氧分解炉鹅颈管及废气管道内气体流动规律试验与数值模拟研究

摘要

在新型干法水泥窑系统中，分解炉鹅颈管和废气管是窑尾系统的重要组成部分。在其内部的流体一般都处于湍流状态，由于要经过180°弯管，气流运动十分复杂，存在复杂的二次流，产生尺度很大的旋涡，造成局部障碍，从而对流动系统的阻力及热质交换产生重大作用。详细了解这些信息就有可能通过调整区段的几何形状或其他参数来控制二次流，达到满意的工作状态。 对气体流场的测试和观察表明，分解炉鹅颈管道大致可分为三个区域：弯管外侧速度大幅增加的区域、因旋流而明显增大的二次涡流区和直管段旋流逐步减弱的区域。管道内流场与管道及分解炉结构密切相关，同风管进入分解炉气流状态密切相关。弯管中二次涡流的存在对于气固混合有利，对物料的分散与均布又会产生不利影响。旋流的存在使得二次涡流区域明显增大，增加了气流阻力，这是鹅颈管阻力明显高于常规弯管局部阻力的主要原因。 分解炉鹅颈管可以延长物料停留时间和煤粉燃烧时间，但料气停留时间比值低，只有1.44左右，空间利用效率很低，也使阻力损失明显增大。对于新建水泥生产线中，其对分解炉内物料停留时间的增加的贡献相当有限，效果也是不理想的。但是在改扩建老生产线中的分解炉可以根据现场情况考虑增设鹅颈管以适当改善分解炉功能。 在20m/s风速时废气管阻力达到880Pa左右。废气管阻力系数达3.88左右，与一级预热旋风筒的阻力相当。废气管压损主要产生于弯管段，占整个废气管阻力70％左右，这种高阻力损失主要是由于强旋流的存在引起的。 加装南京工业大学开发的整流器后，切向风速变为远远低于轴向风速，弯管二次涡流的区域也明显减少，风速绝对值降低，废气管的阻力损失可减少约60％。 对该分解炉鹅颈管及废气管进行数值模拟研究，得到了弯管道流场分布状态、湍动能以及湍动能耗散状态等多项参数，全面精细直观地反映了其内部流场状态。发现鹅颈管进口处靠外壁和出口中心处速度较大，湍动能与速度分布一致，且最大值出现在进口和出口中心柱段环形空间处。 通过采用冷模试验和CFD数值模拟相结合的手段对分解炉鹅颈管的流场进行研究，积累了一套对其系统流场进行研究的方法和经验，搭建了一个研究平台。从而可为工程实际生产起到借鉴作用。