褐煤滾筒干燥機(jī)一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值模擬研究

張櫻珞(遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

0 引言

褐煤含水量高，在對(duì)褐煤進(jìn)行氣化前必須對(duì)其進(jìn)行干燥。滾筒干燥機(jī)具有干燥強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維修等優(yōu)點(diǎn)。因此煤化工企業(yè)在干燥褐煤時(shí)常采用滾筒干燥機(jī)。但滾筒干燥機(jī)能耗高、熱效率低等缺點(diǎn)不符合目前國(guó)家節(jié)能減排的要求，因而如何提高干燥效率，降低能耗，是滾筒干燥機(jī)亟待解決的問(wèn)題。

滾筒干燥機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)特性直接影響其干燥效率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)干燥機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)展開了大量研究。徐穎等[1]對(duì)滾筒內(nèi)顆粒混合過(guò)程進(jìn)行模擬研究，分析了抄板高度及抄板個(gè)數(shù)對(duì)滾筒內(nèi)顆粒的受熱均勻性的影響。程川[2]對(duì)滾筒干燥機(jī)物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，對(duì)物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程、傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了分析。肖赟[3]對(duì)滾筒式蒸汽干燥機(jī)中加熱管腐蝕彎曲變形和旋轉(zhuǎn)接頭的泄露等問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。楊雪[4]模擬了滾筒干燥機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)以及流場(chǎng)，有利于干燥機(jī)工藝技術(shù)的改善。夏新茹[5]對(duì)滾筒干燥機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬，得出其內(nèi)部氣固兩相流的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。可以看出，許多專家學(xué)者從不同角度對(duì)滾筒內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)與傳熱均勻性進(jìn)行了大量的模擬工作。本文提出一種局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并對(duì)原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)是否能提高兩相流動(dòng)的湍流度，使混合更均勻，為確定干燥機(jī)的合理結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 干燥機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后模型的建立

1.1 模型的創(chuàng)建

根據(jù)某企業(yè)生產(chǎn)的滾筒干燥機(jī)基本尺寸，采用Gambit軟件建立干燥機(jī)三維模型。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 干燥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

干燥機(jī)內(nèi)部抄板簡(jiǎn)化為直板升舉式，沿滾筒軸向方向布置10圈抄板，每圈10個(gè)，各圈抄板交錯(cuò)擺列。依據(jù)上述參數(shù)建立模型，如圖1所示。

1.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)后模型的建立

在上述干燥機(jī)基礎(chǔ)上增加擾流裝置。擾流裝置由兩塊寬5mm厚1mm的金屬板呈90°交叉形成。每隔兩組抄板添加一個(gè)，四組裝置均勻分布回轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)，每一組與前一組相比，沿軸向旋轉(zhuǎn)45°。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 滾筒圓筒干燥機(jī)模型

圖2 擾流裝置幾何模型

1.3 模型網(wǎng)格劃分

對(duì)原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后的模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)流體區(qū)域分為固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分。固定部分為進(jìn)風(fēng)加料罩和出風(fēng)排料罩區(qū)域，他們分別劃分出21396和29278個(gè)網(wǎng)格。轉(zhuǎn)動(dòng)部分為滾筒內(nèi)流動(dòng)區(qū)域。

原結(jié)構(gòu)中將滾筒分為附帶抄板和內(nèi)部空腔兩部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分出210839個(gè)網(wǎng)格，且網(wǎng)格質(zhì)量良好，如圖3所示。

圖3 滾筒干燥機(jī)整體網(wǎng)格劃分

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)中滾筒部分以一個(gè)抄板長(zhǎng)度為單元，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元的網(wǎng)格數(shù)為17386，擾流裝置處的網(wǎng)格數(shù)為1366。

1.4 邊界條件

由于增加擾流裝置為局部改進(jìn)，對(duì)整體沒(méi)有影響。所以兩結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置基本相同。設(shè)置煙氣、褐煤顆粒入口為速度入口，兩者出口均為壓力出口。設(shè)置內(nèi)壁抄板部分和中間空腔部分的接觸面為interface, 滾筒端面與進(jìn)風(fēng)加料罩和出風(fēng)加料罩的接觸面為interface, 進(jìn)風(fēng)加料罩和出風(fēng)排料罩外壁為wall1，wall2，回轉(zhuǎn)圓筒筒體外壁為wall。對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)，每個(gè)小圓筒之間、小圓筒與擾流裝置的接觸面設(shè)置為interface。

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算中的假設(shè)

實(shí)際生產(chǎn)中，干燥機(jī)內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)和傳熱傳質(zhì)過(guò)程較為復(fù)雜，現(xiàn)對(duì)干燥過(guò)程予以如下假設(shè)：(1)進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)的煙氣不含任何固體雜質(zhì)，溫度恒定保持在673K，并處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)；(2)煙氣為不可壓縮流體，且全部從出風(fēng)口排出；(3)物料顆粒為各相同性的球體，粒徑與水分均勻一致；(4)干燥機(jī)絕熱，干燥機(jī)外壁與外界環(huán)境沒(méi)有熱量交換。

2.2 算法

使用壓力基求解器、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、能量方程、PISO算法、混合物模型(Mixture)、多組分模型。模擬過(guò)程使用的蒸發(fā)模型，通過(guò)自定義函數(shù)UDF編程實(shí)現(xiàn)。加入重力對(duì)流場(chǎng)分布的影響。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度場(chǎng)分析

模型創(chuàng)建時(shí)，以進(jìn)風(fēng)加料罩與滾筒接觸面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，流體流動(dòng)方向?yàn)閤軸正向。得到速度云圖如圖4、圖5所示。

圖4 原結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)沿中心剖面圖

圖5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)后速度場(chǎng)沿中心剖面圖

由圖4可知，整體上煙氣在滾筒內(nèi)均勻分布，速度沿滾筒軸向方向逐漸減小，到達(dá)出口處速度略有上升。進(jìn)風(fēng)口處，煙氣速度為21m/s, 加料口處物料均勻落入。對(duì)煙氣流有一定的沖擊作用，兩者迅速混合向前運(yùn)動(dòng)。煙氣逐漸在滾筒擴(kuò)散，并與褐煤換熱，隨著行程的增加，流體速度逐漸降低，在距離出口1m左右處，速度已經(jīng)降至1.5m/s，隨后在煙氣出口處，在引風(fēng)機(jī)的作用下，煙氣流動(dòng)速度增加至12m/s。另外，在滾筒徑向方向來(lái)看，從中心到壁面，煙氣速度逐漸降低，靠近壁面處達(dá)到最低值。

由圖5可知，擾流裝置對(duì)整體流場(chǎng)影響較大。與圖4對(duì)比可知，在進(jìn)風(fēng)加料罩處，兩圖速度云圖基本相同。隨著流體的運(yùn)動(dòng)，在x=120cm處遇到擾流裝置的阻礙，速度方向發(fā)生改變，向擾流裝置中心四周迅速分流，擴(kuò)大至整個(gè)滾筒空間。在圖5中可以看出流體分成上下兩路支流，向下的支流與滾筒底部物料接觸時(shí)仍具有較高速度。向上發(fā)散的煙氣接觸到筒壁后向前運(yùn)動(dòng)。由圖5可以看出在x=120cm～x=360cm之間流體在滾筒上側(cè)的運(yùn)動(dòng)是沿筒壁向筒中心擴(kuò)散的。隨后的流體運(yùn)動(dòng)受到出風(fēng)口的引風(fēng)機(jī)影響較為明顯。

由圖4、圖5對(duì)比可知，第一個(gè)擾流裝置對(duì)整個(gè)速度場(chǎng)影響明顯，改變了x=120cm以后流場(chǎng)分布。其余擾流裝置對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)沒(méi)有明顯效果。

3.2 溫度場(chǎng)分析

圖6為兩結(jié)構(gòu)溫度變化對(duì)比圖，其中溫度變化1為原結(jié)構(gòu)溫度變化曲線，溫度變化2為改進(jìn)后結(jié)構(gòu)溫度變化曲線。由圖6可知，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后與原結(jié)構(gòu)的溫度分布有相似也有不同。兩者整體溫度分布相似，這是由于滾筒干燥機(jī)的干燥過(guò)程特性造成的。同時(shí)兩者的局部溫度變化存在差異。

圖6 溫度變化對(duì)比圖

整體上，兩者都符合干燥機(jī)內(nèi)預(yù)熱過(guò)渡階段、恒速干燥階段、降速干燥階段的總體分布，出口溫度方面，原結(jié)構(gòu)略低于改進(jìn)后結(jié)構(gòu)。在x=120cm～x=240cm區(qū)間內(nèi)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的溫度梯度大于原結(jié)構(gòu)溫度梯度，這是由于向下運(yùn)動(dòng)的煙氣與落到滾筒底部的物料接觸時(shí)溫度變高，流動(dòng)速度更快。有利于滾筒底部堆積的物料與煙氣換熱。

4 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了幾個(gè)擾流裝置，其中第一個(gè)擾流裝置對(duì)滾筒內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布影響較大，其余幾個(gè)效果不明顯。第一個(gè)擾流裝置在x=120cm后，改變了速度場(chǎng)的分布，使向下的煙氣與滾筒底部物料接觸時(shí)，速度更快，溫度更高。溫度場(chǎng)方面，在第一個(gè)擾流裝置后的x=120cm～x=240cm區(qū)間內(nèi)溫度梯度有明顯的提高，在x=240cm以后，溫度場(chǎng)與原結(jié)構(gòu)趨于一致。本文中設(shè)置的擾流裝置在一定程度上起到了擾流的作用，但效果不顯著。