CFD技術在生產線技改中的應用

崔洪坤

（中建材（合肥）熱工裝備科技有限公司，合肥市 230051）

CFD技術在生產線技改中的應用

崔洪坤

（中建材（合肥）熱工裝備科技有限公司，合肥市 230051）

采用CFD技術對水泥生產線進行數值模擬，可方便地獲得一些實驗室條件不易得到的信息，如：分解爐內速度場、溫度場、顆粒軌跡和粒子停留時間等，能夠直觀分析生產線存在的問題。對生產管理、技術改造提供參考和理論依據。本文則為CFD技術在技術改造中的應用實例，CFD技術的應用大大縮短了設計時間，對生產線技改、設備優化起到了指導作用，取得了良好的效果。

CFD技術；數值模擬；速度場；溫度場；粒子停留時間；技術改造

1、引言

近年來，通過CFD技術，工程技術及研究人員可以方便地獲得一些實驗室條件不易得到的信息，可以為工程設計、生產管理、技術改造提供各種必須的參數，如系統壓力場、速度場、溫度場、氣體濃度分布、顆粒停留時間以及燃燼程度等參數。在掌握上述數據的基礎上， 結合自身的實踐經驗和試驗驗證，可快速而準確地發現、分析和解決現有設備和設計中不足之處。為創新設計、工程改造提供依據， 大大降低研發成本和周期。

本文從工程應用的角度出發，采用CFD技術以南方水泥某企業2500t/d分解爐為研究對象，對新型干法水泥熟料生產技術中主要的設備分解爐進行數值模擬計算，根據模擬結果和實踐經驗對該生產線進行了改造，取得了良好效果，得到業主的好評。

2、技改前分解爐的數值模擬

該生產線技改前存在C1出口氣體溫度偏高（350℃左右）、系統阻力大（＞6200Pa），電耗、熱耗高；分解爐容積偏小（814m3），爐內風速偏高，生料和煤粉燃燒停留時間短(4.5s)，無煙煤不能在分解爐內燃盡，熱效率低等問題。圖1、2為技改前分解爐幾何結構和數值模型。表1為技改前分解爐的參數。對分級爐進行網格劃分（圖3），結合實踐定義邊界條件后進行數值模擬，主要結果如圖4、5、6。

縮口直徑（凈空） 分解爐直徑（凈空） 鵝頸管直徑（凈空） 爐容積（帶鵝頸管）尺寸 1630mm 5400mm 3500mm 814m3

圖1 技改前分解爐幾何結構

圖2 技改前分解爐數值模型

圖3 技改前分解爐網格劃分

圖4 技改前分解爐的速度場

圖5 技改前分解爐內溫度場

圖6 技改前分解爐內粒子停留時間

通過數值模擬結果可以看出，分解爐風速平均在 8.7m/s，相當數量的生料粒子停留時間在5s以下，對無煙煤煤粉燃燒和碳酸鈣分解不利。從溫度場看，爐體中上部有局部的高溫，為煤粉分布不均造成，可能造成分解爐結皮等問題。

3、技改措施及技改后分解爐的數值模擬

3.1 預分解系統技改措施

根據技改前數值模擬結果和實踐經驗，對預分解系統做如下改造：

1、增大分解爐容積。改后的分解爐和鵝頸管總有效容積由原爐型的814m3擴大到1509m3，物料在爐內的停留時間由原來的4.5s上升到6.3s，提高了生料的分解率和煤粉的燃燼率，能夠滿足無煙煤燃燒需要。

2、取消預燃室，C4下料全部進入分解爐，三次風管改為單管偏心進入分解爐下錐體。有利于三次風和窯氣在分解爐底部形成強烈的噴旋結合作用，使生料和煤粉分散的更均勻，分解爐底部溫度場更為合理，避免局部高溫，提高換熱效率、生料分解，利于分解爐內煤粉混合和燃燒。

3、將原撒料箱改為獲得實用新型專利授權的擴散式撒料箱，能使物料的分散效果更均勻，進一步提高換熱效率。

4、對窯尾噴煤管噴煤角度進行調整，改善錐部三次風、窯氣、煤的混合流場，從而改善分解爐內溫度場，提高分解爐熱效率和容積利用率。

3.2 技改后分解爐的數值模擬

針對以上技改措施，對技改后的分解爐進行數值模擬驗證，給技改提供理論支撐和直觀性。技改后的分解爐數值型和網格劃分見圖7、圖8。由溫度場可以看出，新分解爐內部溫度分布均勻，爐體下部中間部位附近高溫區有利于無煙煤的燃燒和生料的快速分解。

圖7 技改后分解爐的數值模型

圖8 技改后分解爐的網格劃分

圖9 技改后分解爐內溫度場

圖10 技改后分解爐內粒子停留時間

由粒子停留時間可以看出，新爐型的噴旋結合作用非常明顯，出口處黃色的線條表示粒子在爐中將停留10s以上，使煤粉充分燃燒放熱，生料充分分解。

根據技改前后計算機模擬仿真的結果比較可以看出，技改后分解爐內溫度分布更加均勻，生料和煤粉的分散效果好且停留時間長，煤粉燃盡率高。由于生料分散效果好且停留時間長，換熱分效率高，有效提高了解爐容積利用率，使技改后系統能夠滿足100%使用無煙煤的要求。

4、技改后生產線實際運行情況

該項目是CFD技術與實踐經驗相結合在技改工程中的成功典范，通過對分解爐的數值模擬可以準確地得到分解爐內部的各種物理量的分布，預測分解爐系統的性能，使得我們可以在系統投入商業運行之前對其性能具有充分的掌握，此外，針對特殊的原燃料特性和業主需求，例如無煙煤的燃燒，進行個性化的設計，以確保系統運行穩定且高效。

CFD的成功應用，加快了技改設計周期，降低了技改投資，對系統設備優化起到了重要作用，取得了良好效果。經過本次技改，在較短的工期內實現了技改目標，一次投料成功，系統運行穩定，實現了100%無煙煤煅燒，窯產量達到3217t/d，C1出口溫度由改造前的360℃左右下降到290-300℃，噸熟料標煤耗103.6kg，達到了預期的目標。

TQ172

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1007-6344（2015）09-0003-01