ＣＦＤ模擬技術(shù)在陶瓷內(nèi)襯多通道煤粉燃燒器中的應(yīng)用

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1、CFD模擬技術(shù)在陶瓷內(nèi)襯多通道煤粉燃燒器中的應(yīng)用摘要陶瓷具有耐高溫的特性，多作為內(nèi)襯應(yīng)用在多通道煤粉燃燒器上來提高煤燃燒效率。本文通過CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了溫度、速度、NO流場的影響，驗(yàn)證了陶瓷多通道煤粉燃燒器的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞數(shù)值模擬，陶瓷內(nèi)襯，多通道煤粉燃燒器1刖S多通道煤粉燃燒器（或煤粉燃燒器）是近年來開發(fā)成功的新型燃燒設(shè)備。煤粉通道采用陶瓷復(fù)合層，具有磨損極小的顯著優(yōu)點(diǎn)［1］。陶瓷內(nèi)襯的外層是鋼管，內(nèi)層是剛玉。剛玉層維氏硬度高達(dá)1100?1500（洛氏硬度為90?98）,耐磨性比碳鋼管高20倍以上［1,3］。數(shù)值模

2、擬方法以節(jié)省時間、節(jié)省人力物力、適應(yīng)可變因素等諸多優(yōu)勢越來越被人們重視。其前端處理通常要生成計算模型所必需的數(shù)據(jù)，后處理過程通常是對生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和詮釋，一般以直觀可視的圖形形式給出［2］。本文應(yīng)用CFD技術(shù)模擬陶瓷多通道煤粉燃燒器在窯內(nèi)的燃燒情況，深化了對基本現(xiàn)象和過程的認(rèn)識，提高了經(jīng)濟(jì)效益。2陶瓷內(nèi)襯的制備方法將粒度一定的Fe203粉、Al粉及SiO2粉等，按一定比例配制成鋁熱劑，充分混合并烘干后，填充于鋼管內(nèi)，點(diǎn)燃鋼管上部的反應(yīng)物料使其發(fā)生自蔓延鋁熱反應(yīng)(Fe2()3+2A1二A1203+2Fe+836kJ)。該反應(yīng)產(chǎn)

3、生近3000°C的高溫，使反應(yīng)生成物A1203和Fe處于熔融狀態(tài)，并在未反應(yīng)物料上部形成熔池。當(dāng)燃燒界面到達(dá)鋼管弧彎處時，通過啟動旋轉(zhuǎn)裝置，使鋼管按箭頭方向慢慢旋轉(zhuǎn)，以使燃燒波面和反應(yīng)熔池始終保持水平。由于熔池中液相鐵的密度大于氧化鋁熔體的密度，因而在重力的作用下，不互溶的兩相熔體分離，使金屬鐵沉積于熔池底部，氧化鋁浮于上部，隨著自蔓延反應(yīng)燃燒波面和反應(yīng)熔池口上而下的移動和鋼管向外散熱冷卻，氧化鋁陶瓷自上而下在鋼管內(nèi)壁結(jié)品凝固，形成一層厚度在0.8?2?5mni的均勻的氧化鋁內(nèi)襯陶瓷涂層。由于氧化鋁內(nèi)襯陶瓷與鋼管在熱膨脹系數(shù)上存

4、在著較大的差異，使鋼管對陶瓷層產(chǎn)生較強(qiáng)烈的機(jī)械壓迫效應(yīng)，從而使兩者在工作狀態(tài)下能保持良好的結(jié)合而不分層。冃前，使用由該方法制備的高耐蘑陶瓷內(nèi)襯鋼管的抗蘑損能力高，抗流體沖刷能力強(qiáng)。在一次風(fēng)管中，陶瓷內(nèi)襯鋼管彎管的耐磨性可比厚壁的耐磨鑄鋼彎管提高5倍以上。據(jù)估計，相同規(guī)格和長度的管道，陶瓷內(nèi)襯鋼管的重量是耐磨鑄鋼管或雙金屬復(fù)合管的1/2左右，其每米工程造價可降低30?40%；同時其重量只有鑄石管和稀土耐磨鋼管的2/5左右，而每米工程造價降低20%以上。在腐蝕或高溫場所下使用的陶瓷內(nèi)襯鋼管，其價格只有不銹鋼管、鎳鈦管的幾分之一，耐磨

5、性則比碳鋼管高20倍以上,比通常粘接而成的剛玉砂輪性能優(yōu)越得多，因此有很高的使用價值。3CFD計算過程3.1模型建立及網(wǎng)格劃分根據(jù)所提供的結(jié)構(gòu)圖及相關(guān)參數(shù)建立三維幾何模型（圖1）,采用Gambit軟件建模，然后由Fluent進(jìn)行求解。由內(nèi)向外，依次為中心風(fēng)、旋流風(fēng)、煤風(fēng)、直流風(fēng)通道。旋流風(fēng)通道采用長螺旋葉片軸流式旋流器，直流風(fēng)通道在噴口安裝了12個周向分布的噴嘴，煤風(fēng)道運(yùn)用陶瓷內(nèi)襯。模型的建立如圖2、圖3所示。圖1多通道煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)圖2多通道煤粉燃燒器建模圖3多通道煤粉燃燒器網(wǎng)格劃分3.2邊界條件的設(shè)定邊界條件設(shè)定時的各風(fēng)道運(yùn)

6、行參數(shù)值如下表所示。3.3模型選取由于模擬的是多通道燃燒器在窯內(nèi)的燃燒情況及組分情況，故采用FluentG.1.22模型，選取非耦合即分離的求解器，隱式算法，定常的3D空間流動，絕對速度，按單元中的壓力梯度計算，指定superficia1的多孔介質(zhì)速度近壁面k-e湍流模型。4結(jié)果分析4.1燃燒過程的溫度分布從圖4可以看出，幣體火焰顏色分布符合實(shí)際燃燒情況，燃燒器外部邊界的溫度較高，到窯部分溫度依次降低。煤粉燃燒時進(jìn)行熱傳播，主要通過火焰中高溫氣體、固體微粒的熱輻射把熱量傳給物料和窯襯，故而壁血處溫度最低但不為零。由于燃燒器尺寸相

7、對窯體而言較小，所以燃燒充分看不岀回流部分。風(fēng)道處溫度較高，煤風(fēng)道入口溫度最低幾乎為零，窯內(nèi)部分火焰擴(kuò)散均勻。隨著火焰溫度的上升，后期燒成帶的溫度提高。圖4y=0面溫度分布云圖4.2燃燒過程速度分布由圖5可以看出，從燃燒器出來的燃料的速度射流影響較大，然后依次降低，窯壁面因設(shè)為固定壁故而沒有速度。旋流風(fēng)道和直流風(fēng)道風(fēng)速差較大，提高了燃盡率。實(shí)際操作中將旋風(fēng)道風(fēng)速由傳統(tǒng)的120m/s提高到160m/s,直風(fēng)道由180m/s提高到240m/s，該推力增強(qiáng)了對高溫二次風(fēng)的卷吸能力。煤風(fēng)采用低速風(fēng)，可減少燃燒器套管的磨損，提高壽命。根據(jù)

8、矢量分布云圖可知，從旋風(fēng)道有旋轉(zhuǎn)速度（箭頭所示）產(chǎn)生了切面動量，這樣可以通過旋流來卷吸大量的高溫?zé)煔饧訜崦悍?，對火焰形狀起到了很好的控制。該結(jié)構(gòu)中旋流角度的使用提高了混合效率。同時穩(wěn)定了火焰，提高了燃燒強(qiáng)度，停留時間分布更為合理，火焰形狀滿足回轉(zhuǎn)窯燒成的要求。圖