水泥窑用生物质燃烧机分析

水泥窑用生物质燃烧机分析
    摘要：针对四通道旋流煤粉生物质燃烧机，建立生物质燃烧机一回转窑三维物理模型，利用fluent技术及tecplot后处理软件对窑内气相流场进行三维冷态数值模拟。考察了生物质燃烧机出口附近气流场的分布状况，分析了各风道风速和旋流角的变化对四通道生物质燃烧机气流场的的影响。冷态数值模拟结果可为合理控制窑内热态工况提供参考，为四通道煤粉生物质燃烧机的优化设计提供依据。
    回转窑是对散状或浆状物料进行加热处理的热工设备，广泛应用于水泥、冶金、化工等部门。水泥回转窑生产过程中燃烧技术对熟料质量有着决定性的影响…，生物质燃烧机因此成为回转窑运行的核心设备之一。生物质燃烧机主要为窑内燃烧点火，并为回转窑物料和煤粉的燃烧反应提供一次风，配合回转窑二次风和三次风，**回转窑的正常稳定运行。随着科技的进步，国内外各种类型的生物质燃烧机应运而生，技术不断革新，并由较初的单通道逐步发展为现茌应用广泛的多通道旋流煤粉生物质燃烧机[2]。相对于回转窑而言生物质燃烧机体积很小，但其性能直接影响煤粉的着火、燃烧特性以及回转窑的安全经济运行。因此，对四通道旋流煤粉生物质燃烧机在窑内形成的气流场特性进行研究意义深远。相比传统简单的模拟试验研究而言，三维模拟可对一些大型试验进行预测，可靠性高。由于生物质燃烧机形成的窑内空气动力场主要由各类风速度和角度决定，因此生物质燃烧机冷态流场回流区的形状和流动规律与热态基本相似圈，从而冷态数值模拟所得到的气流场规律可为热态数值模拟及窑内物料运动分析提供依据，用于指导生产实践。
    本文用gamhit软件对四通道旋流煤粉生物质燃烧机建立三维网格，利用CFD流体软件对生物质燃烧机的空气动力特性做三维冷态数值模拟，结合后处理软件tecplot对模拟结果进行分析。
1  四通道生物质燃烧机的优势及流场分析
1.1  四通道煤粉生物质燃烧机的优势
    相比较其它少通道煤粉生物质燃烧机而言，四通道生物质燃烧机是全新一代燃烧设备，其结构由四个风道组成，从外向内一般依次为外风啐由流风）通道、煤风通道、内风旋流风）通道和中
心风通道。
    四通道生物质燃烧机使窑的一次风用量下降至10%甚至6%~8%左右。4。，降低了系统的能耗；通过中心风出口的火焰稳定器增强了气流的循环流动，更有利于控制火焰形状，形成的窑皮均匀，生物质燃烧机燃烧效率高。此外，降低了火焰根部的≥114温度，保证火焰中心状况良好，能明显降低NO。的形成圈，减少环境污染。四通道生物质燃烧机煤种适应性强，广泛应用于水泥工业陶。
1.2  四通道煤粉生物质燃烧机流场分析
    对窑内回流区进行分析是四通道生物质燃烧机流场模拟的重点。所谓回流区，是指气流速差所形成的逆流区。根据前人分析总结，水泥回转窑内主要存在三个回流区圈，一是中心回流区，产生于生物质燃烧机出口轴线处，由旋流风轴向速度卷吸中心风形成；二是内回流区，产生于生物质燃烧机出口端部上面，由轴流风和切向旋流风卷吸周围空气而成；三是外回流区，产生于二次风入口处，由切向旋流风形成。合理控制回转窑内回流区分布有利于稳定火焰，增加可燃混气停留时间，提高燃烧效率。
2  物理模型及数值算法
2.1数值模拟算例
    以某一条5000 t/d水泥生产线的窑头燃烧器为例，该水泥窑规格为科．8m x72 m，由于窑内壁镶嵌耐火砖，窑实际内径为4.4 m左右。
    生物质燃烧机各出口风道及整体几何模型，生物质燃烧机总体直径约0.5 m，伸入窑头端部0.4 m。
2.2  网格模型划分及处理
    生物质燃烧机相比回转窑而言体积很水，将整个回转窑内部体积除去生物质燃烧机伸入部分，剩下的空间看成整体进行网格划分。本文主要针对生物质燃烧机出口部分气流场，由于生物质燃烧机出口附近湍流强烈，因此对该区域网格进行加密处理，模拟区域经划分共产生网格数626 000，网格扭曲率小于0.5，质量良好，如图3所示。整个生物质燃烧机流场采用三维数值模拟，比二维模拟更接近实际工况，准确性和可靠性更高。
2.3数学模型建立
    生物质燃烧机各风道的入口雷诺数均远大于内流条件下的湍流临界雷诺数。8。，判定各管道的流动状态为湍流，可定义出流以及整个系统流动为可压缩流动。标准A—s模型主要针对湍流发展非常充分的流动，是一种高雷诺数湍流计算模型[，且具有较高稳定性、精确性，应用广泛‘旧，因此窑内流场气相采用标准k-E双方称湍流模型。
    上述微分方程包含湍流动能矗）方程及湍流耗散率e）方程，结合雷诺平均Navier - Stoc:kes方程组进行联合求解。使用有限体积法将微分方程转化为差分方程，差分格式均采用一阶迎风差分，对离散方程组压力速度耦合采用工程中广泛应用的SIMPLE算法。标准k-e模型应用于窑内远离窑壁的湍流区，靠近窑内壁区域采用壁面函数算法。
2.4边界条件设定
    生物质燃烧机各风道口和二次风入口设置为速度入口边界条件；窑尾出口面设置为压力出口边界条件，结合窑实际压力情况，将压力大小设置为-1 300 Pa;回转窑内壁采用壁面kvall）无滑移边界条件。
3  模拟结果分析
    为了比较生物质燃烧机各风道不同风速及不同旋流角对气流场的影响，先设定一组运行参数为工况1，其它各组分别改变一个不同参数进行模拟，各参数设定及工况如下表所示：冷态气流场模拟在不同运行参数下的边界条件设置
    备组工况分别使用FLUENT软件进行模拟，进行1 100多次迭代计算，每次计算监视器中生物质燃烧机出口气流速度计算残差都约为10“，证明流场收敛。
3.1  三维冷态气流场分布
    对工况1设定的各参数进行迭代计算，图4为生物质燃烧机附近速度云图模拟结果，图5、6为截面图。尺和Z分别表示径向和轴向，X和l，为回转窑截面的二维表示。
    图4中由于轴向高速轴流风喷出，其速度明显**其他区域，图5中类似环形区域速度较小，约为15 m／s，观察图4和图5可得Z =0. 14 m截面处，环形区域面积较大，可判定*1期刘义伦等：水泥窑用生物质燃烧机三维流场冷态数值模拟为生物质燃烧机端部上面的回流区，通常称内回流区，由轴流风和旋流风轴向风速与周围空气场形成的速差射流而形成，主要卷吸高温烟气，为点燃煤粉提供所需热量和氧气。
    图6显示Z=0.4 m处截面为中心回流区沿窑径向延伸范围较大处，截面中心处速度较小，约为12 m／s，该回流区由旋流风轴向速度与中心风产生速差射流而产生，卷吸中心风，促进煤粉的混合预热及燃烧。中心回流区使火焰更加稳定合理。
3.2轴流风对气流场的影响
    在工况1的基础上，将生物质燃烧机轴流风速度参数增加为310 m/s，工况2为各参数值，生物质燃烧机附近速度云图模拟结果如图7所示。
    从图7可看出当生物质燃烧机轴流风速度变大时，中心回流区长度变短。这是由于随着轴流风增大，与二次风的速差随之增加，导致外回流区增大，从而对中心回流区产生一定的挤压作用。当轴流风风速增加到一定值时，强烈的速差射流作
    风310m/s时流场速度云图用将使外回流区扩大延伸，甚至造成中心回流区逐渐消失。然而轴流风诋时，由于中心煤粉浓度过大，燃烧氧气不足。增加轴流风用量不仅使煤粉分布均匀，而且提供更多氧气，有利于煤粉燃烧。
3.3煤风对气流场的影响
    工况3中，将生物质燃烧机煤风速度由25 m／s增至30 m／s，模拟果如图8所示，当其它参数不变，煤风风速增大时，回流速度减小，中心回流区有缩短趋势；此外煤粉的运行速度加快，在燃烧区域停留时间变短，不利于煤粉的充分混合燃烧。然而煤风速度过慢，会造成大颗粒煤粉没来得及燃烧就掉落，降低燃烧效率，影响水泥熟料的质量。因此需合理选择煤风速度，现场一般控制在25 m／s~30 m/s。
3.4旋流风对气流场的影响
    生物质燃烧机旋流风速度由180 m/s增至190 m／s，工况4所示为各参数值。模拟结果如图9所示，随旋流风速度增大，中心回流区的回流效应增强，且沿轴向延长，使煤粉可以提前燃烧。
    由旋流强度公式可得，当旋流风速度增大时，旋流切向速度与轴向逮度线性增大，而切向速度的增加使其旋转半径116增大，由旋流强度公式得旋流强度增大。总结得：随着旋流风速增强，旋流强度增大，从而增强中心回流区对周围空气的扰动和卷吸作用，利于煤粉燃烧。模拟结果与之相一致，因此实际生产中可适当提高旋流风速。
3.5旋流叶片角度对气流场的影响
    旋流角是指生物质燃烧机旋流叶片与该处径向平面的夹角。根据旋流强度的公式可知，在旋流风速一定的情况下，旋转气流的旋转半径保持不变，随着旋流角的增大，旋流切向平均速度跟轴向平均速度的比值增大，旋流风切向扩散增强，轴向衰减加快。工况6旋流角由300增至35 0，模拟结果如图10所示，由于旋流风切向速度增大，导致内回流区扩散，中心回流区沿轴向缩短，符合旋流强度的相关理论知识。
    随着中心风速增加，旋流风与中心风速差增大，中心回流区有轴向延长趋势，但形状基本不变，与图4气流场基本一致。
    中心风虽然占一次风量比例很少，但其作用却不可忽视。它能有效防止中心部分的回流风引起的浓相煤粉倒灌导致通道堵塞，此外中心风使煤粉燃烧集中于中心处，能保护窑皮，减少工艺事故。
4结论
    本文通过对圆通道煤粉旋流生物质燃烧机出口区域的气相流场进行数值模拟，得出以下结论：
    d)模拟观测得出生物质燃烧机出口内回流区和中心回流区得大致分布位置，结果符合前人经验总结和窑内实际状况。
    Q)保证回流区尺寸的前提下，增加轴流风用量不仅使煤粉分布均匀，而且为煤粉充分混合燃烧提供更多氧气。煤风过大过小都不利于燃烧效率的提高，一般控制为20~30m/s。
    G)适当提高旋流风速能增强中心回流区的卷吸作用，利于煤粉燃烧。而旋流叶片角的大小很大程度上决定了各回流的大小，控制回转窑内气流场变化，因此旋流角的选择是关键。
    对四通道生物质燃烧机而言，中心风是形成中心回流区的重要因素，它的存在保证了火焰的稳定和煤粉的充分燃烧，是四风道煤粉生物质燃烧机优于三风道的重要原因所在。