褐煤滚筒干燥机一种结构改进的数值模拟研究

张樱珞(辽宁石化职业技术学院，辽宁 锦州 121000)

0 引言

褐煤含水量高，在对褐煤进行气化前必须对其进行干燥。滚筒干燥机具有干燥强度高、结构简单、易于维修等优点。因此煤化工企业在干燥褐煤时常采用滚筒干燥机。但滚筒干燥机能耗高、热效率低等缺点不符合目前国家节能减排的要求，因而如何提高干燥效率，降低能耗，是滚筒干燥机亟待解决的问题。

滚筒干燥机内部的流场特性直接影响其干燥效率。近年来，国内外学者通过数值模拟对干燥机内部流场展开了大量研究。徐颖等[1]对滚筒内颗粒混合过程进行模拟研究，分析了抄板高度及抄板个数对滚筒内颗粒的受热均匀性的影响。程川[2]对滚筒干燥机物料运动过程进行了模拟研究，对物料运动过程、传热传质过程进行了分析。肖赟[3]对滚筒式蒸汽干燥机中加热管腐蚀弯曲变形和旋转接头的泄露等问题进行了分析研究。杨雪[4]模拟了滚筒干燥机内温度场以及流场，有利于干燥机工艺技术的改善。夏新茹[5]对滚筒干燥机内流场的数值模拟，得出其内部气固两相流的压力场、温度场和速度场。可以看出，许多专家学者从不同角度对滚筒内物料运动与传热均匀性进行了大量的模拟工作。本文提出一种局部结构改进方案，并对原结构和改进后的结构进行数值模拟，分析改进后的结构是否能提高两相流动的湍流度，使混合更均匀，为确定干燥机的合理结构提供理论依据。

1 干燥机改进结构后模型的建立

1.1 模型的创建

根据某企业生产的滚筒干燥机基本尺寸，采用Gambit软件建立干燥机三维模型。主要技术指标如表1所示。

表1 干燥机主要技术参数

干燥机内部抄板简化为直板升举式，沿滚筒轴向方向布置10圈抄板，每圈10个，各圈抄板交错摆列。依据上述参数建立模型，如图1所示。

1.2 改进结构后模型的建立

在上述干燥机基础上增加扰流装置。扰流装置由两块宽5mm厚1mm的金属板呈90°交叉形成。每隔两组抄板添加一个，四组装置均匀分布回转圆筒内，每一组与前一组相比，沿轴向旋转45°。装置结构如图2所示。

图1 滚筒圆筒干燥机模型

图2 扰流装置几何模型

1.3 模型网格划分

对原结构和改进后的模型分别进行网格划分。划分网格时，对流体区域分为固定部分和转动部分。固定部分为进风加料罩和出风排料罩区域，他们分别划分出21396和29278个网格。转动部分为滚筒内流动区域。

原结构中将滚筒分为附带抄板和内部空腔两部分进行网格划分，共划分出210839个网格，且网格质量良好，如图3所示。

图3 滚筒干燥机整体网格划分

改进后的结构中滚筒部分以一个抄板长度为单元，分别进行网格划分，每个单元的网格数为17386，扰流装置处的网格数为1366。

1.4 边界条件

由于增加扰流装置为局部改进，对整体没有影响。所以两结构边界条件设置基本相同。设置烟气、褐煤颗粒入口为速度入口，两者出口均为压力出口。设置内壁抄板部分和中间空腔部分的接触面为interface, 滚筒端面与进风加料罩和出风加料罩的接触面为interface, 进风加料罩和出风排料罩外壁为wall1，wall2，回转圆筒筒体外壁为wall。对改进后结构，每个小圆筒之间、小圆筒与扰流装置的接触面设置为interface。

2 计算方法

2.1 计算中的假设

实际生产中，干燥机内部两相流动和传热传质过程较为复杂，现对干燥过程予以如下假设：(1)进入干燥机内的烟气不含任何固体杂质，温度恒定保持在673K，并处于充分发展的湍流状态；(2)烟气为不可压缩流体，且全部从出风口排出；(3)物料颗粒为各相同性的球体，粒径与水分均匀一致；(4)干燥机绝热，干燥机外壁与外界环境没有热量交换。

2.2 算法

使用压力基求解器、标准k-ε模型、能量方程、PISO算法、混合物模型(Mixture)、多组分模型。模拟过程使用的蒸发模型，通过自定义函数UDF编程实现。加入重力对流场分布的影响。

3 模拟结果与分析

3.1 速度场分析

模型创建时，以进风加料罩与滚筒接触面中心点为坐标原点，流体流动方向为x轴正向。得到速度云图如图4、图5所示。

图4 原结构速度场沿中心剖面图

图5 改进结构后速度场沿中心剖面图

由图4可知，整体上烟气在滚筒内均匀分布，速度沿滚筒轴向方向逐渐减小，到达出口处速度略有上升。进风口处，烟气速度为21m/s, 加料口处物料均匀落入。对烟气流有一定的冲击作用，两者迅速混合向前运动。烟气逐渐在滚筒扩散，并与褐煤换热，随着行程的增加，流体速度逐渐降低，在距离出口1m左右处，速度已经降至1.5m/s，随后在烟气出口处，在引风机的作用下，烟气流动速度增加至12m/s。另外，在滚筒径向方向来看，从中心到壁面，烟气速度逐渐降低，靠近壁面处达到最低值。

由图5可知，扰流装置对整体流场影响较大。与图4对比可知，在进风加料罩处，两图速度云图基本相同。随着流体的运动，在x=120cm处遇到扰流装置的阻碍，速度方向发生改变，向扰流装置中心四周迅速分流，扩大至整个滚筒空间。在图5中可以看出流体分成上下两路支流，向下的支流与滚筒底部物料接触时仍具有较高速度。向上发散的烟气接触到筒壁后向前运动。由图5可以看出在x=120cm～x=360cm之间流体在滚筒上侧的运动是沿筒壁向筒中心扩散的。随后的流体运动受到出风口的引风机影响较为明显。

由图4、图5对比可知，第一个扰流装置对整个速度场影响明显，改变了x=120cm以后流场分布。其余扰流装置对流场的扰动没有明显效果。

3.2 温度场分析

图6为两结构温度变化对比图，其中温度变化1为原结构温度变化曲线，温度变化2为改进后结构温度变化曲线。由图6可知，改进结构后与原结构的温度分布有相似也有不同。两者整体温度分布相似，这是由于滚筒干燥机的干燥过程特性造成的。同时两者的局部温度变化存在差异。

图6 温度变化对比图

整体上，两者都符合干燥机内预热过渡阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段的总体分布，出口温度方面，原结构略低于改进后结构。在x=120cm～x=240cm区间内，改进结构后的温度梯度大于原结构温度梯度，这是由于向下运动的烟气与落到滚筒底部的物料接触时温度变高，流动速度更快。有利于滚筒底部堆积的物料与烟气换热。

4 结语

改进后的结构在原结构基础上增加了几个扰流装置，其中第一个扰流装置对滚筒内温度场和速度场分布影响较大，其余几个效果不明显。第一个扰流装置在x=120cm后，改变了速度场的分布，使向下的烟气与滚筒底部物料接触时，速度更快，温度更高。温度场方面，在第一个扰流装置后的x=120cm～x=240cm区间内温度梯度有明显的提高，在x=240cm以后，温度场与原结构趋于一致。本文中设置的扰流装置在一定程度上起到了扰流的作用，但效果不显著。