氣態懸浮焙燒爐一級旋風預熱器的數值模擬

羅振勇，張忠霞

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

氧化鋁工業中，現應用于工業生產的3種類型的流態化焙燒裝置是美國鋁業的流態閃速焙燒爐、德國的魯齊循環流態焙燒爐和丹麥史密斯公司的氣態懸浮焙燒爐。其中氣態懸浮焙燒技術起步最晚，但技術先進，在我國氧化鋁工業廣泛應用。丹麥史密斯公司的氫氧化鋁氣態懸浮焙燒系統主要包括氫氧化鋁喂料、文丘里閃速干燥器、多級旋風預熱系統、氣體懸浮焙燒爐、多級旋風冷卻器、二次流化床冷卻器、除塵和返灰等部分［1］。其中多級旋風預熱系統包含一級旋風預熱器和二級旋風預熱器，是氣態懸浮焙燒爐的基本構成單元。一級旋風預熱器雖然處于預熱系統，但是物料的預熱主要在二級旋風預熱器內進行，在一級旋風預熱器內主要進行物料的分離，是預熱系統最重要的單元，其性能影響成品氧化鋁質量、焙燒爐粉塵排放量、物料循環量等。目前，一級旋風預熱器的設計基本上都是根據經驗結合部分試驗進行的。隨著能源緊缺和環境保護形勢的日益嚴峻，對一級旋風預熱器的優化設計提出了更為嚴格的要求。

本研究以廣西某公司從丹麥史密斯公司引進的產能為1 200t／d的氣態懸浮焙燒爐為對象，采用FLUENT商業仿真軟件對一級旋風預熱器進行模擬仿真，計算一級旋風預熱器內氣相的靜壓分布和切向速度分布。

1 數值模擬方法

1．1 計算模型

一級旋風預熱器數值計算采用如下模型：1）湍流模擬采用雷諾應力（RSM）模型［2-5］；2）對流項的離散格式為二階迎風格式［6-8］；3）壓力插補格式為PRESTO格式［9］；4）壓力與速度的耦合采用SIMPLEC計算法［10-11］。

1．2 計算區域

1 200t／d氫氧化鋁氣態懸浮焙燒爐的一級旋風預熱器的三維實體如圖1所示，具體尺寸見表1。建模時坐標原點取在排料口圓心位置。

表1 一級旋風預熱器的幾何參數 mm

圖1 一級旋風預熱器的三維實體示意圖

1．3 網格劃分

將整個計算區域劃分為互不重疊的10個子區域：入口上部，入口下部，升氣管上部，升氣管下部，上部筒體環形空間，漸進蝸殼中心柱體，漸進蝸殼環錐空間，下部筒體，錐體和排料筒體。采用六面體結構化網格劃分10個求解區域，三維計算域網格如圖2所示。

圖2 一級旋風預熱器的三維計算區域網格

1．4 邊界條件

1．4．1 入口邊界

入口處的氣體是O2、CO2、N2和水蒸氣的混合體，體積分數分別為3%、7%、50%和40%。給定入口截面法向時均速率為14．2m／s。入口湍流采用湍流強度和湍流耗散率指定，湍流強度為0．914m2／s2，湍流耗散率為1．056m2／s3。

1．4．2 升氣管出口邊界

壓力出口邊界壓力為測量壓力5．87Mpa。湍流由湍流強度和水力直徑指定，湍流強度為5．5%，水力直徑為2 638mm。

1．4．3 排料口邊界

假設沒有氣流從排料口流出，氣體流量為零。

1．4．4 固壁邊界

壁面為無滑移邊界，近壁區的處理采用壁面函數法。

2 數值模擬結果分析

為了清楚地分析一級旋風預熱器內氣相流場沿軸向的變化規律，沿軸向取5個具有代表性的XY截面：Z1＝8 685mm，代表上部筒體環形空間XY截面；Z2＝7 192mm，代表升氣管入口處XY截面；Z3＝6 910mm，代表漸進蝸殼空間XY截面；Z4＝5 455mm，代表下部筒體空間XY截面；Z5＝2 800mm，代表錐體分離空間XY截面。

2．1 靜壓分布

圖3為一級旋風預熱器靜壓分布云圖，圖3a為x＝0的YZ截面上的靜壓分布云圖，圖3b自上而下分別為Z1、Z3、Z4、Z5截面上的靜壓分布云圖。

從YZ截面靜壓分布云圖可看到，靜壓沿徑向由外向內逐漸降低，且中心軸線附近的靜壓最低，沿軸向壓力降低很小。在強旋流中，靜壓一般取決于切向速度，可近似表示為

式中：r為徑向位置，mm；vt為切向速度，m／s。由于靜壓沿軸向上幾乎沒有變化，故可知徑向速度和軸向速度相對于切向速度較小。

圖3 一級旋風預熱器的靜壓分布云圖

圖4a～d分別為Z2、Z3、Z4、Z5截面上的靜壓分布。

圖4 沿軸向不同高度截面上的靜壓分布

由圖4看出，壓力沿徑向的分布變化分為3段：壁面附近區域壓力分布比較平緩；中心軸線附近區域壓力分布很平坦，幾乎沒有變化；而中心軸線附近與壁面附近之間的區域靜壓分布變化比較急劇。這主要是由于中心軸線附近與壁面附近之間的區域存在準強制渦，使壓力變化陡峭，而壁面附近存在準自由渦，使壓力變化趨勢平緩。隨著一級旋風預熱器的漸進、收縮，壓力分布沿軸向自上而下變得陡峭。還可看出，在Z2截面即升氣管入口處，靜壓分布呈現不連續性，說明入口處的氣流脈動程度較強。

2．2 切向速度分布

在一級旋風預熱器的速度場中，切向速度占主導地位，由它帶動顆粒作旋轉運動，使顆粒在離心力的作用下被分離出來。圖5為一級旋風預熱器切向速度分布云圖，圖5a為x＝0的YZ截面上的切向速度分布云圖，圖5b自上而下分別為Z2、Z3、Z4、Z5截面上的切向速度分布云圖。可以看出：在壁面和旋轉軸心位置，切向速度等于零；在預熱器氣流入口位置，由于蝸殼的擴展，速度加速不明顯；而經過蝸殼的收縮，氣流切向旋轉，切向速度加速至峰值。氣流進入柱體段后，沿筒壁作圓周運動，摩擦引起能量損失，速度有所降低。在蝸殼及以上部分，由于入口處的非軸對稱性，致使切向速度的軸對稱性較差；而在下部柱體段及錐體段，切向速度的對稱性較好，這說明氣流的強旋轉特性消減了入口進氣的非軸對稱。

圖5 一級旋風預熱器的切向速度分布云圖

圖6a～d分別為Z2、Z3、Z4、Z5截面上的切向速度分布。

圖6 沿軸向不同高度截面上的切向速度分布

由圖6看出，切向速度分布對稱性很好，呈現典型的蘭金組合渦分布，即內旋流為準強制渦，外旋流為準自由渦，內外渦的分界面構成切向速度峰值面，此面基本上為一圓柱面。蘭金組合渦的結構十分有利于顆粒的分離，內部準強制渦的離心作用將顆粒甩向外部，而外部準自由渦對顆粒的攜帶作用減弱，利于顆粒在筒壁附近被捕獲。圖6a中切向速度在升氣管筒壁附近產生第2個峰值，這主要是由于升氣管壁造成的速度波動。

3 結束語

利用計算流體動力學商業軟件FLUENT對一級旋風預熱器的氣-固兩相流動進行數值模擬，結果表明：靜壓沿徑向由外向內逐漸降低，在中心軸線附近最低，沿軸向自上向下降低較小；在一級旋風預熱器壁面和旋轉軸心位置，切向速度等于零；在氣流入口位置，切向速度加速不明顯，而是經過蝸殼的收縮才加速至峰值；進入下部柱體段后，速度有所降低。切向速度分布的對稱性好，呈現典型的蘭金組合渦分布。研究結果可為一級旋風預熱器的生產運行和優化設計提供參考。

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