Ansys高级应用分享-分解炉内热流场分析

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PURPOSE

目的

在水泥行业及垃圾焚烧行业，经常会涉及颗粒在高温状态下的反应。通常CFD软件会提供煤粉颗粒燃烧的标准模板，类似于分解反应，则需要通过程序的接口自己定义。这里我们利用CFX软件模拟炉内煤粉燃烧及碳酸钙分解的过程，碳酸钙的分解速率采用user fortran 实现。

物理问题描述

碳酸钙颗粒从分解炉底部进入，煤粉颗粒从分解炉两侧喷入，进口速度/温度及空气流量如图1。由于碳酸钙分解需要消耗热，因此炉内温度比纯煤粉燃烧燃烧时温度低。

图1 分解炉模拟示意图

碳酸钙分解速率的定义

碳酸钙分解速率采用图2所示的表达式，通过PT_REACTION子程序与主程序关联（如图2）。为了进行比较，计算考虑了如下两种工况：

1）只考虑煤粉燃烧；

2）同时考虑煤粉燃烧及碳酸钙分解。

图2 碳酸钙分解速率定义

计算结果

图3 温度场分布

图4 二氧化碳浓度分布

图3 给出了两种工况下炉内的温度场分布。可见纯煤粉燃烧工况下，炉出口平均温度为1998K，考虑碳酸钙分解后，炉出口温度将为1340K。纯煤粉燃烧情况下，炉出口CO2质量分数为14.2%，考虑碳酸钙分解反应后，出口CO2质量分数上升为25.9%（图4）。主要原因是碳酸钙分解反应是吸热反应，同时会生成一部分CO2。

图5 CaCO3质量分数随颗粒轨迹的变化

图6 CaO质量分数随颗粒轨迹的变化

图7粒子温度随颗粒轨迹的变化

图8沿炉高方向颗粒的分解率

图5和图6给出了颗粒中CaCO3和CaO质量分数沿颗粒轨迹的变化。随着分解反应的进行，粒子中CaCO3质量分数逐渐降低，而生成物CaO的质量分数沿炉高逐渐增大。图7给出了粒子温度沿炉高的变化，可见，粒子温度逐渐升高，在出口位置处，大部分粒子温度在1240K左右。对于本案例的工况，碳酸钙的分解率接近100%（如图8）。

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