1 前言
預熱器是回轉窯煅燒活性石灰的關鍵設備之一，回轉窯的窯尾煙氣在預熱器內和石灰石完成熱交換，以達到降低煙氣的排放溫度，提高石灰石進窯溫度的目的。但在實際生產過程中，預熱器內石灰石受熱不均，不僅造成窯尾煙氣排放溫度過高，而且石灰煅燒質量也不穩定。
目前也有針對預熱器內部流場分布的研究，但是并沒有考慮石灰石在預熱器內部堆積的無序性對煙氣流動的影響，所以其對預熱器內煙氣流動的模擬分析參考價值不大。筆者嘗試使用流體分析軟件FLUENT和離散元EDEM顆粒軟件對預熱器內窯尾煙氣進行氣固耦合模擬分析。
2 預熱器內氣固耦合模擬分析
2.1 FlLUENT和EDEM耦合模塊
FLUENT和EDEM耦合方法的基本思路是：通過FLUENT求解流場，使用EDEM計算顆粒系統的運動受力情況，二者以一定的模型進行質量、動量和能量等的傳遞，實現耦合。具體到本案例為離散元EDEM顆粒軟件生成石灰石顆粒并實際接近地填充預熱器中，顆粒之間形成的孔隙接近真實情況，EDEM經過一定的計算時間步把顆粒計算結果輸入軟件FLUENT進行流體模擬計算，其計算迭代收斂后再把流體計算結果返回EDEM軟件計算顆粒運動情況，以此循環計算得到煙氣在物料中的運動情況。
2.2 湍流模型的選擇
煙氣在預熱器內石灰石間流動時，其雷諾數約6500，遠大于臨界點2000～3000，因此煙氣在預熱器內石灰石間的流動是以湍流為主。
可實現k-ε模型是標準k-ε二元方程模型的改進方案，是目前應用最為廣泛的湍流模型，能有效地用于各種不同類型的流動模擬，包括射流和混合自動流動、管道內流動、邊界層流動等。因此綜合考慮穩定性、經濟性和計算精度，該研究選用可實現k-ε模型分析預熱器內部流場。
2.3 邊界條件
模擬分析以煙氣進入預熱器為邊界條件，進預熱器的煙氣流速為3.29m/s，溫度1050℃，煙氣出口壓力為-4500Pa，其他為自由邊界條件。采用標準壁面函數，無滑移邊界條件，壁面粗糙度0.5，石灰石的平均粒徑33mm，密度2900kg/m3。
2.4 模型的建立和網格劃分
預熱器內石灰石的平均粒徑約33mm，在EDEM中簡化為球型顆粒。石灰石下落至預熱器內過程如圖1～2所示。
圖1 石灰石填充預熱器過程
圖2 石灰石填充滿預熱器
將預熱器三維模型進行網格劃分．網格單元采用四面體非結構化網格如圖3所示。
圖3 預熱器的有限元模型
2.5 數值模擬與結果分析
將應用EDEM軟件裝滿石灰石顆粒的預熱器和計算流體力學（CFD）軟件FLUENT進行氣固耦合模擬仿真。壓力一速度耦合方程采用貼體曲線坐標系中的非交錯網格的簡式(simple)算法，壓力梯度項采用標準(standard)格式，使用默認的欠松弛因子，監視收斂性判別標準設為10-4，初始化后對其進行迭代計算。
模擬分析得到預熱器結構一剖面的煙氣流線圖、速度分布云圖如圖4、5所示。
圖4 預熱器內煙氣流線圖
圖5 預熱器內煙氣速度分布圖
從圖4可以看出，窯尾煙氣進入預熱器后，少量較高速度的在煙氣撞上接近預熱倉高度一半位置的預熱器外壁上，在推桿處形成渦流，推桿附近流線非常稀疏。從圖5也可以看出推桿附近大部分區域幾乎沒有煙氣流動，大部分煙氣沿外壁側上行至排煙口，沿最短路徑排出，在倉體的右側煙氣明顯較少。因此，在預熱器推桿和倉體上部煙氣的流速和流量都較小，這兩處石灰石顆粒的傳熱效果也較差。
3 預熱器結構的優化
為了改善煙氣在預熱器內的流動，擬采用在預熱器中下部增加導氣梁干涉預熱器內煙氣流動的方法，避免推桿處煙氣渦流的產生。將加導氣梁的預熱器模型重新模擬分析，結果如圖6、7所示。
圖6 帶導氣梁預熱器內煙氣流線圖
圖7 帶導氣梁預熱器內煙氣速度分布圖
由圖6可知，加導氣梁后，通過干擾煙氣的流動路徑，使得進入液壓推桿附近區域的煙氣流線明顯增多。對比圖4和圖6可以看出，左下側的煙氣流速明顯增加，使得此處物料的換熱效果得到改善。
針對預熱器上部煙氣分布不均的情況，擬將懸掛裝置抬升，并使其和澆注料形成一定角度。這樣可使從回轉窯進入的煙氣在進入此區域后，經懸掛裝置緩沖后，沿四周的澆注料反壓到石灰石料面上，從而擴大高溫煙氣附近區域的影響程度。
圖8 懸掛抬升后預熱器內煙氣流線圖
圖9 懸掛抬升后預熱器內煙氣速度分布圖
從圖8可以看出，將懸掛裝置抬升并與周邊澆注料形成一定角度后，煙氣通過該處時有向下運動并擴散的趨勢。對比圖5和圖9可以看出，低速煙氣區域明顯減少，擴大了煙氣和石灰石物料的熱交換范圍，提高了換熱效果，同時預熱效果更加均勻。
4 結論
1）借助離散元軟件EDEM生成的近似生產實際的石灰石顆粒，更加真實的還原了石灰石在預熱器內堆積的孔隙，然后使用流體分析軟件Fluent和離散元EDEM耦合模擬煙氣的流動，能夠更加接近實際和直觀的觀察到煙氣在預熱器內流動情況，為設備的優化及工藝操作的改進提供了更準確的數據。
2）經過優化后的預熱器換熱效果明顯提高，從江陰某冶金石灰廠反饋的數據，煙氣從預熱器排出的平均溫度在200℃左右，較以前的250℃有明顯的改善，大大降低了產品的熱耗。
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