بررسي مدل‏هاي احتراقي در شبيه‏سازي عددي كوره دوار سيمان

Investigation of Combustion Models in Numerical Simulation of Cement Rotary Kiln

كوره هاي دوار سيمان به طور گسترده براي تبديل مواد خام به كلينكر مورد استفاده قرار مي گيرند. كاركرد اين كوره فرآيندي پيچيده و شامل پديده‏هاي گوناگوني است كه مهمترين آن‏ها جريان واكنشي مواد بستر، احتراق آشفته سوخت گازي و تشعشع در يك بدنه دوار و اندركنش حرارتي و جرمي بين بخش‏هاي مذكور هستند. در كار حاضر با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي، يك مدل عددي براي اين كوره ارايه شده است كه در آن سه ناحيه احتراق، واكنش مواد بستر و بدنه كوره لحاظ شده است. با شبيه‏سازي دوبعدي متقارن محوري اين كوره با استفاده از اين مدل، مدل‏هاي احتراقي واكنشگاه نيمه مخلوط، اتلاف گردابه و مدل كسر مخلوط در كوره‏هاي دوار سيمان، با استفاده از يك شبكه محاسبات موازي مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به محدوده زياد عدد دامكولر در ميدان كوره (17 > Da > 7/0) انتخاب مدل احتراقيِ مناسب دشوار مي‏باشد. نتايج نشان دادند كه از لحاظ زمان اجرا، مدل واكنشگاه نيمه مخلوط زمان‏برترين و مدل كسر مخلوط سريع‏ترين مدل مي‏باشند، در حالي كه هر دو مدل فيزيك جريان را نيز به خوبي پيش‏بيني مي‏كنند. از جنبه‎اي ديگر نتايج مربوط به كسر مولي گونه CO2 نشان دادند كه در محاسبه مقادير گونه‏ها، مدل‏هاي احتراقي مانند واكنشگاه نيمه مخلوط كه در آن‏ها واكنش‏هاي شيميايي در محاسبه نرخ احتراق لحاظ مي‏شوند و معادلات بقاي گونه‏ها براي هر گونه حل مي‏شوند، دقت بالاتري دارند.

Cement rotary kilns are extensively used to change raw material into clinker. This is a complex process and consists of many different phenomena such as bed material reactions, gas phase turbulent combustion and radiation in a rotary drum, and thermal-mass interactions between them. Using CFD, the two-dimensional numerical simulation of cement rotary kiln was performed in the present study. This model included gaseous fuel combustion, bed material reactions, and radiation heat transfer in the kiln. Using this model and parallel processing network, combustion models (PaSR, EDM and mixture fraction) in the cement kilns are investigated. Due to the high Damkohler number in the cement kiln (0.7 < Da < 17), selecting the appropriate combustion model is difficult. Among the combustion models that were studied, it was found that the PaSR model is the slowest and mixture fraction model is the fastest model, whereas both models predict physics well. On the other hand, results of CO2 mole fraction showed that to determine species mole fraction, using combustion models that include chemical reactions in calculating combustion rate and solve species conservation equation for each species (such as PaSR model) are more accurate.