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旋-噴管道式分解爐在不同截面風(fēng)速下的流場研究

2022-01-15 04:07柯盛強(qiáng)高宇蕾齊硯勇
關(guān)鍵詞:風(fēng)管流場軸向

但 磊 羅 軍 柯盛強(qiáng) 高宇蕾 齊硯勇

(1. 西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽 621010; 2. 四川利森建材集團(tuán)有限公司 四川德陽 618000;3. 綿陽旗諾新材料開發(fā)有限公司 四川綿陽 621000; 4. 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川綿陽 621010)

分解爐作為預(yù)分解窯的核心設(shè)備,其運(yùn)行質(zhì)量的好壞直接影響到水泥質(zhì)量和燒成熱耗。目前水泥行業(yè)對分解爐內(nèi)部的工作狀況還比較陌生,風(fēng)、煤、料在分解爐內(nèi)的分布還不夠清楚,溫度場、壓力場和氣體成分的分布更是阻礙水泥生產(chǎn)技術(shù)前進(jìn)的一大難題。分解爐流場為影響物料、氣體成分與各物理場分布的主要因素,速度場為流場的主要研究內(nèi)容,充分掌握分解爐速度場,一方面可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)分解爐的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)水平,另一方面可解決實(shí)際生產(chǎn)問題,提高生產(chǎn)能力。

目前常通過數(shù)值模擬研究分解爐流場[1-5],雖然數(shù)值模擬具有諸多好處,但由于模型與計(jì)算方程的簡化處理,并不能完全還原復(fù)雜流動(dòng)的真實(shí)性。采用冷態(tài)模型試驗(yàn)研究分解爐流場,所得數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,研究結(jié)果對實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義更加突出。李昌勇[6]通過測定SLC-S分解爐內(nèi)氣體三維流場,探討了該分解爐內(nèi)氣固兩相運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,結(jié)果表明SLC-S分解爐的氣體流場具有明顯的受限噴騰床的特征,利于物料的分散,從而保證了物料停留時(shí)間的有效性,但由于缺少必要的橫向混合,使得分解爐的容積利用率明顯過低。李昌勇[7]在冷模條件下測量了RSP分解爐的氣體三維流場,繪制了該分解爐的三維流場圖,并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn),分析了滇西廠RSP各室設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的合理性。盧平[8]在系統(tǒng)分析NKSV分解爐氣固兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上指出該分解爐的不足之處,提出了改進(jìn)方案,并通過冷模試驗(yàn)及測量流場的方式對改進(jìn)方案的優(yōu)化做出了數(shù)據(jù)證明。胡道和[9]通過熱線風(fēng)速儀對RSP分解爐SC室的湍流度進(jìn)行測定,結(jié)果表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與熱線風(fēng)速儀的測定結(jié)果較為相似,數(shù)值模擬計(jì)算具有一定的可靠性。

旋-噴管道式分解爐具有結(jié)構(gòu)簡單、高效穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),且是國內(nèi)正在興起的低氮型分解爐的典型爐型,在目前運(yùn)行的水泥生產(chǎn)線中,該類型分解爐使用較多。為降低水泥生產(chǎn)過程中氮氧化物的排放,該類分解爐三次風(fēng)管設(shè)置位置往往在分解爐直筒下部,使煤粉在缺氧條件下燃燒,形成還原氣氛,以達(dá)到降低氮氧化物排放的目的,但在實(shí)際生產(chǎn)過程中,降氮效果卻不理想。行業(yè)內(nèi)眾多學(xué)者對該類分解爐的研究較少,并未研究不同風(fēng)速對其流場的影響,也未分析該類分解爐流場的合理性。本文以旋-噴管道式分解爐為研究對象,通過五孔探針測試系統(tǒng)對該分解爐流場進(jìn)行測量,探究該分解爐在不同截面風(fēng)速下流場的分布,為該分解爐的實(shí)際運(yùn)行與技術(shù)改造提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 模型結(jié)構(gòu)

PYJD水泥廠燒成系統(tǒng)使用的分解爐為旋-噴管道式分解爐,實(shí)際生產(chǎn)過程中存在分解爐出口氮氧化物含量高、生料分解率低的問題,故選用該爐為本研究的具體分解爐。根據(jù)該廠旋-噴管道式分解爐CAD圖紙,選用PMMA有機(jī)樹脂材料制作分解爐實(shí)體模型,模型與實(shí)體分解爐尺寸比例為1∶40。分解爐結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1和表1所示。

圖1 分解爐三維圖Fig.1 3D diagram of calciner

表1 分解爐實(shí)體與模型的主要尺寸Table 1 Actual and model main dimensions of the calciner

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由分解爐模型、通風(fēng)管道以及離心風(fēng)機(jī)組成。試驗(yàn)時(shí),離心風(fēng)機(jī)運(yùn)作使整個(gè)系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài),氣體由三次風(fēng)管與煙室進(jìn)入,離心風(fēng)機(jī)排出,系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定氣體流場,分解爐流場試驗(yàn)流程及裝置如圖2所示。通過變頻器調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率,得到3個(gè)分解爐截面風(fēng)速,試驗(yàn)工況如表2所示。

圖2 分解爐流場試驗(yàn)流程及實(shí)物圖Fig.2 Flow field test process and device of calciner

表2 分解爐試驗(yàn)工況Table 2 Experimental research conditions of calciner

1.3 流場測試系統(tǒng)

目前普遍用于氣體三維流場的測試方法有激光相位多普勒測速法、粒子圖像測速法、超聲風(fēng)速測試法、熱線測速法、五孔探針測速法等[10]。本文采用工程研究中最常使用的五孔探針測試三維流場,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。前端感應(yīng)頭呈半球形,垂直于感應(yīng)頭投影面上的5個(gè)測壓孔呈十字形分布,中間總壓孔圓心與探針前端中心點(diǎn)重合,5個(gè)測壓孔的內(nèi)徑均為1 mm,最近鄰2個(gè)測壓孔的圓心相距1.5 mm。

圖3 五孔探針示意圖Fig.3 Schematic diagram of five-hole probe

為解決五孔探針測量時(shí)間長、效率低、測量精度差等問題,本研究開發(fā)了五孔探針智能化測試系統(tǒng)[11],其測試過程如圖4所示。流場風(fēng)速測試時(shí),通過壓差傳感器采集5個(gè)測壓孔的壓力數(shù)據(jù),傳感器為MPXV7002壓力傳感器,量程為±2 000 Pa,精度為0.2%。傳感器采集信號(hào)為電壓模擬信號(hào),使用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào),數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊為ART-DAM-3128產(chǎn)品,其采集精度為0.1%。最終使用編繪的五孔探針風(fēng)矢量運(yùn)算程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

圖4 三維流場測試過程Fig.4 Three-dimensional flow field test process

2 分解爐流場測量結(jié)果與分析

對分解爐流場展開測量,其測量平面從上往下依次為A-K,每個(gè)測量平面有兩處測孔。通過每個(gè)測孔,向分解爐內(nèi)每間隔2 cm為一測點(diǎn),依次為位置1-11測點(diǎn)。模型坐標(biāo)規(guī)定與測孔分布如圖5所示。

圖5 分解爐坐標(biāo)規(guī)定與測孔分布Fig.5 Coordinate stipulation and measuring hole distribution of calciner

由五孔探針測試系統(tǒng)測量得各測點(diǎn)的速度矢量,速度矢量在三維空間內(nèi)分解為3個(gè)分速度,分別為表示豎直運(yùn)動(dòng)的軸向速度、表示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的切向速度、表示離心運(yùn)動(dòng)的徑向速度。

2.1 不同截面風(fēng)速下的軸向速度

表3、表4與表5給出三次風(fēng)管往下測試平面H-K 各測點(diǎn)不同截面風(fēng)速下的軸向速度值,并繪制出所有測點(diǎn)的軸向速度隨徑向位置變化而變化的曲線圖,如圖6所示。

表3、表4與表5數(shù)值為正表明軸向速度方向豎直向上,為負(fù)表明軸向速度方向豎直向下。圖6中曲線為軸向速度曲線,每條速度曲線下方緊鄰細(xì)線為速度基準(zhǔn)線。速度曲線在基準(zhǔn)線上方表示軸向速度方向豎直向上,在基準(zhǔn)線下方表示軸向速度方向豎直向下。速度基準(zhǔn)線初值皆為0,軸向速度分布曲線圖右下角標(biāo)有速度大小標(biāo)識(shí)。

圖6 不同截面風(fēng)速下分解爐軸向速度分布曲線Fig.6 Axial velocity distribution curve of the calciner under different cross-sectional wind speeds

表3 各測點(diǎn)軸向速度值(截面風(fēng)速5 m·s-1)Table 3 Axial velocity value of each measuring point when the cross-sectional wind speed is 5 m·s-1

表4 各測點(diǎn)軸向速度值(截面風(fēng)速6.5 m·s-1)Table 4 Axial velocity value of each measuring point when the cross-sectional wind speed is 6.5 m·s-1

表5 各測點(diǎn)軸向速度值(截面風(fēng)速8 m·s-1)Table 5 Axial velocity value of each measuring point when the cross-sectional wind speed is 8 m·s-1)

3個(gè)工況下,三次風(fēng)管往上流場中風(fēng)軸向速度曲線形式大致一致,皆呈中軸線附近處大、四周小的規(guī)律分布。同工況下,測試平面A與K軸向速度大于其他位置,為縮口噴騰效應(yīng)所致。三次風(fēng)管以上流場軸向速度皆為正值,氣流向上運(yùn)動(dòng),而測試平面I與K存在測點(diǎn)軸向速度為負(fù)值,可推斷三次風(fēng)入分解爐撞擊壁面后,一部分三次風(fēng)順著邊壁旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)。對比不同截面風(fēng)速下測試平面I軸向速度出現(xiàn)負(fù)值測點(diǎn)的多少與方位分布可得,分解爐截面風(fēng)速越大,三次風(fēng)向下運(yùn)動(dòng)區(qū)域越大,如圖7黃色區(qū)域所示。

圖7 不同截面風(fēng)速下測試平面I處三次風(fēng)向下運(yùn)動(dòng)區(qū)域Fig.7 Downward movement area of the tertiary wind under different cross-sectional wind speeds at test plane I

測試平面I軸向速度出現(xiàn)負(fù)值的測點(diǎn),其軸向平均速度與分解爐截面風(fēng)速的比值隨著截面風(fēng)速的增大其值依次為1.53,1.81與2.03,說明隨著截面風(fēng)速的增大,向下運(yùn)動(dòng)三次風(fēng)速增大越顯著,向下運(yùn)動(dòng)所到區(qū)域越大,表現(xiàn)為測試平面K風(fēng)向下運(yùn)動(dòng)區(qū)域越大,如圖8黃色區(qū)域所示。

圖8 不同截面風(fēng)速下測試平面K處風(fēng)向下運(yùn)動(dòng)區(qū)域Fig.8 Wind downward movement area under different cross-section wind speeds at test plane K

2.2 不同截面風(fēng)速下的切向速度

圖9中曲線為切向速度曲線,每條速度曲線相交細(xì)線為速度基準(zhǔn)線,初值為0,右下角標(biāo)有切向速度大小標(biāo)識(shí)。3個(gè)工況下,切向速度曲線形式大致一致。在運(yùn)動(dòng)方向上,切向速度方向皆表現(xiàn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。除測孔H與I受三次風(fēng)影響,其余測孔切向速度從中軸線附近處向四周先增大后在靠近邊壁處減小15%左右,即在每個(gè)截面中心到邊壁之間切向速度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。根據(jù)不同截面風(fēng)速切向速度曲線圖,測孔K的切向平均速度與分解爐截面風(fēng)速的比值隨著截面風(fēng)速的增大其值依次為0.76,0.98與1.17,說明向下運(yùn)動(dòng)的三次風(fēng)隨著截面風(fēng)速的增大向下運(yùn)動(dòng)得越顯著,導(dǎo)致測試平面K氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越劇烈。

圖9 不同截面風(fēng)速下分解爐切向速度分布曲線Fig.9 Tangential velocity distribution curve of calciner under different cross-sectional wind speeds

2.3 不同截面風(fēng)速下的徑向速度

圖10中曲線為徑向速度曲線,每條速度曲線相交細(xì)線為速度基準(zhǔn)線,初值為0,右下角標(biāo)有徑向速度大小標(biāo)識(shí)。3個(gè)工況下,徑向速度曲線形式大致一致。在運(yùn)動(dòng)方向上,三次風(fēng)管往上流場中風(fēng)徑向速度方向皆表現(xiàn)為離心運(yùn)動(dòng)。徑向速度為3個(gè)速度分量中最小的分量,在三次風(fēng)管往上流場中,徑向速度表現(xiàn)為中軸線附近小、向四周緩慢增大的趨勢,即氣流做越來越快的離心運(yùn)動(dòng)。在三次風(fēng)管往下流場中,由于受三次風(fēng)的影響,徑向速度出現(xiàn)較大值。隨著截面風(fēng)速的增大,測孔K的各測點(diǎn)徑向速度方向?yàn)閤軸正方向的占比增大,且徑向平均速度與分解爐截面風(fēng)速的比值隨著截面風(fēng)速的增大而增大,表明隨著截面風(fēng)速的增大,緊貼壁面向下運(yùn)動(dòng)的三次風(fēng)越顯著,即對測孔K各測點(diǎn)徑向速度的影響也越大。

圖10 不同截面風(fēng)速下分解爐徑向速度分布曲線Fig.10 Radial velocity distribution curve of calciner under different cross-sectional wind speeds

在三次風(fēng)管至分解爐錐部區(qū)域,x-o-z截面下徑向速度在基準(zhǔn)線下方風(fēng)向右邊壁運(yùn)動(dòng),徑向速度在基準(zhǔn)線上方風(fēng)向左邊壁運(yùn)動(dòng),結(jié)合軸向速度曲線分布圖推斷,分解爐錐部至三次風(fēng)管區(qū)域由于受向下運(yùn)動(dòng)三次風(fēng)的影響形成了一處回流區(qū),且隨著分解爐截面風(fēng)速的增大,回流區(qū)所占空間越大,如圖11所示。

圖11 不同截面風(fēng)速下分解爐回流區(qū)分布Fig.11 Distribution of the reflux zone of the calciner under different cross-sectional wind speeds

2.4 旋-噴管道式分解爐流場總結(jié)

分解爐流場在不同截面風(fēng)速下形式大體一致,分解爐流場主要受三次風(fēng)的影響。三次風(fēng)水平進(jìn)入分解爐后分為兩股風(fēng),其中一股風(fēng)做螺旋上升運(yùn)動(dòng),使得三次風(fēng)管往上流場具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢。另一股風(fēng)緊貼壁面,向下運(yùn)動(dòng)并與煙室上升氣流匯合,使三次風(fēng)管往下流場形成一處回流區(qū)域,且隨著截面風(fēng)速的增大,向下運(yùn)動(dòng)的三次風(fēng)越顯著,回流區(qū)域所占空間越大。分解爐錐部與直筒縮口處風(fēng)具有噴騰效應(yīng)。

通過研究旋-噴管道式分解爐流場,所得結(jié)果與PYJD水泥廠現(xiàn)場表現(xiàn)一致,說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠,且能很好解釋PYJD旋-噴管道式分解爐運(yùn)行時(shí)的問題。PYJD旋-噴管道式分解爐流場分布的主要形式是由三次風(fēng)管入口位置決定的,煤粉從分解爐錐部進(jìn)入,剛好與向下運(yùn)動(dòng)的部分三次風(fēng)相遇,煤粉在有氧條件下燃燒,故不能降低氮氧化物的生成,即形成分解爐出口氮氧化物含量高的現(xiàn)象。由于三次風(fēng)管下部回流區(qū)的影響,煤粉跟隨風(fēng)在分解爐下部所待時(shí)間增長,造成分解爐下部局部高溫,易形成結(jié)皮。由于從上部撒料箱進(jìn)入的生料不能充分吸收熱量,造成分解爐出口生料分解率低。建議下移噴煤管位置,且在保證分解爐空氣量的同時(shí),降低三次風(fēng)風(fēng)速,生料也應(yīng)盡量由下部撒料箱喂入。

3 結(jié)論

本文通過五孔探針流場測試系統(tǒng)對分解爐不同工況下的流場進(jìn)行測量,得到各測點(diǎn)在不同截面風(fēng)速下的流場數(shù)據(jù),處理并分析數(shù)據(jù),總結(jié)出旋-噴管道式分解爐的流場特性與截面風(fēng)速對流場變化的影響。結(jié)果如下:(1)分解爐流場在不同截面風(fēng)速下形式大體一致,流場速度分布主要受三次風(fēng)的影響。軸向速度呈中軸線附近處大、四周小的規(guī)律分布。存在軸向速度方向向下的位置,說明部分三次風(fēng)向下運(yùn)動(dòng)。除三次風(fēng)管所在位置,在水平截面上,切向速度從中心位置附近處向邊壁呈現(xiàn)先增大、后在靠近邊壁處減小15%左右,使風(fēng)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。徑向速度其值最小,在三次風(fēng)管往上流場中,徑向速度在水平截面上表現(xiàn)為中心處小、向四周緩慢增大的變化規(guī)律,且方向上皆為背離中心。 (2)分解爐三次風(fēng)管以上流場中風(fēng)呈螺旋離心的上升運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)較為規(guī)整;三次風(fēng)管以下流場中風(fēng)因夾雜著一股向下運(yùn)動(dòng)的三次風(fēng),運(yùn)動(dòng)較為紊亂,且形成一處回流區(qū)域。 (3)分解爐流場主要受三次風(fēng)的影響,三次風(fēng)進(jìn)入分解爐撞擊壁面后,分為兩股風(fēng),其中一股向上運(yùn)動(dòng),使三次風(fēng)管往上流場具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢;另一股風(fēng)緊貼壁面,螺旋向下運(yùn)動(dòng)并與煙室上升氣流匯合,形成氣流回流區(qū)。 (4)隨著截面風(fēng)速的增加,其向下運(yùn)動(dòng)的三次風(fēng)越顯著,回流區(qū)域所占空間越大,縮口噴騰效應(yīng)越明顯。 (5)解釋了PYJD旋-噴管道式分解爐運(yùn)行時(shí)存在問題的原因,即分解爐下部存在的回流區(qū)造成了分解爐出口氮氧化物含量高、生料分解率低的問題,并提出下移噴煤管,降低三次風(fēng)速度等改進(jìn)方案。

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