dg回转窑四通道生物质燃烧机流场数值模拟
郑州达冠节能环保设备有限公司
中国 郑州
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品牌
达冠
型号
90万打了
燃料类型
生物质颗粒
设备类型
燃烧机
外形尺寸
2000mm
重量
2000Kg
回转窑四通道生物质燃烧机流场数值模拟
摘要：针对某大型工业四通道生物质燃烧机进行了研究，通过使用UG和Fluent软件分别对该燃器进行三维建模和结构化网格划分。采用Realizable Kt'湍流模型和Simple算法，研究了该燃烧器内流场的变化并对其进行数值分析与仿真，获得了与实际情况相符的流场分布图。结果证明了仿真结果的可靠性和采用Realizable Kt'模型的可行性。
回转窑生物质燃烧机是烧制水泥的重要部件之一，它为整个水泥回转窑系统提供热源。只有性能优良燃烧器才能保证喂入窑系统的燃料在燃烧空间内迅速均匀分布、及时起火、完全燃烧并按照要求提供充足的热量，形成一个合理的温度场和热工制度，从而使回转窑系统充分发挥功能，做到优质、高效、低耗长期安全运转同时满足环境保护的需要。由于燃烧器系统内发生着多柏流、燃烧、燃料分解等复杂的物理化学过程，因而对燃烧器性能的深入研究有助于降低水泥烧制成本、提高水泥厂的生产能力。
在20世纪70年代石油危机后，国内外的回转窑所用燃料基本上都改为煤。近年来由于烧廉价燃料可以大幅度降低水泥生产成本，扩大资源利用势在必行，对环保提出了更严格的要求，降低NO。的排放已刻不容缓。欧洲国际火焰研究基金会欧洲国际火焰研究基金会《nternational flame research foun-dation，IFRF)直接资助对水泥回转窑内生物质和石油焦的燃烧及其火焰开展了研究工作，使回转窑生物质燃烧器很快由单风道发展到双风道、三风道、四风道甚至烧两种以上燃料的五风道。巴西的Greco技术装配公司已研究出的FlexiflameTM多通道9＼通道）燃烧器，不但能够燃烧多种燃料，如固体废弃物，液体废弃物等，而且实现了涡流空气在粉状燃料通道的内部和外部同时应用，这大大降诋了NO，的排放和提高了燃料的燃烧率‘“。理论研究和生产实践均证明，风道越多性能越好，可是结构就越复杂，重机械科学与技术量越重，价格也越高，在使用时还越容易弯曲圈。我国的企业大多数是购买国外的燃烧器圈。国内的研究主要是根据企业的实际情况，改进四通道以满足企业的实际需要。燃烧理论的研究和四风道生物质燃烧器的出现，使得低质煤在各种回转窑上得到了广泛的应用。四通道生物质燃烧机具有一次风总量低、燃烧效率高、火焰形状调节方便、煤种适应性强等优点，在水泥工业中被广泛应用嘲。
本文中根据流体力学及热力学的基本数学方程组，通过使用UG和Fluent软件，分别对四通道生物质燃烧器进行了三维建模和网格划分。采用Realiza-ble kt湍流模型和Simple算法，对该四通道生物质燃烧器进行了理论模拟，预测出了该四通道生物质燃烧器压力分布场和湍流速度场。
1 建立几何模型
该四通道生物质燃烧机的喷嘴结构由外向内依次为轴流风、煤风、旋流风和中心风。本文在对该四通道生物质燃烧机进行数值模拟分析中选取煤和空气分别通过的4个通道和回转窑为研究对象，通过使用UG6.0三维软件对该四通道生物质燃烧机进行三维建模，图1为四通道生物质燃烧机工作流域剖面图，图
2 湍流的数学模型
Lockwood筹人圈认为，虽然厶叩模型已被广泛地认为不适合模拟有强旋流的流动，但在计算的经济性、稳定性和燃烧应用结果的可靠性方面，它相对于其它高阶湍流模型是最合适的。因此，应用厶节模型计算旋流流动后认为，当旋流数较小时结果较理想，旋流数较大时结果稍差一些。适合于计算强旋流的还有差分雷诺应力q)SM）模型、代数雷诺应力(ASM)模型和差分雷诺通量模型等，但其收敛性均较差，难以得到满意的结果园。在计算弱旋气相流动时，RNG kt模型可以满足工程上的精度需求，没必要运用计算量很大的雷诺应力模型，但强旋流动中，雷诺应力模型能得到较满意的结果研。由于雷诺应力模型对硬件要求比较高，一般采用Realiza-ble kt模型也能较好地模拟旋流圆。
基于Fluent四通道生物质燃烧机流场数值模拟项；Gb是由于浮力引起的湍动能厶的产生项；Yvl代表可压缩湍流中脉动扩张的贡献；C．。、C：。和C3。为经验常数；d。和a。分别为与湍动能h和耗散率s对应的Prandtl数；Sk和S。是用户定义的源项。
上述微分方程同连续方程、Navier-Stockes雷诺平均方程组成的湍流运动方程组联合进行求解：有限体积法化微分方程为差分方程，差分格式均采用二阶迎风差分格式，对离散方程组的压力速度耦合采用经典的Simple算法，求解代数方程采用三对角矩阵TDMA逐线迭代及低松弛因子联合求解，收敛标准均取各因变量相邻两次迭代残差小于10“。
3 网格划分及边界条件
考虑到仿真结果的准确性和燃烧器的结构特点，在中心风道、轴流风道和煤风道使用结构化网旋风道使用非结构化网格划分模型。图3为整体流域和旋风道头部的网格划分。
以4 000 t/d四通道生物质燃烧机实际工况数据为边界条件，根据冷态工况温度300 K，查表‘阃得空气密度p=1. 165 kg／IJ13，动力粘度分别为p=1. 846×10。Pa．s；根据模型各单体入曰尺寸及水力直径计算公式dH =4×S//S为过流断面的面积，L为过流断面上流体与固体的接触周长）计算各风道入口水力直径；最后根据各风道的风速计算各单体入口雷诺数Re= pvdH仉及来流马赫数Ma= v/c，其中c为当地声速，对空气来说c= 20.1√丁，丁为流体绝对温度。具体计算结果如表1所示。
表1 四通道生物质燃烧机边界条件数值表
┏━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━━┓
┃ ┃入口风速 ┃水力直径 ┃ 来流 ┃ 来流 ┃
┃ ┃／缸．s“） ┃ /m ┃马赫数 ┃ 雷诺数 ┃
┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫
┃轴流风 ┃ 240 ┃ 0.0 089 ┃ 0.6 894 ┃ 134 801. 733 ┃
┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫
┃ 煤风 ┃ 35 ┃ 0.0 660 ┃ O．1 005 ┃ 145 782. 781 ┃
┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫
┃ 旋流风 ┃ 240 ┃ 0.1 325 ┃ 0.6 894 ┃2 006 879. 742 ┃
┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫
┃中心风 ┃ 50 ┃ 0.0 288 ┃ 0.1 436 ┃ 90 877. 570 ┃
┗━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━━┛
由表1数据可知，系统的各个入口来流马赫数均大于0.1，因此该系统流动属于可压缩流范畴；并且各个风道的来流雷诺数均远大于临界雷诺数Rec=2 000 N10 000 0羽，从而判定各管道的流动状态为湍流。根据可压缩流的计算边界条件，各风道的入口和出口分别选取速度入口和速度出口边界条件类型，其余边界均为固壁。燃烧器的网格划分采用了整体分割法、局部加密和网格自适应技术。燃烧器的中心风道、煤风道和轴风道采用了六面体结构仳网格，旋风道和相连的窑系统采用了四面体非结构化网格划分，在喷嘴与窑相接触的地方采用局部网格加密方法和网格自适应技术。共计生成2 070 421个网格，网格质量良好，扭曲率小于0. 65。
4 结果与讨论
在回转窑中，生物质与燃烧空气的混合主要取决于生物质和二次风的混合。一次风射流的出口动量和旋流强度越强，吸卷二次风的能力越强。四通道生物质燃烧器具有节能高效的特点，旋流风和轴向喷射风由高压风机供风‘加。通过螺旋导向部分，喷出燃烧器的气体形成强旋流，确保生物质与二次风充分混合均匀，达到火焰的强劲燃烧。轴向风采用轴向分布的气流喷嘴喷射，提高了火焰的刚度，喷射出亚音速的微向外发散的喷射风，形成多个外回流压，卷吸更多的二次高温热风，再强化燃烧。中心风在火焰根部中心产生一个较大的可变的负压回流区，减弱一次风的旋转，使煤风的厚度减薄，便于二次风穿透火焰，煤风混合更加均匀充分，可以大大缩短黑火头，中心风的大小调节可以改变燃烧器出口的内回流区的位置和大小，可降低火焰根部的局部高温，抑制NO。的产生，同时起保护燃烧器头部的作用。煤风采用低速风，可以减少燃烧器套管的磨损，提高燃烧器的使用寿命。流线和较大范围的回流区。图5说明由于中心风的影响，流域中形成小范围的负压回流区。同时可以看出燃烧器轴风道的高速气流与二次风相比具有很大的动压头形成的剪切层对燃烧器具有保护作用，使二次风的不稳定扰动难以影响到内部流场，从理论上分析有利于消除断火和烧窑皮现象。由图6的可以看出在喷嘴出口处各风道的速度最大，并在轴线方向上不断减小。流场下游处出现负压区，为回流区的形成创造了条件。旋风道强劲的高速气流使燃料和氧化剂得到充分混合，能够提高燃料的利用率。
5 结论
1)基于UG和Fluent理论建立了燃烧器的三维模型和网格划分，完成了可视化的数僮模拟。模拟的结果与文献[11]介绍到的四通道生物质颗粒燃烧机的实际工作特征相符，即喷嘴出口附近形成负压回流区，速度分布沿轴向衰减。仿真的结果表明Real-izable K-e模型用于模拟四通道生物质颗粒燃烧机的流动过程是合理的，模拟结果是可信的。
2)验证了该四通道生物质颗粒燃烧机结构的合理性。高速的旋风道和轴风道能够提高生物质和空气的混合率，进而提高生物质的燃烧率，保证火焰的温度。
摘要：针对某大型工业四通道生物质燃烧机进行了研究，通过使用UG和Fluent软件分别对该燃器进行三维建模和结构化网格划分。采用Realizable Kt'湍流模型和Simple算法，研究了该燃烧器内流场的变化并对其进行数值分析与仿真，获得了与实际情况相符的流场分布图。结果证明了仿真结果的可靠性和采用Realizable Kt'模型的可行性。
回转窑生物质燃烧机是烧制水泥的重要部件之一，它为整个水泥回转窑系统提供热源。只有性能优良燃烧器才能保证喂入窑系统的燃料在燃烧空间内迅速均匀分布、及时起火、完全燃烧并按照要求提供充足的热量，形成一个合理的温度场和热工制度，从而使回转窑系统充分发挥功能，做到优质、高效、低耗长期安全运转同时满足环境保护的需要。由于燃烧器系统内发生着多柏流、燃烧、燃料分解等复杂的物理化学过程，因而对燃烧器性能的深入研究有助于降低水泥烧制成本、提高水泥厂的生产能力。
在20世纪70年代石油危机后，国内外的回转窑所用燃料基本上都改为煤。近年来由于烧廉价燃料可以大幅度降低水泥生产成本，扩大资源利用势在必行，对环保提出了更严格的要求，降低NO。的排放已刻不容缓。欧洲国际火焰研究基金会欧洲国际火焰研究基金会《nternational flame research foun-dation，IFRF)直接资助对水泥回转窑内生物质和石油焦的燃烧及其火焰开展了研究工作，使回转窑生物质燃烧器很快由单风道发展到双风道、三风道、四风道甚至烧两种以上燃料的五风道。巴西的Greco技术装配公司已研究出的FlexiflameTM多通道9＼通道）燃烧器，不但能够燃烧多种燃料，如固体废弃物，液体废弃物等，而且实现了涡流空气在粉状燃料通道的内部和外部同时应用，这大大降诋了NO，的排放和提高了燃料的燃烧率‘“。理论研究和生产实践均证明，风道越多性能越好，可是结构就越复杂，重机械科学与技术量越重，价格也越高，在使用时还越容易弯曲圈。我国的企业大多数是购买国外的燃烧器圈。国内的研究主要是根据企业的实际情况，改进四通道以满足企业的实际需要。燃烧理论的研究和四风道生物质燃烧器的出现，使得低质煤在各种回转窑上得到了广泛的应用。四通道生物质燃烧机具有一次风总量低、燃烧效率高、火焰形状调节方便、煤种适应性强等优点，在水泥工业中被广泛应用嘲。
本文中根据流体力学及热力学的基本数学方程组，通过使用UG和Fluent软件，分别对四通道生物质燃烧器进行了三维建模和网格划分。采用Realiza-ble kt湍流模型和Simple算法，对该四通道生物质燃烧器进行了理论模拟，预测出了该四通道生物质燃烧器压力分布场和湍流速度场。
1 建立几何模型
该四通道生物质燃烧机的喷嘴结构由外向内依次为轴流风、煤风、旋流风和中心风。本文在对该四通道生物质燃烧机进行数值模拟分析中选取煤和空气分别通过的4个通道和回转窑为研究对象，通过使用UG6.0三维软件对该四通道生物质燃烧机进行三维建模，图1为四通道生物质燃烧机工作流域剖面图，图
2 湍流的数学模型
Lockwood筹人圈认为，虽然厶叩模型已被广泛地认为不适合模拟有强旋流的流动，但在计算的经济性、稳定性和燃烧应用结果的可靠性方面，它相对于其它高阶湍流模型是最合适的。因此，应用厶节模型计算旋流流动后认为，当旋流数较小时结果较理想，旋流数较大时结果稍差一些。适合于计算强旋流的还有差分雷诺应力q)SM）模型、代数雷诺应力(ASM)模型和差分雷诺通量模型等，但其收敛性均较差，难以得到满意的结果园。在计算弱旋气相流动时，RNG kt模型可以满足工程上的精度需求，没必要运用计算量很大的雷诺应力模型，但强旋流动中，雷诺应力模型能得到较满意的结果研。由于雷诺应力模型对硬件要求比较高，一般采用Realiza-ble kt模型也能较好地模拟旋流圆。
基于Fluent四通道生物质燃烧机流场数值模拟项；Gb是由于浮力引起的湍动能厶的产生项；Yvl代表可压缩湍流中脉动扩张的贡献；C．。、C：。和C3。为经验常数；d。和a。分别为与湍动能h和耗散率s对应的Prandtl数；Sk和S。是用户定义的源项。
上述微分方程同连续方程、Navier-Stockes雷诺平均方程组成的湍流运动方程组联合进行求解：有限体积法化微分方程为差分方程，差分格式均采用二阶迎风差分格式，对离散方程组的压力速度耦合采用经典的Simple算法，求解代数方程采用三对角矩阵TDMA逐线迭代及低松弛因子联合求解，收敛标准均取各因变量相邻两次迭代残差小于10“。
3 网格划分及边界条件
考虑到仿真结果的准确性和燃烧器的结构特点，在中心风道、轴流风道和煤风道使用结构化网旋风道使用非结构化网格划分模型。图3为整体流域和旋风道头部的网格划分。
以4 000 t/d四通道生物质燃烧机实际工况数据为边界条件，根据冷态工况温度300 K，查表‘阃得空气密度p=1. 165 kg／IJ13，动力粘度分别为p=1. 846×10。Pa．s；根据模型各单体入曰尺寸及水力直径计算公式dH =4×S//S为过流断面的面积，L为过流断面上流体与固体的接触周长）计算各风道入口水力直径；最后根据各风道的风速计算各单体入口雷诺数Re= pvdH仉及来流马赫数Ma= v/c，其中c为当地声速，对空气来说c= 20.1√丁，丁为流体绝对温度。具体计算结果如表1所示。
表1 四通道生物质燃烧机边界条件数值表
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┃ ┃入口风速 ┃水力直径 ┃ 来流 ┃ 来流 ┃
┃ ┃／缸．s“） ┃ /m ┃马赫数 ┃ 雷诺数 ┃
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┃轴流风 ┃ 240 ┃ 0.0 089 ┃ 0.6 894 ┃ 134 801. 733 ┃
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┃ 煤风 ┃ 35 ┃ 0.0 660 ┃ O．1 005 ┃ 145 782. 781 ┃
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┃ 旋流风 ┃ 240 ┃ 0.1 325 ┃ 0.6 894 ┃2 006 879. 742 ┃
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┃中心风 ┃ 50 ┃ 0.0 288 ┃ 0.1 436 ┃ 90 877. 570 ┃
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由表1数据可知，系统的各个入口来流马赫数均大于0.1，因此该系统流动属于可压缩流范畴；并且各个风道的来流雷诺数均远大于临界雷诺数Rec=2 000 N10 000 0羽，从而判定各管道的流动状态为湍流。根据可压缩流的计算边界条件，各风道的入口和出口分别选取速度入口和速度出口边界条件类型，其余边界均为固壁。燃烧器的网格划分采用了整体分割法、局部加密和网格自适应技术。燃烧器的中心风道、煤风道和轴风道采用了六面体结构仳网格，旋风道和相连的窑系统采用了四面体非结构化网格划分，在喷嘴与窑相接触的地方采用局部网格加密方法和网格自适应技术。共计生成2 070 421个网格，网格质量良好，扭曲率小于0. 65。
4 结果与讨论
在回转窑中，生物质与燃烧空气的混合主要取决于生物质和二次风的混合。一次风射流的出口动量和旋流强度越强，吸卷二次风的能力越强。四通道生物质燃烧器具有节能高效的特点，旋流风和轴向喷射风由高压风机供风‘加。通过螺旋导向部分，喷出燃烧器的气体形成强旋流，确保生物质与二次风充分混合均匀，达到火焰的强劲燃烧。轴向风采用轴向分布的气流喷嘴喷射，提高了火焰的刚度，喷射出亚音速的微向外发散的喷射风，形成多个外回流压，卷吸更多的二次高温热风，再强化燃烧。中心风在火焰根部中心产生一个较大的可变的负压回流区，减弱一次风的旋转，使煤风的厚度减薄，便于二次风穿透火焰，煤风混合更加均匀充分，可以大大缩短黑火头，中心风的大小调节可以改变燃烧器出口的内回流区的位置和大小，可降低火焰根部的局部高温，抑制NO。的产生，同时起保护燃烧器头部的作用。煤风采用低速风，可以减少燃烧器套管的磨损，提高燃烧器的使用寿命。流线和较大范围的回流区。图5说明由于中心风的影响，流域中形成小范围的负压回流区。同时可以看出燃烧器轴风道的高速气流与二次风相比具有很大的动压头形成的剪切层对燃烧器具有保护作用，使二次风的不稳定扰动难以影响到内部流场，从理论上分析有利于消除断火和烧窑皮现象。由图6的可以看出在喷嘴出口处各风道的速度最大，并在轴线方向上不断减小。流场下游处出现负压区，为回流区的形成创造了条件。旋风道强劲的高速气流使燃料和氧化剂得到充分混合，能够提高燃料的利用率。
5 结论
1)基于UG和Fluent理论建立了燃烧器的三维模型和网格划分，完成了可视化的数僮模拟。模拟的结果与文献[11]介绍到的四通道生物质颗粒燃烧机的实际工作特征相符，即喷嘴出口附近形成负压回流区，速度分布沿轴向衰减。仿真的结果表明Real-izable K-e模型用于模拟四通道生物质颗粒燃烧机的流动过程是合理的，模拟结果是可信的。
2)验证了该四通道生物质颗粒燃烧机结构的合理性。高速的旋风道和轴风道能够提高生物质和空气的混合率，进而提高生物质的燃烧率，保证火焰的温度。
