基于Fluent的焚燒爐灰渣非穩態降溫過程的數值模擬

吳 成

(佳化化學科技發展(上海)有限公司，上海 200000)

隨著我國化工、石油、農藥、醫藥等行業迅速發展，有機廢液排放量不斷增加，其中含鹽高濃度有機廢液的問題也越發嚴重。由于含鹽高濃度有機廢液成分復雜，生化處理法、物理化學法難以實現最終處置。因此焚燒爐作為一種簡單、高效且容易工業化的設備被廣泛用于處理含鹽高濃度有機廢液[1]。為了提升焚燒爐運行安全性，降低事故風險，很多企業采用降溫套管對焚燒產生的灰渣進行初步冷卻，因此研究灰渣的非穩態降溫過程具有實際意義。本文將運用Fluent軟件對焚燒爐灰渣冷卻過程進行數值模擬，并分析不同冷卻介質和冷卻介質流速對灰渣非穩態傳熱特性的影響，計算結果可為工程實際應用提供理論指導。

1 焚燒爐灰渣降溫模型

1.1 物理模型

焚燒爐排渣過程如圖1所示，關閉排渣閥，打開控渣閥，灰渣排入降溫套管內，關閉控渣閥，套管夾層通入冷卻介質(水或空氣)對高溫的灰渣進行降溫，待灰渣溫度降低到合適溫度，打開排渣閥，灰渣排入冷灰堆。降溫套管的內管內徑為200mm，外管內徑為250mm，材質為不銹鋼，壁厚為4mm，長度為1500mm，基本物理參數見表1。

圖1 物理模型示意圖

表1 基本物理參數

1.2 數學模型

1.2.1 傳熱模型[3]

由傅里葉定律并結合能量守恒定律，三維瞬態導熱微分方程如下：

式中，ρ為灰渣密度；cp為灰渣比熱容；t為溫度；τ為時間；λ為導熱系數；為單位體積的生成熱。

1.2.2 湍流模型[4]

Fluent中RNG湍流模型改善了模擬高應變流動的能力，可以用來預測漩渦流和低雷諾數流動。當內部流動雷諾數大于2300時，流體屬于湍流模型。

式中，κ為湍動能；ε為耗散率Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能的產生項；Gb為由于浮力引起的湍動能的產生項；YM為可壓縮湍流中的脈動膨脹對總耗散率的貢獻；。C1ε，C2ε，為常數；SK和Sε是用戶定義項。

1.2.3 假設條件

a)將套管內的灰渣看做一個均勻的整體，并且降溫前后質量和體積都不發生變化；

隱喻是人們通過某一領域的經驗來理解和認知另一領域的經驗，人類的語言和概念系統都具有隱喻性，隱喻的本質是用一事物來理解和感悟另一事物。因此，在詞匯教學中隱喻可被用來解釋一詞多義的理據性，教師在平時的詞匯教學中可以幫助學生根據詞匯的基本意義拓展其引申義及較抽象的含義。

b)套管內的灰渣的熱輻射忽略不計；忽略污垢熱阻；

c)為了計算方便，忽略外管與空氣的換熱。

1.2.4 邊界條件和初始條件

降溫夾套外管壁設為絕熱，冷卻介質進口溫度設為32℃。非穩態流動計算時需要給定初始條件，本文設置灰渣初始溫度為500℃，降溫套管和殼程空間初始溫度為32℃。

2 結果與討論

本文針對水和空氣兩種不同冷卻介質，對焚燒爐灰渣非穩態降溫過程進行數值模擬，并對降溫套管內的換熱情況進行討論，其中空氣流速高采用湍流模型，水的流速低采用層流模型。

2.1 溫度分布圖

圖2 不同時間下Z=750mm處套管截面的溫度分布云圖(冷卻介質：空氣，u=10m/s)

圖3 不同時間下Z=750mm處套管截面的溫度分布云圖(冷卻介質：水，u=0.03m/s)

圖2和圖3為采用空氣和水作為冷卻介質，經過不同冷卻時間后，套管在Z=750mm處截面的溫度分布云圖。由上圖可知，被冷卻介質側(灰渣側)靠近管壁處首先被冷卻，隨著時間的增加，灰渣中心也逐漸被冷卻，套管截面上溫度沿著管徑由外向內逐漸增加。冷卻介質側(水或空氣側)溫度沿著管徑由內向外逐漸降低。對比圖2和圖3，在相同的時間下采用水作為冷卻介質時，灰渣溫度為明顯低于采用空氣冷卻的工況，當t=1200s時，采用水作為冷卻介質，灰渣的平均溫度為204℃；而采用空氣為冷卻介質，灰渣的平均溫度為251℃。

2.2 不同流速對傳熱性能影響

圖4 不同空氣流速的表面傳熱系數

圖5 不同水流速的表面傳熱系數

圖4和圖5表示不同流速下空氣和水的表面傳熱系數的變化。由圖可知，增加流速，均能增加水和空氣的表面傳熱系數，但空氣的表面傳熱系數增加更快，空氣作為冷卻介質時，空氣流速1m/s時表面傳熱系數只有4.1W/(m2·℃)，當流速提高至20m/s，表面傳熱系數達到47.3W/(m2·℃)，提高了十倍。水作為冷卻介質時，水流速由0.01m/s提高至0.11m/s時，表面傳熱系數由69.8W/(m2·℃)增至96.9W/(m2·℃)。但是空氣的密度、熱容、導熱系數和粘度均遠小于水的，因此，采用水為冷卻介質時，雖然流速低，表面傳熱系數卻遠高于采用空氣作為冷卻介質的工況。

圖6 不同流速下灰渣的平均溫度

圖6和圖7分別表示不同流速對灰渣的平均溫度和冷卻介質出口溫度的影響。由圖可知，采用空氣為冷卻介質時，隨著空氣的流速增大，灰渣的降溫速度明顯增加，空氣側出口溫度持續下降。t=1200s時當流速為1m/s條件下灰渣平均溫度降至317.7℃，空氣出口溫度為87.6℃；當流速增加至20m/s時灰渣平均溫度降至229.6℃，空氣出口溫度為40℃。因此，在實際生產過程中，增加通風措施，提高灰渣周圍空氣流速能有效降低灰平均渣溫度，縮短冷卻時間。

而采用水作為冷卻介質時，隨著水的流速增大，灰渣的降溫速度沒有明顯增快，當水流速高于0.03m/s后，水側的出口溫度變化也很小。說明提高水的流速不能有效地縮短冷卻時間。

這是由于傳熱過程中，當采用空氣作為冷卻介質時，空氣的表面傳熱系數較小，與灰渣的導熱系數共同影響總傳熱系數，因此增加空氣流速明顯提高空氣表面傳熱系數，從而提高總傳熱系數，進而有效改善傳熱效果，最終能有效降低灰渣平均溫度。

圖7 不同流速下冷卻介質出口溫度

而采用水為冷卻介質時，水的表面傳熱系數較大，總傳熱系數主要受灰渣導熱系數的限制，因此增加水側流速，雖然能增加水側表面傳熱系數，但不能明顯增加總傳熱系數，使灰渣降溫速度和水出口溫度有明顯變化，可以考慮將氣體直接鼓入套管灰渣側形成鼓泡流化床，提升灰渣側換熱系數。

3 結論

本文利用Fluent對焚燒爐灰渣非穩態降溫過程進行了數值模擬，得出以下結論：

(1)不同介質對傳熱有不同影響，采用水的換熱效果要優于空氣。

(2)入口流速對空氣的換熱影響要顯著的高于對水的影響。

(3)采用模擬計算分別得到了兩種介質在不同流速下的表面傳熱系數，水的表面傳熱系數要高于空氣的表面傳熱系數。

(4)由于灰渣導熱系數低，降溫過程中熱阻集中在套管內側，灰渣導熱是傳熱過程的控制步驟，因此提出改進方案：減小降溫套管外徑，可以提升流速同時減少冷卻介質的耗量；將氣體直接鼓入套管灰渣側形成鼓泡流化床，提升灰渣側換熱系數。