基于十字搅拌器的湿煤灰搅拌数值模拟

张锦洲，高陈，易先中，李亚航 (长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

张雷 (徐州工业职业技术学院建筑学院，江苏 徐州 221140)

煤化工的造气和净化洗气工艺中，高温循环水经过混合、絮凝、澄清、分离工序，细小的颗粒、悬浮物从循环水中分离出来，形成带有油状表面、含水量较大、成分复杂的黑色湿煤灰[1,2]。大量湿煤灰的处理是急需解决的环境问题，将湿煤灰的处置与资源化利用相结合是湿煤灰处理的最佳出路，湿煤灰的资源化利用能够部分减少对自然资源的消耗，符合可持续发展的理念。通过技术处理将湿煤灰作为建材利用或燃料利用是国际上比较先进的湿煤灰处理技术，这在很大程度上缓解了环境污染等问题，更实现了变废为宝[3]。但无论哪种无害化、资源化处置方法,湿煤灰搅拌都是必不可少的环节，因此，研究水与湿煤灰两相流数学模型，对其进行数值模拟并分析其搅拌过程对湿煤灰资源化利用都有着重要作用。下面，笔者利用Fluent软件对十字搅拌器湿煤灰固液两相流搅拌情况进行数值了模拟。

1 计算模型

图1 十字桨搅拌器模型图

1.1 几何模型及网格划分

采用Fluent的前处理软件Gambit建立模型，搅拌器尺寸如下：桶半径1m,桶深2m,十字桨片半径0.3m，高度0.3m，厚度10mm。建成的搅拌器实体模型和划分网格如图1所示。

1.2 数学模型

任何流动问题都必须满足质量守恒定律，根据质量守恒定律得出质量守恒方程[4]：

(1)

式中,ρ为流体密度；t为时间；u、v、w为速度矢量在X、Y、Z方向的分量。

对于不可压缩流体,密度ρ不变,是一个定常值,因此,式(1)可变为:

(2)

而当流体流动状态为稳态时,密度将不再随着时间的变化而变化,此时式(1)可变为:

(3)

质量守恒方程式(2)和式(3)通常称为流体流动的连续方程。

1.3 物性条件及参数设置

根据工程实际，湿煤灰颗粒直径设定为0.002m，其黏度为水的30～70倍，选择50倍的值。

多相流流体的基本模型主要有VOF模型、混合模型以及欧拉模型3种,其中欧拉模型计算结果精度相对较高[5]。笔者选用欧拉模型，湍流模型选用经典的k-ε湍流模型[6,7]。在Fluent中读入网格，检查网格，设置边界条件为速度进口，两相分别设为湿煤灰和水。

2 模拟计算结果与分析

2.1 压强分析

设置湿煤灰体积分数为30%，依次模拟搅拌速度为40、50、60、70r/min的两相流在搅拌器内部的搅拌情况，得出搅拌槽内部压强云图如图2所示。

图2 压强云图

图3 压强-转速图

从流场的模拟结果可以看出，搅拌器靠近桨片处流体压强最大，且十字桨片受力均匀。桨片端部受压强最大，桨片根部受压强最小，随着流动远离桨片，压强逐渐减小，在靠近转轴处，压强最小。图3为压强-转速关系图，由图3可以看出，当搅拌轴转速从40r/min增大到70r/min的过程中，压强逐渐增大，表明搅拌器内部压强随着搅拌轴转速的增大而增大。压强越大，桨片受力越大，越容易损坏。因此，当转速越小时，桨片的耐用性越强。

2.2 流速分析

为更好地观察混合体在搅拌槽中的搅拌状况，笔者对搅拌器内部做了流速分析，如图4所示。

由图4可以看出，搅拌器桨片端部处流体速度最高，随着流动远离桨片，速度逐渐降低，叶片喷射出的流体进入周围大量低速流动的液体中，卷吸周围流体，并沿着径向扩散。搅拌器下部，靠近搅拌槽的部分速度最大，这是由于叶轮推动液体时，液体先沿着径向流动，碰上搅拌槽后分别向上向下流动，即轴向流动，从而导致搅拌槽附近的轴向速度较大。其中代表高速的为高亮度区域，高亮度区域的面积越大，搅拌效果越好。在搅拌转速为40、50、60、70r/min的情况下，贴近搅拌槽的部分区域，都会出现速度较低值的搅拌不良区，此时可通过增加搅拌桨的个数，改善搅拌情况。

图4 速度云图

2.3 湿煤灰浓度分析

为研究湿煤灰分层情况，笔者研究了不同转速下搅拌槽中湿煤灰的浓度分布情况，如图5所示。

图5 湿煤灰浓度分布图

在图5中，颜色越亮，表明湿煤灰浓度越高。从流场的模拟结果可以看出，搅拌器右侧贴近桨片区域湿煤灰浓度较大。随着转速由40r/min增大到70r/min，桨片左右两侧区域颜色变化越来越明显，说明湿煤灰分层现象越来越严重。因此，只有当转速较低为40r/min与50r/min时，搅拌更均匀。

3 结论

1)随着搅拌器转速的提高，桨片的压强随之增加，桨片根部受压较小，端部受压较大。

2)在远离桨片，贴近搅拌槽的局部地区会出现搅拌不充分的地方，可通过增加桨片数目，减少搅拌不充分问题出现的几率。

3)搅拌湿煤灰时，搅拌器转速较高时，湿煤灰分层情况严重，搅拌效果差。此时宜采用较低转速。

[参考文献]

[1]李兵,尹庆美,张华,等. 湿煤灰的处理处置方法与资源化[J]. 安全与环境工程,2010,17(4):52～56.

[2]李艳霞,陈同斌. 中国湿煤灰有机质及养分含量与土地利用[J]. 生态学报, 2009, 23(11): 2464～2474.

[3]韦朝海,陈传好. 湿煤灰的处理、处置与利用的研究现状分析[J]. 城市环境与城市生态,2009,11(4)：10～13.

[4]赵玉鑫，刘颖杰. 湿煤灰处理技术及工程实例 [M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[5]张光明，张信芳，张盼月. 湿煤灰资源化技术进展[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

[6]杨晓璞,赵学义,金赟. 高浓度黏稠物料加压旋转流变仪的研制与标定[J]. 机械工程学报，2009，41(4):59～62.

[7]牟童. T 型搅拌器数值模拟研究[J]. 南水北调与水利科技,2014(3):89～94.