基于十字攪拌器的濕煤灰攪拌數值模擬

張錦洲，高陳，易先中，李亞航 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

張雷 (徐州工業職業技術學院建筑學院，江蘇 徐州 221140)

煤化工的造氣和凈化洗氣工藝中，高溫循環水經過混合、絮凝、澄清、分離工序，細小的顆粒、懸浮物從循環水中分離出來，形成帶有油狀表面、含水量較大、成分復雜的黑色濕煤灰[1,2]。大量濕煤灰的處理是急需解決的環境問題，將濕煤灰的處置與資源化利用相結合是濕煤灰處理的最佳出路，濕煤灰的資源化利用能夠部分減少對自然資源的消耗，符合可持續發展的理念。通過技術處理將濕煤灰作為建材利用或燃料利用是國際上比較先進的濕煤灰處理技術，這在很大程度上緩解了環境污染等問題，更實現了變廢為寶[3]。但無論哪種無害化、資源化處置方法,濕煤灰攪拌都是必不可少的環節，因此，研究水與濕煤灰兩相流數學模型，對其進行數值模擬并分析其攪拌過程對濕煤灰資源化利用都有著重要作用。下面，筆者利用Fluent軟件對十字攪拌器濕煤灰固液兩相流攪拌情況進行數值了模擬。

1 計算模型

圖1 十字槳攪拌器模型圖

1.1 幾何模型及網格劃分

采用Fluent的前處理軟件Gambit建立模型，攪拌器尺寸如下：桶半徑1m,桶深2m,十字槳片半徑0.3m，高度0.3m，厚度10mm。建成的攪拌器實體模型和劃分網格如圖1所示。

1.2 數學模型

任何流動問題都必須滿足質量守恒定律，根據質量守恒定律得出質量守恒方程[4]：

(1)

式中,ρ為流體密度；t為時間；u、v、w為速度矢量在X、Y、Z方向的分量。

對于不可壓縮流體,密度ρ不變,是一個定常值,因此,式(1)可變為:

(2)

而當流體流動狀態為穩態時,密度將不再隨著時間的變化而變化,此時式(1)可變為:

(3)

質量守恒方程式(2)和式(3)通常稱為流體流動的連續方程。

1.3 物性條件及參數設置

根據工程實際，濕煤灰顆粒直徑設定為0.002m，其黏度為水的30～70倍，選擇50倍的值。

多相流流體的基本模型主要有VOF模型、混合模型以及歐拉模型3種,其中歐拉模型計算結果精度相對較高[5]。筆者選用歐拉模型，湍流模型選用經典的k-ε湍流模型[6,7]。在Fluent中讀入網格，檢查網格，設置邊界條件為速度進口，兩相分別設為濕煤灰和水。

2 模擬計算結果與分析

2.1 壓強分析

設置濕煤灰體積分數為30%，依次模擬攪拌速度為40、50、60、70r/min的兩相流在攪拌器內部的攪拌情況，得出攪拌槽內部壓強云圖如圖2所示。

圖2 壓強云圖

圖3 壓強-轉速圖

從流場的模擬結果可以看出，攪拌器靠近槳片處流體壓強最大，且十字槳片受力均勻。槳片端部受壓強最大，槳片根部受壓強最小，隨著流動遠離槳片，壓強逐漸減小，在靠近轉軸處，壓強最小。圖3為壓強-轉速關系圖，由圖3可以看出，當攪拌軸轉速從40r/min增大到70r/min的過程中，壓強逐漸增大，表明攪拌器內部壓強隨著攪拌軸轉速的增大而增大。壓強越大，槳片受力越大，越容易損壞。因此，當轉速越小時，槳片的耐用性越強。

2.2 流速分析

為更好地觀察混合體在攪拌槽中的攪拌狀況，筆者對攪拌器內部做了流速分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，攪拌器槳片端部處流體速度最高，隨著流動遠離槳片，速度逐漸降低，葉片噴射出的流體進入周圍大量低速流動的液體中，卷吸周圍流體，并沿著徑向擴散。攪拌器下部，靠近攪拌槽的部分速度最大，這是由于葉輪推動液體時，液體先沿著徑向流動，碰上攪拌槽后分別向上向下流動，即軸向流動，從而導致攪拌槽附近的軸向速度較大。其中代表高速的為高亮度區域，高亮度區域的面積越大，攪拌效果越好。在攪拌轉速為40、50、60、70r/min的情況下，貼近攪拌槽的部分區域，都會出現速度較低值的攪拌不良區，此時可通過增加攪拌槳的個數，改善攪拌情況。

圖4 速度云圖

2.3 濕煤灰濃度分析

為研究濕煤灰分層情況，筆者研究了不同轉速下攪拌槽中濕煤灰的濃度分布情況，如圖5所示。

圖5 濕煤灰濃度分布圖

在圖5中，顏色越亮，表明濕煤灰濃度越高。從流場的模擬結果可以看出，攪拌器右側貼近槳片區域濕煤灰濃度較大。隨著轉速由40r/min增大到70r/min，槳片左右兩側區域顏色變化越來越明顯，說明濕煤灰分層現象越來越嚴重。因此，只有當轉速較低為40r/min與50r/min時，攪拌更均勻。

3 結論

1)隨著攪拌器轉速的提高，槳片的壓強隨之增加，槳片根部受壓較小，端部受壓較大。

2)在遠離槳片，貼近攪拌槽的局部地區會出現攪拌不充分的地方，可通過增加槳片數目，減少攪拌不充分問題出現的幾率。

3)攪拌濕煤灰時，攪拌器轉速較高時，濕煤灰分層情況嚴重，攪拌效果差。此時宜采用較低轉速。

[參考文獻]

[1]李兵,尹慶美,張華,等. 濕煤灰的處理處置方法與資源化[J]. 安全與環境工程,2010,17(4):52～56.

[2]李艷霞,陳同斌. 中國濕煤灰有機質及養分含量與土地利用[J]. 生態學報, 2009, 23(11): 2464～2474.

[3]韋朝海,陳傳好. 濕煤灰的處理、處置與利用的研究現狀分析[J]. 城市環境與城市生態,2009,11(4)：10～13.

[4]趙玉鑫，劉穎杰. 濕煤灰處理技術及工程實例 [M]. 北京：化學工業出版社，2012.

[5]張光明，張信芳，張盼月. 濕煤灰資源化技術進展[M]. 北京：化學工業出版社，2011.

[6]楊曉璞,趙學義,金赟. 高濃度黏稠物料加壓旋轉流變儀的研制與標定[J]. 機械工程學報，2009，41(4):59～62.

[7]牟童. T 型攪拌器數值模擬研究[J]. 南水北調與水利科技,2014(3):89～94.