篦冷機中部取風口流場及溫度場數值模擬研究

王炯，齊樹龍

工業企業實施節能減排是我國推進可持續發展戰略的重要舉措之一，工業企業能耗占我國各行業總能耗的70%以上，其中，50%以上的能耗以工業余熱的形式存在[1]，屬于可回收資源，具有巨大的可回收價值。水泥行業作為我國經濟快速發展的重要支柱產業之一，屬于高能耗、高排放行業，是我國僅次于鋼鐵行業的第二大能源消耗體，占全國總能源消耗的7%[1]。因此，水泥行業在節能降耗方面具有巨大發展潛力，在水泥行業施行純低溫余熱發電技術，是有效回收余熱資源的良好途徑，該技術已大量應用于國內外水泥企業。

目前，水泥窯純低溫余熱發電技術主要是利用窯尾預熱器出口及篦冷機煙氣余熱資源，在余熱鍋爐中產生過熱蒸汽或飽和蒸汽，推動汽輪機膨脹做功，通過聯軸器帶動發電機工作，將余熱轉化為電能。為高效、合理利用水泥窯余熱資源，需進一步優化純低溫余熱發電工藝設計。水泥窯純低溫余熱發電工藝設計最主要的任務是使窯尾預熱器出口和篦冷機余熱資源得到高效利用，而余熱資源高效利用的前提是準確確定余熱參數。SP余熱鍋爐的余熱資源來源于預熱器出口煙氣，其余熱參數較容易確定；但AQC 余熱鍋爐的余熱資源多來源于篦冷機中部取風，由于篦冷機內部換熱條件復雜，流場分配極不均勻，中部取風量和風溫等參數難以準確確定。

王美琪[2]等通過Forchheimer-Brinkman-Darcy擴展模型對篦冷機內水泥熟料的冷卻過程進行了研究，獲得了篦冷機內不同供風風速、不同篦速下的氣體和熟料層溫度的變化規律。劉云峰[3]利用多孔介質模型和氣固耦合傳熱模型，對篦冷機進行數值研究，得到了其內部的流場和溫度場。楊歡等[4-7]對篦冷機進行了研究，但大部分研究集中在內部換熱過程的溫度場及流場，關注的重點是熟料顆粒的換熱過程，未對篦冷機中部取風口的溫度場、速度場進行研究，未獲得篦冷機中部取風口溫度與熟料層厚度的變化關系等。

為了準確確定AQC 余熱鍋爐余熱資源，高效利用水泥窯余熱，有必要對篦冷機，尤其是用于余熱發電的篦冷機中部取風口的流場和溫度場進行數值模擬研究。

1 篦冷機內部換熱機理及分析

篦冷機屬于水泥熟料顆粒堆積移動床設備，內部熟料與空氣的換熱過程包括傳導、對流、輻射三種方式。水泥熟料與空氣的換熱僅是氣固間的換熱，是氣固耦合強制對流換熱過程[7]，不涉及化學反應，同時熟料顆粒在冷卻過程中不斷受邊界條件變化的影響，對于這類問題，不同的熱力學理論和方法被用于建立數值模擬[1]。

回轉窯出口水泥熟料溫度高達1 450℃，回轉窯旋轉過程中，出口熱熟料掉落在篦冷機篦板上，熱熟料依次經篦冷機篦床及風室風機鼓風冷卻，熟料熱量絕大部分被轉移到了與其換熱的空氣中，回收這部分熱空氣可實現余熱利用。篦冷機可回收的熱量包括三部分，一部分為二次風熱量，供給窯內煅燒；一部分為三次風熱量，供給分解爐預分解；另一部分為高溫及低溫余熱，供發電使用。剩余不能利用的低溫熱量，除塵后排放。

2 篦冷機數值建模及Fluent數值模擬參數設定

2.1 多孔介質模型

篦冷機內熟料和空氣的換熱與多孔介質傳熱特性具有相似性[1]，因此，可以利用多孔介質理論對篦冷機內傳熱過程進行數值模擬研究。篦冷機熟料層可以看作是單相的多孔介質層，空氣充滿整個熟料層空腔。

篦冷機熟料層單相多孔介質的質量守恒，可以采用式（1）計算[1]：

式中：

ε——多孔介質的孔隙率，%

ρ——流體的密度，kg/m3

V——流體的表觀速度，m/s

2.2 幾何模型的建立

篦冷機屬于水泥行業大型冷卻設備，其體積龐大，內部結構復雜，換熱過程也復雜，因此，有必要對篦冷機進行簡化處理。

篦冷機內水泥熟料顆粒不規則，熟料顆粒之間不規則的孔隙數量較多，且孔隙直徑較小，使得空氣在其中的流動以及與熟料顆粒之間的換熱過程復雜，難以進行數學描述和數值模擬，因此，對水泥熟料進行統計和平均化處理是比較有效的途徑。為此，對篦冷機模型進行了如下假設簡化：

（1）篦冷機運行穩定，各參數幾乎沒有波動，保持恒定值。

（2）篦冷機中冷卻空氣垂直向上運動，熟料顆粒水平向前運動，且不發生沉降。

（3）篦冷機內寬度方向上的流場、溫度場基本一致，可以采用二維模型進行計算。

（4）篦冷機內熟料顆粒與空氣的換熱穩定，忽略熟料顆粒的輻射換熱，只考慮空氣與熟料固體顆粒的對流換熱、熟料顆粒間的導熱過程。

以國內某5 000t/d水泥熟料生產線篦冷機為對象進行研究，篦冷機型號為LBTF5000，其幾何尺寸為：長35 890mm、寬4 000mm、高7 000mm。篦冷機簡化幾何模型如圖1所示。

圖1 篦冷機簡化幾何模型

該篦冷機含9個風室、17臺冷卻風機。通過測定，得到各冷卻風機出口空氣流速，再經計算，得到各風機出口空氣質量流量，如表1所示。

表1 風機出口冷卻風質量流量

根據該篦冷機冷卻風機和篦板下冷卻風室的對應關系，可求得9 個風室內的空氣質量流量，并根據篦冷機各風室的尺寸，求得9 個風室的空氣流速。篦冷機冷卻空氣入口邊界條件如表2所示。

表2 篦冷機冷卻空氣入口邊界條件

2.3 網格劃分

為減少篦冷機溫度場數值模擬計算時間，本文采用突出核心區域換熱規律較合理的網格數量進行數值模擬研究。在進行篦冷機網格劃分時，因篦冷機不同部位的幾何尺寸差異較大，且考慮到網格邊界的正交性和光滑性對數值模擬的迭代收斂和計算結果精度的影響，對換熱核心區域，即，篦冷機熟料層的多孔介質區域，采用高網格密度進行劃分，網格尺寸為5mm。篦板下方風室及熟料層上方空腔部分，采用低網格密度的結構化網格劃分，網格尺寸為10mm。采用Gambit 2.4 軟件進行網格劃分。

2.4 邊界條件設置

根據LBTF5000型篦冷機的實際尺寸等比例進行物理建模，模型的邊界條件來源于實際運行參數及實測數據。篦冷機邊界條件主要包括多孔介質、壁面、質量入口、壓力出口等邊界條件。篦冷機冷卻空氣的壓力出口邊界條件如表3所示。

表3 篦冷機冷卻空氣壓力出口邊界條件

數值模擬計算過程中需測量的數據主要為篦冷機內熟料的質量流量和進出篦冷機的熟料溫度。經實際測定，得到篦冷機在數值模擬工況下的質量流量，如表4所示。

表4 篦冷機內熟料的質量流量測定結果

篦冷機內熟料區域簡化為多孔介質區域，熟料質量流量為260.34t/h（72.32kg/s）。進篦冷機熟料的溫度為1 400℃，熟料層厚度為800mm，篦冷機的其他邊界條件均設置為絕熱壁面。

2.5 計算區域的離散方式與數值算法

采用針對結構化網格計算較為高效的QUICK格式進行計算區域離散化，以提高數值模擬的計算精度。

處理壓力-速度耦合關系的常用算法有SIMPLE、SIMPLEC 和PISO 等三種。SIMPLE 算法采用“猜測-修正”的處理方法，比較適用于穩定過程的數值計算。SIMPLEC 算法與SIMPLE 算法的計算步驟相同，但求解穩態收斂速度慢于SIMPLE算法。PISO 算法主要應用于非穩態數值模擬，也可應用于可壓縮或不可壓縮流體流場。由于篦冷機內部熟料顆粒與冷卻空氣的換熱過程最終達到穩態，故選用SIMPLE算法。動量方程、能量方程的計算采用QUICK 格式，壓力插補采用PRESTO!格式。

3 篦冷機的數值模擬計算

通過收集該5 000t/d水泥熟料生產線實際運行參數，建立篦冷機物理、數學模型，進行Fluent數值計算理論分析，同時，通過Fluent 流體計算軟件計算篦冷機數值模型，得到了篦冷機內部及中部取風處的溫度場、流場及壓力分布。

3.1 數值模擬溫度場

篦冷機內部的溫度場是一個重要的物理場，計算溫度場的分布，能夠為AQC 余熱鍋爐取風口位置的選取提供重要參考。熟料層厚度為800mm時，篦冷機中部取風口位置在篦冷機長度方向14 000mm 處，取風口大小為5 000mm，取風口位于風室4～風室5 上部。篦冷機的溫度場分布如圖2所示，熟料入口溫度為1 673K（1 400℃），二、三次風溫為1 330.81K（1 057.81℃），篦冷機中部取風溫度為694.101K（421.101℃），篦冷機尾部出風口溫度為431.338K（158.338℃），熟料出口溫度為360.140K（87.14℃），冷卻空氣溫度為293.031K（20℃）。篦冷機風室1～風室3 上部空間煙氣溫度變化幅度較大，從1 673K 迅速降至846.479K，主要原因是篦冷機風室1～風室3 冷卻空氣的流速及風壓較大，起到了迅速冷卻熟料的作用。篦冷機600K 以上的熱風余熱資源，可進入AQC 余熱鍋爐回收利用。在篦冷機長度方向（由熟料進料口向出料口方向）20m 之前的篦冷機段，可以作為AQC 余熱鍋爐的取風口。

針對前文所提到的板栗收獲問題，筆者也根據人性化設計理念設計了一款小型可折疊板栗收集車，如圖2所示。本方案的第1個特點就是可折疊設計。收集斗和前蓋板以輪軸為軸心進行旋轉后可通過折疊卡扣折疊到一起，收縮回推桿，整個收集車可折疊成一個提包形態，易于收納，便于攜帶。作業時將前蓋板與收集斗轉開，拉出推桿，形成推車形態；推動收集車，圈絲植入式橡膠傳送帶會將板栗卷入收集斗，扎掛在傳送帶上的板栗會被脫栗卡板卡落入收集斗內；收集斗的形態近似于一個大簸箕，便于將斗內板栗倒入運輸車或收集袋中。

圖2 熟料層厚度為800mm時篦冷機溫度場分布

3.2 數值模擬壓力分布

篦冷機內部的壓力分布一定程度上影響了AQC 余熱鍋爐的取風量。熟料層厚度為800mm時，篦冷機內部壓力分布如圖3 所示。篦冷機風室1～風室2 處壓力最高（9 147.140Pa），主要原因是篦冷機風室1、風室2 的冷卻空氣流速最大。篦冷機風室風壓隨著篦冷機長度方向的增大而逐漸降低，風室9 處的風壓為3 507.457Pa，二、三次風風口風壓為-314.157Pa，篦冷機中部取風口的風壓為-504.765Pa，篦冷機尾部出風口的風壓為-674.557Pa。

圖3 熟料層厚度為800mm時篦冷機內部壓力分布

3.3 數值模擬流場分布

熟料層厚度為800mm 時，篦冷機內部流場分布如圖4所示。篦冷機各風室流速已知，通過數值模擬計算可知，二、三次風風口的平均流速約為1.30m/s，篦冷機中部取風口平均流速約為6.50m/s，篦冷機尾部出風口平均流速約為8.55m/s。篦冷機各風口的流速分布與壓力分布變化基本一致，篦冷機尾部出風口負壓最大，流速最高；二、三次風風口負壓最小，流速最??；篦冷機中部取風口負壓介于二、三次風風口及篦冷機尾部出風口之間，流速也介于兩者之間。

圖4 熟料層厚度為800mm時篦冷機內部流場分布

3.4 篦冷機中部取風口溫度與熟料層厚度的關系

篦冷機中部取風口溫度對余熱資源的回收利用至關重要。水泥窯工況變化，尤其是水泥窯產量變化時，余熱電站余熱資源的回收利用也會受影響。水泥窯產量變化帶來的最直觀的變化是篦冷機熟料層厚度的變化。通過對不同熟料層厚度工況下的篦冷機進行數值建模，經Fluent數值計算后可獲得最終的取風參數數值。本文研究了熟料層厚度分別為400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm、1 000mm 時，篦冷機中部取風口的溫度變化關系，如圖5所示。

圖5 篦冷機中部取風口溫度與熟料層厚度關系曲線

由圖5可以看出，篦冷機中部取風口的溫度隨篦冷機熟料層厚度的增加而增加，其原因是熟料層厚度增加時，水泥窯產量增加，單位時間內由熟料帶入篦冷機的熱量增加，冷卻空氣吸收更多的熱量后溫度升得更高，導致篦冷機中部取風口溫度也隨之升高。

采用Fluent 數值模擬軟件模擬篦冷機各個工況下的流場和溫度場分布情況，可以得到單一參數變化時，篦冷機中部取風參數的變化關系曲線，如熟料層厚度、產量與篦冷機中部取風參數的關系曲線，冷卻風量、風速與篦冷機中部取風參數的關系曲線，篦冷機中部取風位置與篦冷機中部取風參數的關系曲線等；也可以得到多參數變化時，篦冷機中部取風參數的變化關系曲線，如熟料層厚度、冷卻風量與篦冷機中部取風參數的關系曲線等。

4 結語

本文以國內某5 000t/d水泥熟料生產線篦冷機為研究對象，利用Fluent流體計算軟件進行了數值模擬計算，得到了篦冷機內部流場、溫度場及壓力分布圖。通過對不同熟料層厚度的篦冷機進行數值模擬，獲得了篦冷機中部取風口溫度隨熟料層厚度變化的趨勢曲線。

（1）Fluent 數值模擬軟件所得到的結果具有較高的精確度，足以滿足實際工程需要，依據數值模擬結果，可以準確確定任一工況參數下的篦冷機中部取風參數，輔助水泥窯純低溫余熱發電工藝設計、裝機方案、設備選型、性能考核等工作。

（2）篦冷機長度為35 890mm，熟料層厚度分別為400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm、1 000mm時，篦冷機中部取風口位置在14 000mm處的取風溫度分別為307.410℃、340.727℃、367.101℃、395.474℃、421.101℃、452.474℃、475.427℃。

（3）篦冷機在額定工況下運行時，即，熟料層厚度為800mm，熟料質量流量為72.32kg/s，可利用余熱資源溫度為600K 以上時，在篦冷機長度方向（由熟料進料口向出料口方向）20m 之前的位置取風即可。

（4）篦冷機內部壓力分布表明，篦冷機尾部出風口負壓最低，二、三次風風口負壓最高，篦冷機中部取風口負壓介于兩者之間。1、2 風室的風壓最高，風室風壓由風室1 至風室9 逐漸降低。1、2 風室風壓高是為了快速冷卻熟料，起到驟冷效果。這使得熟料與冷卻空氣的換熱加強，冷卻空氣由于吸收了熟料的熱量，溫度迅速升高，導致二、三次風風口的取風溫度高達1 100℃。隨著風室風壓的降低，冷卻空氣與熟料的換熱減弱，熱風溫度也逐漸降低，篦冷機尾部出風口溫度降低至160℃左右。因此，篦冷機中部取風口的位置越靠近熟料進口端，取風溫度越高。在實際工程中，為了獲得較高的取風溫度，取風口位置應盡量靠前，而取風口越靠前，取風口處的風壓負壓值越小。當取風口處風壓負壓值遠遠小于篦冷機尾部出風口負壓時，中部取風口往往取不到風，因此，需將篦冷機尾部出風管道閥門關小，甚至完全關閉，以增大篦冷機尾部出風管道的阻力，減小中部取風口的流動阻力，進而從篦冷機中部取風口取到風量。

（5）篦冷機內部流場表明，篦冷機尾部出風口流速最大，其次為篦冷機中部取風口流速。因此，在篦冷機自然分配風量時，篦冷機尾部出風口處的流量應高于篦冷機中部取風口及二、三次風。為了使篦冷機中部取風溫度高、空氣流量大，必須將篦冷機尾部取風口管道閥門關小，甚至完全關閉，增大篦冷機尾部出風口的流動阻力，使大部分風從篦冷機中部取風口流出。

（6）在冷卻空氣量一定時，篦冷機中部取風口溫度隨熟料層厚度的增加而增加。一是由于熟料層厚度增加，單位時間內由熟料帶入篦冷機的熱量增加，冷卻空氣與熟料進行換熱后，冷卻空氣因獲得較多的熱量而溫度升高，必然引起篦冷機中部取風口溫度增加；二是熟料層厚度增加后，冷卻空氣穿透熟料層的阻力增大，流動時間增加，換熱時間延長，換熱較充分，冷卻空氣溫度升高較大，引起篦冷機中部取風口溫度升高。