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技术 | 水泥窑纯低温余热发电篦冷机开口位置选择的数值模拟

来源:《大连宏海新能源发展有限公司》 发布日期:2019/10/22 编辑:徐展迪
核心提示:水泥窑纯低温余热发电篦冷机开口位置选择的数值模拟

水泥窑纯低温余热发电技术,其发电效率取决于:篦冷机废气取热效率;汽轮机内效率;发电效率;锅炉效率等。其中水泥窑篦冷机高、中温开口位置的选择优劣 将直接决定其发电量高低的重要因素。本文结合国内典型5000吨 / 天水泥生产线上篦冷机的工艺特点,建立篦冷机三维仿真模型, 研究水泥熟料与冷却空气之间的换热、熟料的运动等过程,采用UDFs模拟并分析篦冷机内部的速度场和温度场分布。探讨改变高温取热口和中温取热口的相对位置时对篦冷机热效率的影响。为提高第二代水泥窑纯低温余热发电水平,具有一定的指导意义。


篦冷机是水泥生产工艺上重要的冷却设备,但是一直以来对篦冷机热工特性的研究缺乏系统性的分析,以致对篦冷机系统的操作和改进主要依靠经验的方法,缺乏相应的理论指导。


因此根据实际的生产设备,建立并求解篦冷机冷却过程学仿真模型,深入探究篦冷机内的换热过程,获得篦冷机的最优运行参数成为亟待解决的新课题。水泥窑废热的梯级利用是当前最有效和最经济的利用方式,并逐渐成为该方向研究的重点。利用流体计算软件Fluent对篦冷机进行数值模拟与研究,根据数值模拟的结果分析篦冷机内部的温度场和流场等,得到合理的余热取风口位置,从而充分的使篦冷机内部的余热最大化。通过取热口取热温度的变化,得到各个热工参数对篦冷机的余热利用 的影响,进而通过优化得到余热利用量最大的同时,发电量也达到最大化。


一、数值模型及数值方法


 ( 一 ) 实验模型结构及边界条件


实验模型,取一个典型篦冷机为研究 对象,对其进行建模来研究其内部的冷却规律,篦冷机的实际尺寸为:长39.4m,宽3.76m,篦冷机内部熟料层的厚度为0.9m。 篦冷机的第一、二入口的体积流量总和为253200Nm3 /h 折合质量流量为90.73kg/s,温 度为环境温度300K;三段篦床的蓖下压力分别为:第一段5.6Mpa,第二段3.3Mpa; 第三段1.2Mpa。篦冷机的壁面温度62℃, 熟料的初始温度为1137℃。


( 二 ) 网格划分


采用非结构网格划分, 总网格数为525342个,网格在熟料层以上,采用交错的网格布局,用于改进局部流动,如图 1 所示。

( 三) 数学模型 


(1) 连续性方程;

(2)k-ε湍流模型;

(3) 多孔介质模型动量方程;

(4)能量方程;

(5)压力耦合采用SIMPLE算法;

(6)压力插补格式采用PRESTO!格式;

(7)UDF及UDS说明;

采用UDFs编程实现熟料部分耦合气固换热模型以及熟料部分沿篦冷机纵向的温度变化。


二、数值计算结果与分析


 ( 一 ) 篦冷机内部温度分布


篦冷机内部纵向截面的温度分布见图2所示。

气体在熟料上层空间温度分布和熟料内部温度分布相似,分三个温度区:1) 高温区 (1200K以上 )、中温区 (600K~1200K)、低温 区 (600K以下),其中高温区和低温区的分布跨度较小,中温区分布跨度较大,高温区和中温区以及中温区和低温区之间存在一个明显的温度跃阶,主要是由于各个取风口抽 风量不同造成的。 


( 二 ) 篦冷机内部温度分布


篦冷机内部截面的流场分布见图3所示。

从图3中可以看出,篦冷机的蓖下高压气体经过熟料后速度变的均匀,速度接近于零,经过篦冷机空腔上方的取热口抽力作用,空腔内的气体速度变化较为明显。因此篦冷机内部的流线图与实际的情况相符合。


三、结论  


建立篦冷机的三维仿真模型,并对模型进行仿真计算,验证模型正确性,以寻求最大余热回收量,从而使余热发电量达到最优,得到的结论如下:


 ( 一 ) 篦冷机的高温取热口的位置取在篦冷机的长度方向的14.5m处,中温取热口的位置选取在篦冷机长度方向的26.8m处时,篦冷机的有效利用热量达到最大值,高温取热口位置在篦冷机第一段蓖筛的末段, 取热口对二三次风的影响较小,篦冷机内的 有效利用的热量随着高温取热口与中温取热口之间的距离增加,呈现先增加后减小的趋势,当中温取热口的位置在篦冷机的第二段蓖筛的末段,篦冷机的有效利用的热量达到最大。 


( 二 ) 篦冷机蓖下风室的冷空气经过熟料后流线变得均匀,速度降为零左右,篦冷机内部空腔的流场受到取热口风机抽力的影响较大,在抽力较大的高温出口,余风的速度最大能够达到约29m/s。篦冷机中的余热利用集中在A-A截面与B-B截面之间,故其平均温度也可以作为衡量取热口位置的优劣性的一种方法。


来源:《大连宏海新能源发展有限公司》


作者:任福忱


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