徐振寧

(蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215300)

以旋風(fēng)預(yù)熱器與分解爐相結(jié)合的新型干法水泥生產(chǎn)是目前應(yīng)用最為廣泛的水泥生產(chǎn)技術(shù)[1]。旋風(fēng)預(yù)熱器的主要作用是實(shí)現(xiàn)高溫廢煙氣和生料之間的高效換熱，提高生料溫度，降低廢煙氣的熱焓。旋風(fēng)預(yù)熱單元一般由五級(jí)串聯(lián)組成，其中旋風(fēng)筒的分離效率是旋風(fēng)預(yù)熱單元最重要的參數(shù)[2]。因此研究旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)的固體顆粒運(yùn)行軌跡及分離效率是非常必要的[3]。

1 旋風(fēng)預(yù)熱器氣固兩相流數(shù)值模擬模型選取

圖1為6000t/d水泥熟料旋風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)。

圖1 懸浮預(yù)熱器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于單個(gè)的旋風(fēng)預(yù)熱器來(lái)說(shuō)，本文以270°切入式旋風(fēng)蝸殼為研究對(duì)象，并建立相應(yīng)的物理數(shù)學(xué)模型。其中C1旋風(fēng)預(yù)熱器選擇細(xì)高型，C2-C4旋風(fēng)預(yù)熱器選擇低壓損型，C5旋風(fēng)預(yù)熱器選擇的內(nèi)筒較短、高徑比較小型，各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器結(jié)構(gòu)如圖2[2]。

圖2 C1-C5旋風(fēng)預(yù)熱器的模型圖

將圖2模型網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 C1-C5旋風(fēng)預(yù)熱器的網(wǎng)格劃分

本文主要研究旋風(fēng)預(yù)熱器的分離效率及冷態(tài)流場(chǎng)，因此，模擬選用控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程。

對(duì)于氣相，采用RNGκ-ε湍流模型。

氣相邊界條件主要有：氣體入口、氣體出口和顆粒出口。所有數(shù)據(jù)，均來(lái)自實(shí)際工況，參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

固相模型選擇離散型模型中的隨機(jī)軌道模型[1]。固體的下料口設(shè)為捕捉出口，經(jīng)過(guò)此出口的固體顆粒被統(tǒng)計(jì)為捕捉；顆粒在氣體出口處設(shè)為逃逸出口，經(jīng)過(guò)此出口的顆粒被統(tǒng)計(jì)為逃逸。氣固兩相之間采用雙向耦合。

2 數(shù)值模擬結(jié)論與分析

2.1 生料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4給出了C1-C5級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器中的生料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖可以看出，大量顆粒隨氣體進(jìn)入不同級(jí)的旋風(fēng)預(yù)熱器后，大量顆粒被甩向預(yù)熱器筒體內(nèi)壁處，形成較為密集的旋轉(zhuǎn)顆粒帶。固粒隨氣體旋轉(zhuǎn)下壓流動(dòng)，當(dāng)氣固兩相流到達(dá)旋風(fēng)預(yù)熱器底部時(shí)，流體相發(fā)生折轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為向上旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。此時(shí)，絕大部分固體顆粒在旋轉(zhuǎn)慣性力和重力的作用下，大顆粒將繼續(xù)向錐筒底部運(yùn)動(dòng)，這樣一來(lái)可以實(shí)現(xiàn)氣、固分離，而粒徑較小的固體顆粒被上升氣流帶入內(nèi)旋流，轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)，由出口處排出。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于質(zhì)量較大的顆粒來(lái)說(shuō)，雖然受到了離心力的作用，但是重力是起到主要作用的，因此，顆粒隨氣體進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器以后，以螺旋式的流動(dòng)型態(tài)從圓筒部位下降到椎體部位，并在椎體口出被捕集。而粒徑較小的顆粒，由于所受離心力較小，且在徑向氣流的向心作用下，在出口與柱狀體之間形成氣體短路，被旋轉(zhuǎn)上升的氣流帶走，也即從出口端逃逸出去。

圖4 C1-C5旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)顆粒跡線

2.2 固體顆粒速度分布

旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)的流場(chǎng)是三維的，其內(nèi)的速度矢量可以分為切向分速度、徑向分速度和軸向分速度。研究表明，旋風(fēng)預(yù)熱器分離效率影響最大的因素是固體物料受到的離心力[2]。

圖5所示為 C1-C5旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)固體速度矢量圖。由圖可以看出，旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)在切向速度的帶動(dòng)下，固體顆粒作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的離心效應(yīng)將顆粒甩向圓筒壁面進(jìn)而分離出來(lái)，這不僅僅會(huì)影響旋風(fēng)預(yù)熱器的分離效率，同時(shí)也影響旋轉(zhuǎn)及分離狀態(tài)下的能量的高低。由C1旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)固體速度分布可以看出，在不同界面上速度矢量基本是對(duì)稱的，且在內(nèi)筒處速度達(dá)到最大值。而在蝸殼部位，由于采用的是偏心式蝸殼結(jié)構(gòu)，對(duì)稱度不足，造成該位置速度分布的對(duì)稱性弱于圓筒部位和圓錐部位。同時(shí)，C1預(yù)熱器旋風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)的固體速度還存在著轉(zhuǎn)向，這是由于向下運(yùn)動(dòng)的外旋流和由錐體部位反彈回來(lái)向上的內(nèi)旋流發(fā)生短路共同作用的結(jié)果。

圖5 C1-C5旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)固體速度矢量

對(duì)比圖5中C1-C5旋風(fēng)預(yù)熱器的速度矢量圖可以得到，當(dāng)旋風(fēng)預(yù)熱器在設(shè)置過(guò)程中出現(xiàn)斜錐時(shí)，其處的速度分布對(duì)稱性出現(xiàn)了較大偏差，進(jìn)而造成流速分布非常不均勻。

2.3 分離效率分析

論文以捕捉到的固體顆粒個(gè)數(shù)占進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器的個(gè)數(shù)的比值代表分離效率。其結(jié)果如圖6所示。

圖6 旋風(fēng)預(yù)熱器的分離效率

結(jié)合對(duì)比圖4中C1-C5的小顆粒的逃逸幾率可以看出，C1逃逸出去的小顆粒最少，C5次之，C2、C3、C4三個(gè)旋風(fēng)預(yù)熱器小顆粒逃逸出去的幾率較小。由圖6可以看出，C1旋風(fēng)預(yù)熱器分離效率最高，達(dá)到了95.4%；C2、C3、C4、C5旋風(fēng)預(yù)熱器分離效率均高于85%。各級(jí)旋風(fēng)筒分離效率的匹配符合C1>C5>C2>C3>C4的實(shí)際情況，且數(shù)值上和實(shí)際的分離效應(yīng)相吻合。

3 結(jié)論

論文選擇了6000t/d水泥熟料生產(chǎn)線五級(jí)懸浮預(yù)熱器為研究對(duì)象，以實(shí)際尺寸建立了物理數(shù)學(xué)模型，采用CFD技術(shù)對(duì)五級(jí)懸浮預(yù)熱器內(nèi)的顆粒運(yùn)行軌跡、固體速度矢量及分離效率等參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬顯示大量固體顆粒進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器后會(huì)在外筒壁處形成顆粒密集區(qū)，進(jìn)而排出，而少量顆粒被氣體由出口帶出。數(shù)值模擬得出的旋風(fēng)預(yù)熱器的分離效率結(jié)論與工程實(shí)際吻合度較高。