基于Fluent的回转窑内危废焚烧的数值模拟方法

摘要

本发明涉及基于Fluent的回转窑内危废焚烧的数值模拟方法，所述的方法包括以下步骤：步骤S1、建立危废反应模型，测量得到实验数据；步骤S2、建立流动及传热模型；步骤S3、根据实际回转窑尺寸建立几何模型并对几何模型进行网格划分；步骤S4、根据步骤S2的流动及传热模型和步骤S3的几何模型进行Fluent计算求解；步骤S5、提取步骤S4计算得到的数据并和步骤S1实验得到的数据进行对比分析。与现有技术相比，本发明具有实现对危废焚烧过程中关键工艺参数的优化、模拟过程更接近实际情况等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及固体危险固废资源化处理领域，尤其是涉及基于Fluent的回转窑内危废焚烧的数值模拟方法。

背景技术

随着经济的发展，工业以及生活等领域的危险废物(以下简称“危废”)产量也在不断增加，处理这些危废成为当务之急。

目前，危废处置方式主要包括填埋、焚烧和少部分资源化等。焚烧可以有效破坏废物中的有毒、有害的成分，是实现危废减量化、无害化的最快捷、最有效的技术之一。危废焚烧炉型主要有炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、立式焚烧炉、回转窑等，回转窑因其物料适用性广、运行稳定可靠而被广泛采用。

焚烧系统是极为复杂的系统，需要同时关注焚烧温度、供风量、停留时间和烟气组分等问题，同时，回转窑的转速对物料停留时间和反应过程有重要的影响，多种因素造成焚烧过程工艺参数优化难。

随着数值模拟模型的完善和计算机性能的提升，通过数值模拟的方法对焚烧系统进行预测，可以研究不同影响因素对物料反应过程的影响，实现关键工艺参数的优化。文献《基于ANSYS和FLUENT的回转窑热工特性分析》通过使用FLUENT有限元软件对回转窑及窑内气体燃烧与气固耦合进行了模拟分析，但该方法的数值模拟考虑的因素较少，没用综合考虑多种因素的影响，预测的结果离实际情况相差比较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供基于Fluent的回转窑内危废焚烧的数值模拟方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于Fluent的回转窑内危废焚烧的数值模拟方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤S1、建立危废反应模型，测量得到实验数据；

步骤S2、建立流动及传热模型；

步骤S3、根据实际回转窑尺寸建立几何模型并对几何模型进行网格划分；

步骤S4、根据步骤S2的流动及传热模型和步骤S3的几何模型进行Fluent计算求解；

步骤S5、提取步骤S4计算得到的数据并和步骤S1实验得到的数据进行对比分析。

进一步地，所述的步骤S1中的危废反应模型的功能包括：

测量危废的工业分析和元素分析；

测量危废挥发分析出速率；

测量热解产物分布。

进一步地，所述的危废挥发分析出速率采用DSC或热重实验，进行化学反应动力学分析，计算得到。

进一步地，所述的热解产物分布采用实验室小型固定床、管式炉者回转窑进行实验得到；对热解得到的不凝气体采用GC测量成分和含量，液体采用GC-MS测量成分和含量。

进一步地，所述的流动及传热模型选择Fluent进行求解，选择双流体模型计算物料与气体在回转窑内的流动，选择k-ε的模型计算气体湍流的影响，选择Simple模型计算压力与速度之间的耦合。

进一步地，所述的流动及传热模型设置有边界条件；所述的边界条件具体为：设定物料入口和气体入口为流量入口边界条件，出口为压力出口边界条件，回转窑壁面为无滑移绝热边界条件；所述的回转窑壁面设置为动网格壁面。

进一步地，所述的网格划分采用GAMBIT或ICEM软件进行划分。

进一步地，所划分的网格为六面体网格。

进一步地，所述的Fluent计算求解过程中，选择非稳态求解器，在迭代计算过程中，选择可调节时间步长模式，压力方程的离散采用标准格式，动量方程的离散采用一阶迎风格式。

进一步地，所述的步骤S5具体为：

S501、提取代表回转窑内危废焚烧状态的温度、物料成分和烟气成分关键数据；

S502、总结不同物料和不同风量时回转窑内温度场与物料和烟气成分的变化规律；分析不同长径比的回转窑对回转窑内温度和物料燃尽率的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明提出基于Fluent的回转窑内危废焚烧的数值模拟方法，通过该方法，可以实现回转窑内焚烧过程的数值预测，获得不同运行参数和不同结构参数对回转窑内温度场和气氛场的影响规律，进而实现对关键工艺参数的优化。

二、本发明借助Fluent中的动网格模型，结合实验测量得到的危废物料挥发分析出的动力学模型，综合考虑了流动、传热、反应、转动对窑内物料反应过程的影响，再现了危废在回转窑内的焚烧过程中的温度分布、各种组分的分布，模拟过程更接近实际情况。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的回转窑几何模型示意图；

图3为本发明的回转窑轴向温度分布图；

图4为本发明的回转窑内水蒸气浓度分布图；

图5为本发明的回转窑内挥发分浓度分布图；

图6为本发明的回转窑内CO浓度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，基于Fluent的回转窑内危废焚烧的数值模拟方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤S1、建立危废反应模型，测量得到实验数据；

步骤S2、建立流动及传热模型；

步骤S3、根据实际回转窑尺寸建立几何模型并对几何模型进行网格划分；

步骤S4、根据步骤S2的流动及传热模型和步骤S3的几何模型进行Fluent计算求解；

步骤S5、提取步骤S4计算得到的数据并和步骤S1实验得到的数据进行对比分析。

其中，每一个步骤的具体描述如下。

步骤S1、建立危废反应模型，测量得到实验数据

包括：1)测量危废物料的工业分析和元素分析；

2)测量危废挥发分析出速率；

3)测量热解产物分布。

其中，危废挥发分析出速率采用DSC(差示扫描量热法)或者热重实验，进行化学反应动力学分析，计算得到；热解产物分布采用实验室小型固定床、管式炉或者回转窑等实验设备进行实验，对热解得到的不凝气体和液体分别采用GC(气相色谱)、GC-MS(气相色谱-质谱联用仪)测量成分和含量。

通过挥发分析出速率的计算和热解产物分布的测量，可以得到挥发分析出过程：

C

水分蒸发过程：

步骤S2、建立流动及传热模型

1)选择Fluent进行求解，选择双流体模型计算物料与气体在回转窑内的流动，选择k-ε模型计算气体湍流的影响，并选择Simple模型计算压力与速度之间的耦合；

2)边界条件设置：设定物料入口和气体入口为流量入口边界条件，出口为压力出口边界条件，回转窑壁面为无滑移绝热边界条件；

3)回转窑壁面设置为动网格，绕中心轴旋转，转动速率采用用户自定义函数控制。

基于双流体模型对回转窑内危废焚烧过程进行数值模拟，其中数学模型主要包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分守恒方程。

气相质量守恒方程：

固体颗粒相质量守恒方程：

式中，α为气相和固体颗粒相的空间体积分数；ρ为气相和固体颗粒相的密度，单位为kg/m

S

式中，M

α

气相动量守恒方程：

固体颗粒相动量守恒方程：

式中p为压力；i、j为坐标系中的方向；g为重力的分量单位为m/s

μ＝μ

气相能量守恒方程：

固体颗粒相能量守恒方程：

其中，C

气相主要包括热解析出的挥发分、燃烧过程产生的CO

固相的主要成分包括液态的水、灰分、未分解的挥发分和炭，固体颗粒相组分质量守恒方程：

其中D

挥发分燃烧过程：

hv_vol+O

CO+O

固定炭燃烧过程：

垃圾中挥发分析出后，同时也被碳化，固定碳在高温和氧气的条件下发生氧化反应，与水蒸气和二氧化碳发生异化反应，由于是燃烧模型，氧气供应较为充足，因此，本模型中只考虑固定碳的氧化反应。其化学反应实质为碳在有氧和高温的条件下被氧化成CO和CO

C+αO

式中，α为氧气实际参与反应系数，与CO和CO

固定碳与氧气的反应速率与碳的化学反应速率和氧气的扩散速率均有关系，当氧气浓度较高反应温度较低时，其反应速率受化学反应速率控制；当氧气浓度较低反应温度较高时，其反应速率受氧气扩散速率影响。本模型中采用基于碳比表面的反应速率模型，单位面积反应速率方程描述如下:

式中，P

其中，A

其中，D

步骤S3、根据实际回转窑尺寸建立几何模型并对几何模型进行网格划分

如图2所示，根据实际回转窑的尺寸建立几何模型，并采用GAMBIT网格划分软件或者ICEM网格划分软件对所建模型进行网格划分，所划分的网格采用六面体网格。

步骤S4、根据流动及传热模型和几何模型进行Fluent计算求解

在Fluent计算求解过程中，选择非稳态求解器，在迭代计算过程中，选择可调节时间步长模式，压力方程的离散采用标准格式，动量方程的离散采用一阶迎风格式。

设置不同的燃料、不同的风量、不同的转速等运行参数进行计算，建立不同的长径比、窑体倾角的几何模型，对不同结构参数下的焚烧过程进行计算，综合分析不同工况下窑体内的温度场和组分场。

步骤S5、提取计算得到的数据并和实验得到的数据进行对比分析

如图3～6所示，提取代表回转窑内危废焚烧状态的温度、物料成分和烟气成分等关键数据；结合实验得到的数据，总结不同物料、不同风量时回转窑内温度场和物料、烟气成分的变化规律；分析不同长径比对回转窑内温度和物料燃尽率的影响，进而实现对关键工艺参数的优化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。