工业锅炉的CFD模拟与优化

刘欣欣

（商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000）

燃烧是诸多材料制备生长过程中必经的阶段，在金属冶炼、化工肥料、燃料电池等诸多领域中都有涉及[1-3]。燃烧过程包括各种物理现象：传热、流体流动、化学反应和其他复杂的过程。作为一般燃烧过程所采用的发生器（锅炉），其在运转过程中涉及的传热传质过程很难采用实验手段进行监测，因此，数值模拟的发展为研究和分析这类问题，特别是传热应用提供了一种有效的解决方案。计算流体动力学（CFD）目前在涉及流场变化的燃烧现象过程中发挥着非常大的作用。事实上，计算流体力学（CFD）可以研究锅炉全容积内的湍流和组份传输现象，同时还可以优化几何参数和运行条件，以提高燃烧反应和锅炉效率，降低损失。近几十年来，为了研究不同类型的锅炉在不同工业应用中的燃烧情况，各国科学家开展了多项CFD研究工作，采用CFD方法对大型和小型锅炉的生物质燃烧进行了大量研究[4-6]。

本文对硫酸工业的冶炼锅炉（如图1所示）进行分析，研究了工业锅炉的燃烧情况，对流体流动特性，如温度、速度场、密度，进行综合分析。为锅炉的优化设计提供理论依据。

图1 工业锅炉

1 数值模拟

1.1 几何模型

图2 所示为工业锅炉优化前后几何模型，优化的模型主要在靠近进口处增加一个气流挡板，所建立的模型采用工业实际尺寸，内部腔体为直径3 890 mm的圆柱，总长14 181mm，空气和硫磺入口内径分别为600 mm 和100 mm，出口内径为1 768 mm。锅炉设有三个挡板[7-8]。

1.2 边界设置

对分析模型设定边界条件，硫磺粉体入口设置为速度进口，温度为413 K，进口速度为5.55 m/s，设置空气进口为压力进口（Pressure-inlet），出口为压力出口（Pressure-outlet），详细参数如表1所示。

图2 工业锅炉优化前后几何模型

图3 优化前后炉体温度场分布

图4 优化前后炉体速度场分布

表1 边界条件

2 结果与讨论

2.1 温度场模拟

图3为优化前后炉体内温度场分布图，从图3中可以看出在未优化的锅炉内，硫磺进口处及挡板周围的温度分布较高，锅炉内燃烧反应主要发生于炉体中部，温度随液体沿锅炉流动而缓慢下降，由于原始炉体的设计使得进口处温度和燃烧反应区的温度基本相同，这样对于进口管来说，长期使用会造成一定的损耗。对炉体进行优化，在进口处底部增加一个挡板，缩短原始炉体进口处顶部挡板尺寸长度，同时在靠近出口处顶部增加一个挡板，这样使得进气口气流在挡板扰动下更加均匀。从图3（b）可以看出进口区域温度明显下降，出口挡板的设置使得热流进行回流，从而起到保温的作用。

2.2 速度场模拟

图4为优化前后炉体速度场分布，从图4中可以看出挡板的设置使得进口处的燃料硫粉蒸汽产生回流，此时从截面图来看，进口处x=1.4m处优化后的速度场出现了弥散的情况，而随着靠近出气口速度场逐渐增加而减小。从速度矢量图来看，挡板处产生明显的回流圈，回流圈的出现使得炉体内的速度场更加的均匀。经过优化后的炉体燃烧区域的速度场基本维持在54 m/s以下，相比未经优化的炉体其燃烧部位速度场更加均匀，均匀的温度场有助于反应的稳定。

3 结 论

采用Ansys-Fluent 流体计算软件，对硫酸工业炉的温度场及速度场进行模拟分析，进而对传统工业炉进行优化设计，通过增加挡板使得进口处温度减小，整体锅炉内温度场及速度场分布更加均匀。