回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣固兩相流動的數(shù)值模擬研究

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣固兩相流動的數(shù)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(zhuǎn)爐在鋁用電氣石領(lǐng)域的氧化和燃燒生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)、操作和控制得到了不同程度的改善。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)到逐漸普及,現(xiàn)代數(shù)學(xué)的快速發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)得到了迅速發(fā)展,為實(shí)驗(yàn)研究和理論研究起到了促進(jìn)作用。越來越多的學(xué)者更加關(guān)注和致力于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬研究。但多數(shù)學(xué)者只單一針對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料料層或氣體空間進(jìn)行數(shù)值模擬研究,很少將兩空間結(jié)合起來。筆者已在文獻(xiàn)中詳細(xì)闡述了回轉(zhuǎn)窯傳熱過程新型數(shù)值模擬方法的建立,將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)料層上部氣體空間內(nèi)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(jìn)行計(jì)算,將料層內(nèi)物料顆粒的傳熱過程采用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算。為了驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的正確性,筆者所在課題組建立了回轉(zhuǎn)窯實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并進(jìn)行了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)裝置與方法及測試結(jié)果詳見文獻(xiàn)。以此為基礎(chǔ),借助模擬軟件Fluent和Matlab對實(shí)驗(yàn)回轉(zhuǎn)窯的傳熱過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,進(jìn)一步驗(yàn)證文獻(xiàn)中數(shù)值模擬方法的正確性。1回轉(zhuǎn)窯燃料燃燒以圖1所示的實(shí)驗(yàn)回轉(zhuǎn)窯作為研究對象。該實(shí)驗(yàn)裝置由回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)窯主要參數(shù)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(zhuǎn)窯內(nèi)物料進(jìn)行煅燒。具體實(shí)驗(yàn)測試方法與結(jié)果詳見文獻(xiàn)。2窯內(nèi)煅燒過程數(shù)學(xué)模型的建立在實(shí)驗(yàn)回轉(zhuǎn)窯內(nèi),燃料(-35#柴油)燃燒和物料揮發(fā)分燃燒生成大量的高溫?zé)煔?煙氣在窯內(nèi)流動,同時(shí)以輻射和對流的方式將熱量傳給煅燒物料和窯內(nèi)襯。因此窯內(nèi)煅燒過程的數(shù)學(xué)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(gòu)成。窯內(nèi)煅燒過程的數(shù)學(xué)模型可分為料層數(shù)學(xué)模型和氣相空間數(shù)學(xué)模型。在料層內(nèi),沿軸向取回轉(zhuǎn)窯物料層某一微元段作為研究對象,根據(jù)物料相質(zhì)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(shù)學(xué)模型建立過程詳見文獻(xiàn)。氣相空間內(nèi),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(zhì)量交換的表面積,從而強(qiáng)化了燃燒過程。液霧燃燒是一個(gè)包含氣霧兩相流動、傳熱傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程。主要數(shù)學(xué)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(zhì)輸送和有限速率化學(xué)反應(yīng)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(dá)式詳見Fluent軟件學(xué)習(xí)資料。3bx、y、z軸直角坐標(biāo)系的建立(如圖2所示):(1)垂直于窯體軸向且零點(diǎn)位于窯尾中部的方向?yàn)樽鴺?biāo)系的X軸;(2)窯體軸向方向?yàn)樽鴺?biāo)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?yàn)樽鴺?biāo)系的Z軸;(4)窯尾平面中部且位于窯體軸線上的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為方便描述,這里選取氣相空間內(nèi)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?yàn)樵跓旄浇?燃料與助燃空氣中的氧氣燃燒,產(chǎn)生高溫?zé)煔?。隨著燃燒的進(jìn)行,氣體擴(kuò)散作用的加劇,高溫?zé)煔饷娣e逐漸擴(kuò)大,溫度分布趨向均勻。由于煙氣不斷地向耐火材料內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)柴油的濃度較高,在窯內(nèi)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(bǔ)給石油焦中揮發(fā)分的燃燒,但由于窯內(nèi)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(shí)際生產(chǎn)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(lián)產(chǎn)的方法,既防止了大氣污染,又實(shí)現(xiàn)了余熱回收,能夠達(dá)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(yīng)的進(jìn)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(zhuǎn)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(dá)到最高值,而后平緩下降。文獻(xiàn)中的該實(shí)驗(yàn)回轉(zhuǎn)窯熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果可用來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)窯數(shù)值模擬方法的正確性。因此這里就數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行比較,見圖7。模型實(shí)驗(yàn)測試的位置是伸入窯體內(nèi)0.1m,測試點(diǎn)位于由點(diǎn)A(0.125,0,0)和點(diǎn)B(0.125,3,0)連接的直線AB上。各測試點(diǎn)的坐標(biāo)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(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)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(xiàn)在窯頭附近,這是因?yàn)槿紵魃烊敫G內(nèi)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(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本相符,證明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析本文利用回轉(zhuǎn)窯實(shí)驗(yàn)裝置的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果,對筆者在文獻(xiàn)建立的回轉(zhuǎn)窯傳熱過程的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明無論是對“