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1、 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 摘摘 要要 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。 关关键词键词 预热器；气固耦合模拟；Fluent；EDEM Gas-solid coupli
2、ng 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
3、 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
4、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，
5、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 EDEM2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 2.1 FlLUENT 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
6、，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 65003，远大于临界点 20003000，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- 模型是标准 k- 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
7、k- 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 12 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 pre
8、heater 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
9、-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
10、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。 3 预热器结构的优化 为了改善烟气在预热器内的流动，拟采用在预热器中下部增加导气梁干涉预热器内烟 气流动的方法，避免推杆处烟气涡流的产生。将加导气梁的预热器模型重新模拟分析，结 果如图 6、7 所示。 图 6 带导气梁预热器内烟气流线图 图 7 带导气梁预热器内烟气速度分布图 Fig6. Motion trajectory distribution contours of gas Fig7. Flow
11、 velocity distribution contours of gas in preheater with gas-guiding beam in preheater with gas-guiding beam 由图 6 可知，加导气梁后，通过干扰烟气的流动路径，使得进入液压推杆附近区域的 烟气流线明显增多。对比图 4 和图 6 可以看出，左下侧的烟气流速明显增加，使得此处物 料的换热效果得到改善。 针对预热器上部烟气分布不均的情况，拟将悬挂装置抬升，并使其和浇注料形成一定 角度。这样可使从回转窑进入的烟气在进入此区域后，经悬挂装置缓冲后，沿四周的浇注 料反压到石灰石料面上，从而扩大高温
12、烟气附近区域的影响程度。 图 8 悬挂抬升后预热器内烟气流线图 图 9 悬挂抬升后预热器内烟气速度分布图 Fig8. Motion trajectory distribution contours of gas Fig9. Flow velocity distribution contours of gas in preheater after suspension lifted in preheater after suspension lifted 从图 8 可以看出，将悬挂装置抬升并与周边浇注料形成一定角度后，烟气通过该处时 有向下运动并扩散的趋势。对比图 5 和图 9 可以看出，低速烟
13、气区域明显减少，扩大了烟 气和石灰石物料的热交换范围，提高了换热效果，同时预热效果更加均匀。 4 结论 1）借助离散元软件 EDEM 生成的近似生产实际的石灰石颗粒，更加真实的还原了石 灰石在预热器内堆积的孔隙， 然后使用流体分析软件 Fluent 和离散元 EDEM 耦合模拟烟气 的流动，能够更加接近实际和直观的观察到烟气在预热器内流动情况，为设备的优化及工 艺操作的改进提供了更准确的数据。 2）经过优化后的预热器换热效果明显提高，从江阴某冶金石灰厂反馈的数据，烟气从 预热器排出的平均温度在 200左右，较以前的 250有明显的改善，大大降低了产品的热 耗。 参考文献参考文献 1 廖志明 竖
14、式预热器和冷却器热流场分析D.河南科技大学 硕士论文 2010. 2 张辉，张永震. 颗粒力学仿真软件 EDEM 简要介绍J.CAD-CAM 与制造业信息化，2008，(12)：4849. 3 廖志明 李济顺等.回转窑竖式预热器的热流场分析J.中国机械工程. 2010, 21(17): 2074-2078. 4 T H Shih,W W Liou,A Shabbir, et al.A New k- Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows J. Computer Fluids,1995,24(3）:227-238 5 江帆 黄鹏编著 Fluent 高级应用与实例分析M.北京.清华大学出版社 2008.
