喷旋管道式分解炉内燃烧、分解过程的CFD模拟研究.pdf

喷旋管道式分解炉内燃烧、分解 过程的CFD模拟研究 南京工业大学 叶旭初 李祥东 刘 民 中材国际南京水泥工业设计研究院蔡玉良 丁苏东 摘要针对水泥分解炉内煤粉燃烧、生料颗粒分解过程共存的特点，提出了相 应的计算模型与方法，以CFD通用软件CFX4为基础，采用用户接口，二次开发出模 拟该现象的工程计算软件，并以工业化中实际使用的5500t／d的喷旋管道分解炉为 对象，计算分析了炉内的煤粉燃烧、生料分解率在空间上的变化规律，探讨了炉内的 湍流速度场及高温区域、空气组分、颗粒体积浓度等的空间分布特征，指出了进一步 优化的方向。 关键词 计算流体动力学 煤粉燃烧 生料分解数学模型 计算软件 水泥 窑外分解 现代分解炉的结构表现出了多种分解炉的复合性，研制和开发一种能够符合各种工业要 求的高效分解炉确非易事，有必要利用现代工程理论知识从各个方面综合分析、试验研究，最 后通过实践反复改进和优化才能实现[1]。到目前为止，人们对分解炉的认识也仅是停留在感 性和经验的基础之上。近年来，计算流体力学(CFD)和数值模拟方法在工程研究中的应用得 J。 到了长足的发展，该技术在水泥生产的工业过程中取得了初步的应用心’7 出适合于模拟研究分解炉内煤粉燃烧、生料分解现象的工程通用应用软件。以南京水泥工业 设计研究院开发的5500t／d喷旋管道炉为研究对象，给出了该炉内实际操作工况条件下的湍 流、温度、组分场、煤粉燃烧、生料分解等的变化规律，理论研究与实际工程在线的检测和热工 标定值基本吻合，为进一步的优化设计提供了基础。 1基本原理 1．1气相方程组 气相方程包括连续性方程、动量方程及湍流模型方程分别为： (1) ’ 塞+V·(10u)=0 dr u)，)+B(2) u)=一Vp7+V‘(me(V u)一V‘(卢秽V 妻pU+V’(∥o 9n3 湍流黏度，对于|i}一￡模型，假定弘，=q10等；B表示体积力。 对于气体湍流k-s模型，湍流动能k和湍流耗散率e的定义式分别为： (3) i2(4) 其中，P和G的定义分别为： u(VU+(V (5) P=户够v u)7)一号V·u(弘矿V·U+pk) G=Gh-I-G。+G。 (6) 上式中的G妇、G。和G。分别代表浮力、旋转和阻力的作用。 1．2化学组分平衡方程组 表达为： a，．1jXl七8r2ix2+…々々GPlix、+QP2ix2+… 分i在第，个化学反应中的全局化学计量系数。 设K表示反应过程中组分i的质量分数，则组分i的质量平衡关系式为： E)