回轉窯內氣固兩相流動的數值模擬研究

回轉窯內氣固兩相流動的數值模擬研究

近年來，隨著電解鋁行業(yè)的快速發(fā)展，金屬回轉爐在鋁用電氣石領域的氧化和燃燒生產中得到了廣泛應用，其結構、操作和控制得到了不同程度的改善。隨著電子計算機的出現到逐漸普及,現代數學的快速發(fā)展,計算流體力學得到了迅速發(fā)展,為實驗研究和理論研究起到了促進作用。越來越多的學者更加關注和致力于回轉窯內傳熱過程的數值模擬研究。但多數學者只單一針對回轉窯內物料料層或氣體空間進行數值模擬研究,很少將兩空間結合起來。筆者已在文獻中詳細闡述了回轉窯傳熱過程新型數值模擬方法的建立,將回轉窯內料層上部氣體空間內的氣體流動、傳熱、揮發(fā)分和燒損焦炭的燃燒過程等利用Fluent軟件進行計算,將料層內物料顆粒的傳熱過程采用Matlab軟件進行計算。為了驗證該數值模擬方法的正確性,筆者所在課題組建立了回轉窯實驗模型,并進行了熱態(tài)實驗測試。實驗裝置與方法及測試結果詳見文獻。以此為基礎,借助模擬軟件Fluent和Matlab對實驗回轉窯的傳熱過程進行數值計算,進一步驗證文獻中數值模擬方法的正確性。1回轉窯燃料燃燒以圖1所示的實驗回轉窯作為研究對象。該實驗裝置由回轉窯窯體、燃燒器、動力裝置、傳動及變速裝置、控制及測量裝置組成?；剞D窯主要參數如表1和表2所示;燃燒器使用PX型整體式全自動柴油燃燒器,其主要幾何尺寸如表3所示。以-35#柴油作為燃料,石油焦作為煅燒物料,利用整體式全自動柴油燃燒器,對回轉窯內物料進行煅燒。具體實驗測試方法與結果詳見文獻。2窯內煅燒過程數學模型的建立在實驗回轉窯內,燃料(-35#柴油)燃燒和物料揮發(fā)分燃燒生成大量的高溫煙氣,煙氣在窯內流動,同時以輻射和對流的方式將熱量傳給煅燒物料和窯內襯。因此窯內煅燒過程的數學模型可由連續(xù)、動量、能量和組分方程及附加的湍流、燃燒、輻射傳熱模型構成。窯內煅燒過程的數學模型可分為料層數學模型和氣相空間數學模型。在料層內,沿軸向取回轉窯物料層某一微元段作為研究對象,根據物料相質量守恒和物料相與氣體相的能量守恒原理列出微分方程組,并通過求解方程組得到物料的軸向溫度分布。具體數學模型建立過程詳見文獻。氣相空間內,除了柴油的燃燒,還有石油焦中所含揮發(fā)分的燃燒。但最主要的燃燒方式為柴油的液霧燃燒,柴油通過噴嘴后霧化,形成由許多油滴組成的噴霧,霧化后大大增加了熱交換和質量交換的表面積,從而強化了燃燒過程。液霧燃燒是一個包含氣霧兩相流動、傳熱傳質及化學反應的復雜過程。主要數學模型包括:(1)k-ε湍流模型,并考慮顆粒相對氣相湍流流動的影響;(2)物質輸送和有限速率化學反應模型;(3)液霧蒸發(fā)模型;(4)P-1輻射傳熱模型。上述模型表達式詳見Fluent軟件學習資料。3bx、y、z軸直角坐標系的建立(如圖2所示):(1)垂直于窯體軸向且零點位于窯尾中部的方向為坐標系的X軸;(2)窯體軸向方向為坐標系的Y軸,Y軸正方向由窯尾指向窯頭;(3)垂直于X軸和Y軸的方向為坐標系的Z軸;(4)窯尾平面中部且位于窯體軸線上的點為坐標原點。4實驗設計與實驗結果為方便描述,這里選取氣相空間內z=0平面作為描述對象。圖3為z=0平面軸向溫度分布(溫度單位為K),從圖中可以看出,由窯頭至窯尾煙氣溫度首先逐漸升高然后逐漸降低,煙氣溫度分布越來越均勻。這是因為在燒嘴附近,燃料與助燃空氣中的氧氣燃燒,產生高溫煙氣。隨著燃燒的進行,氣體擴散作用的加劇,高溫煙氣面積逐漸擴大,溫度分布趨向均勻。由于煙氣不斷地向耐火材料內襯和物料傳遞熱量,由距窯尾2.2m開始,煙氣溫度沿窯尾方向逐漸降低。圖4為z=0平面煙氣流速分布,由圖可知,煙氣流速在燒嘴出口附近較高,窯內壁附近較低,分布很不均勻。但隨著煙氣的流動,流速分布逐漸趨于均勻,在距窯尾三分之一處之后,窯內各處的速度基本相等。由圖5可以看出,在燒嘴附近很小的區(qū)域內柴油的濃度較高,在窯內的大部分區(qū)域基本不存在柴油,說明柴油燃燒非常充分。但石油焦中揮發(fā)分沿窯長是不斷析出的,在窯尾和窯頭附近析出較少,在窯體中部析出較多,雖然助燃空氣中的氧氣能夠補給石油焦中揮發(fā)分的燃燒,但由于窯內空間有限,揮發(fā)分來不及充分燃燒就由窯尾流出窯體,所以窯尾附近留有較多的未燃燒的揮發(fā)分氣體。這些未燃燒的揮發(fā)分氣體在實際生產中要排入燃燒室中繼續(xù)燃燒完全,并在燃燒室后面安裝余熱回收裝置,比如采用余熱鍋爐、汽電聯產的方法,既防止了大氣污染,又實現了余熱回收,能夠達到節(jié)能減排的目的。圖中還顯示了沿窯長方向,隨著燃燒反應的進行,氧氣濃度逐漸降低,在火焰中心區(qū)域氧氣濃度最低。圖6顯示的是回轉窯煅燒過程中石油焦的溫度分布,從圖中可以看出,從窯尾到窯頭石油焦表面的溫度逐漸升高,在距窯尾約2.0m處溫度達到最高值,而后平緩下降。文獻中的該實驗回轉窯熱態(tài)實驗的測試結果可用來驗證實驗窯數值模擬方法的正確性。因此這里就數值模擬結果和實驗測試結果進行比較,見圖7。模型實驗測試的位置是伸入窯體內0.1m,測試點位于由點A(0.125,0,0)和點B(0.125,3,0)連接的直線AB上。各測試點的坐標分別為t0(0.125,2.500,0)、t1(0.125,2.027,0)、t2(0.125,1.487,0)、t3(0.125,1.147,0)、t4(0.125,0.647,0)、t5(0.125,0.147,0)。由圖7可知,數值模擬結果和實驗測試結果兩者比較接近,軸向溫度分布趨勢、高溫區(qū)和溫度最高值基本相符,最大誤差出現在窯頭附近,這是因為燃燒器伸入窯內的位置有差別的緣故,但誤差小于6%,這是可以接受的誤差范圍,由此可以證明數值模擬結果與實驗測試結果基本相符,證明了數值模擬結果的正確性。5實驗結果與分析本文利用回轉窯實驗裝置的熱態(tài)實驗測試結果,對筆者在文獻建立的回轉窯傳熱過程的數值模擬方法進行了實驗驗證,結果表明無論是對“