基于FLUENT的悬浮预热器气固耦合模拟与结构优化

王观民王自兴张凯博王文煜朱克敏栾素清解华华

1. 洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南 洛阳 471039

2. 矿山重型装备国家重点实验室（中信重工机械股份有限公司），河南 洛阳 471039

基于FLUENT的悬浮预热器气固耦合模拟与结构优化

王观民1,2王自兴1,2张凯博1,2王文煜1,2朱克敏1,2栾素清1,2解华华1,2

1. 洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南 洛阳 471039

2. 矿山重型装备国家重点实验室（中信重工机械股份有限公司），河南 洛阳 471039

根据某水泥厂应用良好的悬浮预热器C1筒，采用计算流体动力学软件Fluent对其进行模拟，分析物料粒径对分离效率的影响，得出进入预热器物料的合理粒径，再应用到目前正在设计的悬浮预热器的模拟优化中，对其筒内的烟气和物料两相流动进行三维湍流耦合模拟，得到筒内烟气的速度、压力分布云图、物料在旋风筒内的停留时间以及分离效率等。根据模拟分析结果确定合理的内筒高度，降低了压力损失并减少了耐热钢挂板的重量。

悬浮预热器 Fluent 分离效率 优化

0 引言

悬浮预热器是预分解窑烧成系统的核心设备之一，承担着气固分散、物料加热、气固分离、物料输送及部分物理、化学反应等多项功能。分离效率和阻力损失是设计预热器旋风筒主要考虑的两项性能指标。目前也有针对预热器内部流场和物料分离效率的研究，但是多局限于单一粒径，没有考虑物料的粒径分布，水泥厂对进预热器的粒度要求也仅是80μm筛余小于12%。故笔者首先针对某水泥厂应用良好的悬浮预热器C1筒结构，应用计算流体动力学软件Fluent对其进行模拟，分析物料粒径对分离效率的影响，得到满足分离效率的物料粒径临界点，给出进入预热器物料的合理粒径，再应用到某新型悬浮预热器的模拟中，优化其内筒高度。

1 计算模型

1.1 物料相模型

为了计算的精确性，选用离散型模型(discrete phase model, DPM)，并运用其中的随机轨道模型追踪预热器内的颗粒相的运动。当颗粒穿过流体运动时，颗粒的轨道以及传热量、传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流辐射引起的热量质量传递来进行计算[1]。离散相模型即可以通过在一个固定的流场中(非耦合方法)来预测离散型的分布，也可以在考虑离散型对连续相有影响的流场(相间耦合方法)中考察颗粒的分布。相间耦合计算中，离散相的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影响了离散相的分布[2]。可以交替计算连续相和离散相直到两相的计算结果都达到收敛标准。

1.2 气相模型

大量的研究已表明，预热器单体内部的流动状态为不可压缩湍流流动，而旋风筒内颗粒相的体积比率很低，满足颗粒群轨道模型的基本条件。Reynolds应力模型(RSM)是二阶距模型以及在此基础上经简化而得出的代数应力模型。RSM采用二阶关联量来模拟未知的三阶关联量和其它关联量，此模型对k方程和e方程中源相的模拟采用与k-e模型同样的方法。在很多情况下，RSM模型能够给出优于标准k-e模型的结果[3-4]。针对悬浮预热器内三维强旋流的特点，以及悬浮预热器不对称的强旋流场的各向异性等特点，在模拟中气相模型采用Reynolds应力模型。

2 模拟分析与结构优化

2.1 不同粒径颗粒的分离效率

根据某水泥厂应用状态良好的悬浮预热器C1筒为依托来研究不同粒径颗粒的分离效率，物料经原料立磨后的粒度要求是80μm筛余小于12%，故研究颗粒粒径的范围在0～80μm。从表1可以看出，直径越大的颗粒分离效应越好，粒径30μm是个临界点，30μm～80μm的颗粒的分离效率能满足工艺要求，即分离效率≥95%，所以在实际生产中需控制粒径30μm以下的物料进入预热器的含量，从而提高预热器的分离效率。

表1 C1筒对不同粒径颗粒物料的分离效率

2.2 模拟分析及结构优化

为了得到更为满意的结果，进行了多次内筒高度的模拟优化，限于篇幅大小，只选取三种内筒高度的模型进行论述。图1、图2和图3中按(a)、(b)、(c)的顺序，内筒高度依次降低，其中(a)为经验公式计算的内筒高度。

图1 剖面1速度云图

图2 剖面2速度云图

图3 剖面1压力云图

气体进入旋风筒后沿边壁旋转向下运动，在底部发生折返，从中心螺旋流出，速度呈现出双峰分布的特点。从图1可以看到，模拟计算准确地捕捉到了这一特性，在平均入口风速18 m/s的情况下，这三种内筒高度的速度分布类似，速度大小接近，但是随着内筒高度的降低，高速区域向上移动。从图2可以看到内筒内的速度分布呈环形分布，中间速度最低，向周围递增；随着内筒高度的降低，环形高速区的速度升高。另外可知被烟气带走的物料主要集中在内筒内壁附件，会加剧对内筒内壁附件的磨损。

从图3可以看出，静压的分布在此剖面沿径向由外向内递减，中心轴线附近静压较低，且为负压区。该负压区的出现，说明了在悬浮预热器的中心位置存在真空区，这主要是由于在悬浮预热器轴线附近存在着强度很高的强制涡。不同之处在于随着内筒高度的降低，压力最高处和最低处的压差不断减小，由(a)结构中的1 072 Pa减小到(c)结构的896 Pa；预热器进口和出口的压损随着内筒高度的降低也不断减小，由(a)结构中的669 Pa减小到(c)结构的603 Pa。

从表2可知，(a)、(b)两种内筒高度的旋风筒分离效率都能满足工艺要求，即≥90%，而(c)结构的旋风筒分离效率不能满足工艺要求，三种结构的物料停留时间相差不大。综合以上因素确定(b)结构的旋风筒更合理，压损比经验公式计算出的(a)结构降低41 Pa，并且降低了耐热钢挂板的使用量，节省了成本。

表2 不同结构的分离效率和停留时间

各级悬浮预热器采用以上方法进行模拟分析及结构优化前后的性能参数对比如表3所示，优化改进后的预热器系统总体压损降低321 Pa。经过优化后的预热器成功应用到唐山某水泥厂，反馈的数据表明预热器系统总体压损降低约300 Pa，这与本研究结果较吻合。

表3 各级悬浮预热器优化前后参数的对比

3 结束语

水泥生料颗粒直径在30μm以上时，悬浮预热器具备较高的分离效率。

优化改进后的预热器系统总体压损降低321 Pa，降幅为12%，旋风筒的总分离效率仅降低1.5%，说明优化后的预热器为系统节能减排要求的实现创造了条件。

[1] Raoufi A, Shams M, Kanani H. CFD analysis of flow field in square cyclones[J]. Powder Technol, 2009, 191(3): 349-357．

[2] Cortes C, Gil A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators[J]. Prog Energy Combust Sci, 2007, 33(5): 409-452.

[3] 王博. 旋风式预热器内气固两相运动的数值仿真研究[D].西安: 西安建筑科技大学.2003.

[4] 陈全德、陈晶、崔素萍,等.水泥预分解技术与热工系统工程[M]. 北京:中国建材工业出版社, 2005.

TQ172.622.24

A

1008-0473(2015)02-0035-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.02.009

2014-12-28）