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基于Fluent的蒸汽动能磨粉碎粉煤灰结构优化设计

2024-12-27 77 上传者：管理员

摘要：蒸汽动能磨技术通过Laval喷嘴可以实现粉煤灰的超细粉碎加工，可高效、经济地制备各种微米尺度的粉煤灰超微粉体。在分析研究过热蒸汽动能磨技术的基础上，通过CFD模拟建立蒸汽动能磨粉碎模型，定量考察了粉碎腔底部、喷嘴数量和粉碎腔长度的影响。模拟计算结果表明：具有粉碎腔底部结构、喷嘴数量在3或4时，喷嘴所在截面平均速度可达80 m/s。另外，当粉碎腔长度从1 080 mm增大到1 480 mm时，喷嘴所在截面和出口面的平均速度变化小于5 m/s，粉碎腔长度远低于喷嘴数量的影响。该模拟计算模型为基于过热蒸汽动能磨的粉煤灰超微粉碎工业生产线的大规模应用提供了基础。

关键词：
CFD
固体废物
粉煤灰
结构优化
过热蒸汽动能磨
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粉煤灰作为燃煤电厂排放的主要固体废物,需要适当的处理和利用,以减轻环境压力[1] ｡现阶段粉煤灰主要用于回填､铸砖､土壤改性和掺入水泥进行煅烧等方面,存在有效利用率低､经济效益不明显等问题｡超细粉煤灰可用于橡胶､塑料及复合材料等多个高附加值行业,且超细超微粉煤灰具有较大的市场前景[2] ｡另外,我国工业耗能50%的余热被废弃,余热资源利用技术存在巨大的潜力[3] ｡蒸汽动能磨利用锅炉产生的过热蒸汽,经过Laval喷嘴产生超音速气流,加速由螺杆加料机送入粉碎腔中的物料,使物料在相互碰撞､摩擦中被粉碎;粉碎后达到粒度要求的粉体在引风机的作用下,通过顶部设置的分级机由袋式收尘器进行收集,没有达到要求的物料返回至粉碎室继续粉碎,直至达到粒度要求｡蒸汽动能磨技术作为一种解决工业余热和粉煤灰低能耗的新方法,不仅对电厂过热蒸汽的余热进行利用,提高其余热高质化利用, 还增加了电厂粉煤灰附加值,显著增加电厂的收益[4] ｡因此,对蒸汽动能磨粉碎过程的研究是解决粉煤灰和工业余热问题的关键｡

目前,实验可通过气流粉碎分级机操作参数与粒度､产量的关系,间接探索粉碎腔分级机的气､固两相流运动规律,但很难获取粉碎及分级流场特性与外控条件的直接关系｡高性能计算机的问世及 CFD 理论､计算方法的不断完善,使得数值模拟探索气､固两相流复杂流场规律越来越受到青睐｡现阶段,对于蒸汽动能磨粉碎粉煤灰的模拟研究主要集中在喷嘴尺寸､粉碎分级腔体及颗粒粒径及分布等研究｡张明星等人[5] 通过 CFD 模拟研究了进料粒径､蒸汽进口压力等对产量､出料粒径的影响,研究了设备结构尺寸､蒸汽参数等关键控制条件与粉碎分级流场之间的关系,揭示了蒸汽粉碎的动力学机理,建立了蒸汽粉碎关键控制技术体系｡Li等人[6] 对喷嘴的高度和间距进行了CFD初步模拟设计,发现喷嘴间距为 455 mm,倾角为 4°的模型可以提供最大的垂直方向颗粒速度分布,是蒸汽动能磨粉碎粉煤灰的最佳结构设计选择｡Zhang 等人[7] 对过热蒸汽流化床粉碎过程进行了 CFD 模拟,得到了流化床粉碎过程的速度场和颗粒轨迹,并研究了两个相对喷嘴之间的距离和粉煤灰的进料位置等关键参数对速度场和颗粒速度的影响｡结果表明,在四喷嘴情况下,两相对喷嘴之间的最佳距离为142 mm,平均颗粒速度分布随粉煤灰给料位置的变化不大｡

为了更好地获得结构参数对粉碎过程的影响,主要针对规模化､超细化制备粉煤灰的蒸汽动能磨粉碎分级流场特性进行模拟,并考察粉碎腔底部､喷嘴数量和粉碎腔高度等因素的影响,通过调节参数定量获得最优粉碎结构设计参数｡

1、模拟设置

1.1 控制方程

连续性方程:

式中:ρ 为流体密度,kg/m3 ;ui为 i 方向上的分速度,m/s;p为静压,Pa;uj 为j方向上的分速度,m/s;μ为流体动力黏度,Pa·s｡Cp为流体的定压比热容,J/(kg·K); T为温度,K;λ为热导率,W/(m·K)｡

1.2 几何构体与网格

以2.4 m 高的蒸汽动能模型为参考,研究粉煤灰粉碎过程的气相流动过程｡该装置过热蒸汽从4 个拉瓦尔喷嘴入口通入,顶部出气,粉煤灰颗粒从圆柱容器中部进料口加入,如图 1 所示｡喷嘴数量为 4,粉碎腔高度为1 280 mm,粉碎腔内直径为800 mm｡

模拟采用与实验装置相同的尺寸进行计算,如图 2 所示｡喷嘴选用拉瓦尔喷嘴,过热蒸汽通过喷嘴后形成超音速气流,气流速度变化快,导致压力变化快, 需对超音速气流区域网格加密,保证模型中的最小几何尺寸下至少有 6 个网格填充｡为节省计算量,同时又能捕捉到喷嘴附近流体的流动状态,将流体计算区域分为喷嘴和其他区域两部分｡经过网格无关性测试,网格单元尺寸为0.07 m,增长率为1.2｡

图1 蒸汽动能模实验装置截面

图2 三维模型和截面网格

1.3 物性与边界条件

研究主要针对喷约束气流流场,喷嘴入口采用压力进口,进口压强为1.0 MPa(表压),进口蒸汽温度为 280 ℃,出口压力为-1 000 Pa｡计算表明,此时过热蒸汽经超音速喷嘴蒸汽速度可达800~1 000 m/s,此速度下, 气相为可压缩气体｡粉煤灰颗粒密度 2 435.9 kg/m3, 比热采用工业经验值 975 J/(kg·K),颗粒注入方式设置为group｡

1.4 求解设置

计算模拟过程主要有:①设备上部接风机部分对整个气流粉碎过程影响不大,省略该部分,即分级轮上部直接为出口;②分级轮主要对粉碎后的颗粒进行分级,达到目标尺寸的颗粒被及时分离,此过程对粉碎过程的流场影响较小,因此省略该部分;③忽略原料粉煤灰的粒径尺寸､化学组成及物相结构等参数对粉碎的影响｡

研究模拟采用稳态计算,湍流模型选用标准的 k-ε 模型｡针对可压缩流动,求解方法使用基于压力的Coupled算法,对流项均采用二阶上风格式离散｡能量方程收敛标准为 10-6,其他收敛标准采用 0.001｡通过监控出口速度､能量､k 和 ε 值随时间的变化,判断流体是否达到稳定状态

2、结果与讨论

2.1 模拟计算基础结果

气流粉碎流场主要分析喷嘴出口速度和蒸汽动能磨腔体内速度分布与变化｡首先,通过上述物性､边界条件和求解设置对图 1 蒸汽动能磨实验装置进行模拟,如图3所示｡由图3(a)可知,根据流化床气流分级机内速度分布状态,可以将其划分为流化床气流粉碎区､颗粒传输区和分级轮分级区｡其中,喷嘴附近的气流粉碎区速度最高,在 90~180 m/s 区域内,主要对输入粉煤灰进行气流粉碎｡粉碎区上部为颗粒传输区,此区域主要功能为将粉碎的颗粒传输到分级区｡接近出口为分级区,主要对已粉碎的颗粒进行分级, 此区域速度最低,仅在20~8图3 蒸汽动力磨内腔内速度分布0 m/s,主要是由于能量转移,造成速度减慢｡

图3 蒸汽动力磨内腔内速度分布

喷嘴截面处的速度分布图3(b)可知,喷嘴处的速度分布是典型的 Laval 喷嘴的速度分布,在喷嘴出口处产生超音速气流,且此处速度达到最大值[8] ｡另外,加入粉碎腔体的颗粒到达四喷嘴结构粉碎中心处的概率较大,此时颗粒的粉碎效率较高｡

2.2 粉碎腔底部的影响

为了获得蒸汽动能磨结构参数对粉碎流场的影响,考虑去除粉碎腔底部,观察腔体内流场变化情况, 如图 4 所示｡去除粉碎腔底部后,腔体内最高速度仅为 153 m/s,比基础结构(178 m/s)低 25 m/s,主要是由于去除粉碎腔底部后,喷嘴出口处的涡流传输区域变窄,造成四喷嘴碰撞几率降低,进而腔体内速度减慢｡因此,过热蒸汽动能磨装置需要保留底部装置,从而实现蒸汽动能磨粉碎粉煤灰速率的最大化｡

图4 蒸汽动力磨腔内速度分布

2.3 喷嘴数量的影响

速度是决定粉煤灰超细化制备最关键的因素,而影响喷嘴出口的速度除了气相参数,主要是喷嘴参数｡因此,对喷嘴数量影响喷嘴出口的流场特征进行模拟｡图5为两喷嘴､三喷嘴､四喷嘴和五喷嘴条件下的蒸汽动能磨结构粉碎流场特征结果｡从图5中可以看出,4 种喷嘴在喷嘴所处平面产生最大速度接近于 1 000 m/s气流,且 2喷嘴气流衰减速度较 5喷嘴更明显,主要是由于随着喷嘴数量的增多,入口蒸汽引进量增多,造成粉碎腔体内中心处气流增多,速度衰减减弱｡

从图6计算结果发现,喷嘴所在平面气流平均速度和蒸汽动能磨出口处的平均速度均随喷嘴数量增多而增大,主要是由于喷嘴数量越多,粉碎腔内结构流场更均匀,气流顺利流入出口处,从而获得更大的气流速度｡但考虑到喷嘴数量对颗粒加速性能的影响,低喷嘴加速同粒径颗粒能力强于高喷嘴,综合考虑在3､4喷嘴数量下的气流碰撞区内,颗粒将获得更高的碰撞动能和碰撞速率｡

图5 喷嘴数量对流场速度的影响

图6 喷嘴数量对喷嘴横截面

2.4 粉碎腔长度的影响

粉碎腔长度同样是影响粉碎特性的重要因素,通过考虑粉碎腔长度在 1 080~1 480 mm变化,如图7所示｡由图7可以发现,随着粉碎腔长度的增大,腔体内的速度变化较小｡通过计算喷嘴所在截面处和出口处平均速度发现,当粉碎腔长度从1 080 mm增大到1 480 mm 时,喷嘴截面处的速度在 86 m/s 变化､出口处速度在 71 m/s变化,且变化量均在5 m/s内,如图8所示｡相比于喷嘴数量的影响,粉碎腔长度影响较小,主要是由于过热蒸汽动能磨粉碎过程通过Laval喷嘴加速蒸汽形成超音速气流,超音速气流将粉煤灰颗粒进行加速,使得加速后的颗粒相互碰撞､摩擦而粉碎｡因此, 增大喷嘴更容易提高气流粉碎强度,进而影响量更大｡

图8 粉碎腔长度对喷嘴横截面

3、结论

过热蒸汽动能磨粉碎技术不仅可以实现粉煤灰的规模化､低成本超细粉碎,而且能够降低过热蒸汽能量浪费｡为了更好地利用此工艺,通过 Flunet 模拟计算,分析了蒸汽动能磨粉碎过程,定量计算了粉碎底部､喷嘴数量和粉碎腔长度的影响｡

(1)介绍蒸汽动能磨装置内的速度分布,并将其分为粉碎区､传输区和分级区,模拟结果发现粉碎区气流速度>传输区速率>分级区速度｡

(2)计算去除粉碎腔底部结构后的气流速度变化,腔体内的最高速度比基础装置下的速度低25 m/s, 表明粉碎腔底部对气流粉碎的重要性｡

(3)研究喷嘴数量对流场的影响｡随着喷嘴数量的增多,喷嘴所在平面气流平均速度和蒸汽动能磨出口处的平均速度增大｡但考虑到喷嘴数量对颗粒加速性能的影响,喷嘴数量为3或4时,颗粒同时获得较高的碰撞动能和碰撞速率｡

(4)定量计算了粉碎腔长度对流场速度的影响｡随着粉碎腔长度从 1 080 mm 增大到 1 480 mm,喷嘴所在截面和出口面的平均速度变化小于 5 m/s,粉碎腔长度对其影响远低于喷嘴数量的影响｡

参考文献:

[2]甄杰,陈伟,甄常亮,等 .除尘灰和粉煤灰等工业固废的利用现状及发展趋势[J].河北冶金,2023(3):1-5.

[3]张进华,秦强,赵香龙,等 .低品位工业余热利用技术及研究进展 [J].能源科技,2022,20(4):86-92.

[4]张红阳,王晶晶,李君.基于过热蒸汽动能磨的粉煤灰超细粉碎技术[J].能源科技,2024,22(1):88-91.

[5]张明星 .利用工业余热高产量/低能耗粉碎粉煤灰的动力学机制及关键控制技术[D].绵阳:西南科技大学,2022.