□ 时 彤 □ 姜大志, □ 孙俊兰 □ 韩 晶

1．江南大学 机械工程学院 江苏无锡 214122

2．盐城工学院 机械工程学院 江苏盐城 224051

3．常州先进制造技术研究所 江苏常州 213164

粉煤灰为工业上常用的混合材料，其综合利用多使用干灰，目前粉煤灰的干燥工艺多采用回转烘干设备，此类设备占地面积大，能耗高，在工业生产中遇到的问题较多。脉冲气流干燥器是广泛应用于颗粒干燥的设备，由于采用气流输送原理，设备制作简单，占地面积较小，仅在高度上有一定的要求，且在实际运用中热效率较高［1］，其特有的脉冲管结构可以有效地强化干燥管内部气固两相之间的传热作用。结合粉煤灰颗粒干燥的生产需求以及脉冲气流干燥器的应用特点，笔者设计了粉煤灰脉冲气流干燥器，利用干燥设备手册中的经验设计方法，计算其结构尺寸，并在CFD（Computational Fluid Dynamics）有限体积软件Fluent 6.3中进行模拟实验，验证其干燥性能，该研究成果可以为粉煤灰干燥生产提供一种新型的生产方式，具有重要的现实意义。

1 粉煤灰脉冲气流干燥管的结构设计

针对粉煤灰的干燥特性和物理性质，采用干燥器设计手册中的分段设计方法［2］，设计适用于粉煤灰颗粒的脉冲气流干燥器，计算结果见表1，该干燥管结构包括2段减速段和3段加速段，三维模型见图1（a）。

表1 粉煤灰脉冲气流干燥管的结构参数

2 实验模型的建立

2.1 三维模型的建立及网格划分

根据设计的粉煤灰脉冲气流干燥器的结构，利用UG NX6.0软件建立其三维模型如图1（a）所示，由于加速段和减速段的管径不同，如采用直接连接，在过渡段会产生涡流现象。因此，在建模时过渡段采用60°倾斜角的圆锥体过渡，并采用60°的倒圆角将连接处顺滑处理［3］。

将建立的三维模型导入Gambit软件中进行网格划分，采用较小尺寸的网格单元，尽可能提高过渡段的网格质量，经多次尝试，最终采用10 mm大小的六面体网格，共计得到网格数为167 760个，通过Gambit对网格评价，网格单元夹角小于0.8°，满足计算要求，图1（b）为划分完成的网格图，将干燥管进口设置为速度入口边界条件，出口设置为充分压力出口边界条件，其它的边界设置为壁面边界条件。

▲图1 粉煤灰脉冲气流干燥器的模型与网格分布

2.2 求解器及实验参数的设定

由于粉煤灰颗粒和热气流之间有热量的传递，拟采用Fluent 6.3中的欧拉多相流模型［4］进行耦合隐式不可压缩稳态三维单精度求解；脉冲气流干燥管内部流动为中等强度的湍流流动，所以选择工程设计中常用的k-ε模型来对干燥管内部的湍流情况做数值模拟［5］。由于粉煤灰颗粒与热气流之间有传热过程，在Fluent 6.3中采用能量守恒方程，需要用到的物理参数包括气固两相的密度、比热容、导热系数和空气黏度，本研究假设颗粒和空气的比热容和导热系数不随温度变化而变化，各项参数［6］见表 2。

在欧拉模型中，将主相设为热气流，气流以20 m/s的速度进入干燥管，次相为固相（粉煤灰），颗粒初速度设为0；颗粒黏度采用Gidaspow et al黏度模型，颗粒体积黏度采用Lun et al模型，固体压力和径向分布采用Len et al模型，在本模拟中主要考虑粉煤灰颗粒所受到的曳力、重力与浮力，曳力模型采用Gidaspow曳力模型，颗粒碰撞恢复系数为0.9，热交换模型选择Gunn模型［7］，假设粉煤灰颗粒粒径为 120 μm，形状为球形。

压力-速度耦合方程采用曲线坐标系中的非交错网格的Simple算法，压力梯度项采用Standard格式，离散方程的对流项均用二阶迎风格式 （Second Order Upwind）计算［8］，使用默认的欠松弛因子；监视收敛性判别标准均设为10-3，初始化后对其进行迭代计算，共迭代约1 529步后得到较好的收敛结果。

3 模拟结果与分析

3.1 气流速度分析

图 2（a）、（b）分别为颗粒加入前、后管中的气流速度变化，气流在各个分段的速度运动都较为均匀。从图2（a）中可看出，气流在干燥管中以“加速-减速-加速”不断变化的规律运动，以20 m/s速度进入的热气流，在减速段降至14 m/s左右，且越靠近外侧其降低程度越大，气流的速度突变效果明显，这对于颗粒加入后增大颗粒与气流之间的相对速度极为有利。在加入粉煤灰颗粒后，得到气流的速度变化如图2（b）所示，气流速度相对于无颗粒的情况下有所降低，主要是因为热气流将热量传递给了粉煤灰颗粒，使自身的体积变小，从而降低了气流速度，而干燥管中有了颗粒的加入，弥补了一些流场体积变化，气流速度的降低程度较小。

▲图2 干燥管中的气流速度分布

3.2 颗粒速度及两相相对速度分析

图3 为粉煤灰颗粒进入干燥管后的颗粒运动速度分布情况，图4给出了气流和颗粒之间的相对速度大小变化情况，粉煤灰在气流的带动下呈现出‘加速-减速’不断循环的规律，气固两相之间的相对速度一直保持在较高水平。图5和图6分别为颗粒运动速度和两相相对速度的变化曲线，从中可以直观地观察其大小变化情况，粉煤灰在初始进入时不断地被气流带动加速到17 m/s以上，在两段减速段位置，颗粒速度曲线向下变化。粉煤灰颗粒在气流带动下的变化规律较明显，颗粒和气流之间始终保持着较高的速度差。图6可以看到颗粒和气流之间的相对速度在每个管段都有明显的由大变小的过程，即使在减速段，气流和颗粒的最大相对速度也一度能达到4 m/s以上，大部分的时间内气固两相之间都能保持较高的水平。相对于传统的直管气流干燥，颗粒和气流之间的对流作用大大加强，可以强化热气流和颗粒之间的传热过程，对于提高干燥器的干燥效果极为有利。

3.3 气固两相的温度场变化情况

▲图3 颗粒速度分布图

▲图4气固相对速度分布

▲图5 颗粒运动速度变化曲线

▲图6 相对速度的变化曲线

图 7（a）、（b）为气流及粉煤灰颗粒在干燥管中的的温度分布，实验中进口的热气流温度为400℃，粉煤灰颗粒的进口温度为 26℃；图 8（a）、（b）分别为热气流和粉煤灰颗粒的温度变化曲线图，400℃的热气流在干燥过程开始后，温度不断下降，刚开始降低幅度较大，然后开始放缓，在干燥器的出口，热气流最终以105℃的温度排出，这是由于在干燥初始时气流和颗粒之间的温度差较大，热传递效果最佳，而随着气固两相温差减小，其传热效果不断降低。颗粒在整个过程中的温度则不断升高，由于大多数的热量用于粉煤灰颗粒中水分的蒸发，颗粒本身吸收的热量较少，进口为26℃的粉煤灰颗粒，其出口温度仅在98℃左右。在整个实验过程中，气流的温度一直高于颗粒温度，最终温差仅为7℃左右，说明干燥过程中热气流的热量利用较为充分。在实际生产中，干燥出来的气固两相要经过后续的除尘设备，干燥管出来的气流温度将再次下降，气温如低于100℃将造成被蒸发的水分再次液化，因此实际生产中流出干燥管的气流温度要高于100℃，必要的情况下可以适当提高进口气流温度来满足此要求。

3.4 气流的焓值变化情况

▲图7 气流及颗粒在干燥管中的温度分布

▲图8 气流和粉煤灰颗粒的温度变化曲线

图9 为单位质量热气流焓值的变化曲线，可以看出干燥过程中热量传递情况。在干燥过程初始时，热空气的焓值快速下降，随着干燥过程的进行，热传递逐渐放缓，并在出口处趋于稳定，印证了上述的理论分析是正确的；初始时粉煤灰和热气流之间温差较大，热传递效果最佳，在出口处，温差达到最小，热传递效果最差。单位质量空气的焓值从初始的365 kJ/kg降至最终的80 kJ/kg，热量利用率达到79%，热利用率较高，而干燥管排出的热空气还可继续用于粉煤灰湿颗粒的预热，可以进一步提高热能的利用率。

▲图9 单位质量热气流的焓值变化曲线

3.5 理论值与实验值的对比分析

与理论值相比，实验得到的粉煤灰颗粒速度偏高（见表3），由于理论计算的数据为经过公式修正后的结果，而模拟实验是在理想情况下进行，因此会产生一定的差异，不过该误差在合理范围内；实验模拟中，气固相对速度比理论值偏小，相对速度的减小影响了热气流与粉煤灰颗粒之间的对流作用，造成干燥过程的热传递效果稍有下降，其直接表现为空气温度下降，效果变差，初始空气的温度低于理论值，而随着干燥不断进行，气流温度要高于理论计算结果，但相差不大，在合理变化范围内。

表3 理论结果与模拟结果对比情况

4 结论

由实验结果可知，粉煤灰与气流的速度值与理论计算值相一致，气固之间的相对速度维持在较高水平，对流作用明显，从而使整个干燥过程中粉煤灰和气流之间的热传递效果较好，最终的气流温度值与颗粒温度结果仅相差7℃，达到了理想的效果，热能利用率达到79%，说明在该干燥器中，热量能得到较为充分的利用。研究表明，理论计算得到的粉煤灰脉冲气流干燥器各项操作参数值与模拟实验结果相一致，实验数据的变化情况说明了该模型合理可靠，可以尝试进行生产应用。

综上所示，将脉冲气流干燥器干燥器运用到粉煤灰干燥中能得到较好的干燥效果，相较以往的干燥方式提供了一种设备投入少、占地面积小且热能利用率高的生产方式，该实验有待进行实体实验以进一步验证其干燥效果。

［1］ 魏朝.脉冲式气流干燥技术应用 ［J］.石河子科技,2012（1）:29-30.

［2］ 潘永康,王喜忠,刘相东.现代干燥技术［M］.北京：化学工业出版社,2007.

［3］ 沈明启,马淑珍,周志远.气流干燥变径管处流场的积屑现象分析及数值模拟［J］.森林工程,2000,16（5）:30-32.

［4］ 金辉.气流干燥管内气固两相流动与传热特性的数值模拟研究［D］.武汉：华中农业大学,2010.

［5］ 范增晓,姜大志,黄亿辉.O-SEPA选粉机内部流场数值模拟的方法选择［J］.江南大学学报（自然科学版）,2011,10（5）:568-572.

［6］ 王雷,章明川,吕太,等.粉煤灰干燥特性的试验研究［J］.化学工程,2005,33（4）:8-11.

［7］ Avi L,Lrene B.Steady State One Dimensional Flow Model for a Pneumatic Dryer ［J］.Chemical Engineer in Gand Proeessing,1999,38:121-13.

［8］ 张师帅.计算流体动力学及其应用一 CFD软件的原理与应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2010.