基于FLUENT和EDEM的石灰预热器气固耦合模拟与结构优化

基于FLUENT和EDEM的石灰预热器气固耦合模拟与

结构优化

[王观民1,2，沈丙振1,2，乔斌1,2]

[1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，471039]

[2矿山重型装备国家重点实验室（中信重工机械股份有限公司）471039]

[ 摘要] 应用流体分析软件FLUENT和离散元EDEM颗粒分析软件对预热器内烟气和石灰石进行气固耦合模拟，得到烟气在预热器内的流线图和速度分布云图。针对模拟分析结果优化预热器内部

结构，使得烟气在预热器内流动更加均匀，降低了烟气出口温度，减少了能源消耗。

[ 关键词]预热器；气固耦合模拟；Fluent；EDEM

Gas-solid coupling simulation in limestone preheater and structure optimization based on Fluent and EDEM

[WANG Guanmin1,2,SHEN Bingzhen1,2,QIAO Bin 1,2]

[1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co.,Ltd.,471039]

[2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment(CITICHIC),471039]

[ Abstract ] Fluent and EDEM were applied to simulate Gas-solid coupling in a preheater, and gas motion trajectory distribution contours and the flow velocity distribution contours were

obtained. According to simulation and analysis results, the internal structure of the preheater

was optimized, thus the gas flowed more uniform in the preheater, and the temperature of

the outlet gas and the power consumption reduced.

[ Keyword ] preheater; Gas-solid coupling simulation; Fluent; EDEM

1前言

预热器是回转窑煅烧活性石灰的关键设备之一，回转窑的窑尾烟气在预热器内和石灰石完成热交换，以达到降低烟气的排放温度，提高石灰石进窑温度的目的。但在实际生产过程中，预热器内石灰石受热不均，不仅造成窑尾烟气排放温度过高，而且石灰煅烧质量也不稳定。

目前也有针对预热器内部流场分布的研究[1]，但是并没有考虑石灰石在预热器内部堆积的无序性对烟气流动的影响，所以其对预热器内烟气流动的模拟分析参考价值不大。笔者尝试使用流体分析软件FLUENT和离散元EDEM[2]颗粒软件对预热器内窑尾烟气进行气固耦合模拟分析。

2预热器内气固耦合模拟分析

2.1FlLUENT和EDEM耦合模块

FLUENT和EDEM耦合方法的基本思路是：通过FLUENT求解流场，使用EDEM计算颗粒系统的运动受力情况，二者以一定的模型进行质量、动量和能量等的传递，实现耦合。具体到本案例为离散元EDEM颗粒软件生成石灰石颗粒并实际接近地填充预热器中，颗粒之间形成的孔隙接近真实情况，EDEM经过一定的计算时间步把颗粒计算结果输入软件FLUENT进行流体模拟计算，其计算迭代收敛后再把流体计算结果返回EDEM软件计算颗粒运动情况，以此循环计算得到烟气在物料中的运动情况。

2.2湍流模型的选择

烟气在预热器内石灰石间流动时，其雷诺数约6500[3]，远大于临界点2000~3000，因此烟气在预热器内石灰石间的流动是以湍流为主。

可实现k-ε模型是标准k-ε二元方程模型的改进方案，是目前应用最为广泛的湍流模型，能有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括射流和混合自动流动、管道内流动、边界层流动等[4]。因此综合考虑稳定性、经济性和计算精度，该研究选用可实现k-ε模型分析预热器内部流场。

2.3边界条件

模拟分析以烟气进入预热器为边界条件，进预热器的烟气流速为3.29m/s，温度1050℃，烟气出口压力为-4500Pa，其他为自由边界条件。采用标准壁面函数，无滑移边界条件，壁面粗糙度0.5，石灰石的平均粒径33mm，密度2900kg/m3。

2.4模型的建立和网格划分

预热器内石灰石的平均粒径约33mm，在EDEM中简化为球型颗粒。石灰石下落至预热器内过程如图1~2所示。

图1 石灰石填充预热器过程图2 石灰石填充满预热器Fig1. Process of Limestone filled in to preheater Fig2. Preheater was crammed with limestone 将预热器三维模型进行网格划分．网格单元采用四面体非结构化网格如图3所示。

图3 预热器的有限元模型

Fig3. Finite element model of preheater

2.5数值模拟与结果分析

将应用EDEM软件装满石灰石颗粒的预热器和计算流体力学（CFD）软件FLUENT 进行气固耦合模拟仿真。压力一速度耦合方程采用贴体曲线坐标系中的非交错网格的简式(simple)算法[5]，压力梯度项采用标准(standard)格式，使用默认的欠松弛因子，监视收敛性判别标准设为10-4，初始化后对其进行迭代计算。

模拟分析得到预热器结构一剖面的烟气流线图、速度分布云图如图4、5所示。

图4 预热器内烟气流线图图5 预热器内烟气速度分布图

Fig4. Motion trajectory distribution contours of gas Fig5. Flow velocity distribution contours of gas

in preheater in preheater

从图4可以看出，窑尾烟气进入预热器后，少量较高速度的在烟气撞上接近预热仓高度一半位置的预热器外壁上，在推杆处形成涡流，推杆附近流线非常稀疏。从图5也可以看出推杆附近大部分区域几乎没有烟气流动，大部分烟气沿外壁侧上行至排烟口，沿最短路径排出，在仓体的右侧烟气明显较少。因此，在预热器推杆和仓体上部烟气的流速和流量都较小，这两处石灰石颗粒的传热效果也较差。