性，在歐美日等發(fā)達國家均獲承認。

*河北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究基金項目(編號：ZD20131063)。

2015-07-27)

王 慧(1990—)，女，碩士研究生，063000 河北省唐山市新華西道46號。