回转窑内冷态流场的数值模拟研究
陆超，李亚男，王平，施海艳，张洪**
作者简介：陆超，（1987-），男，硕士在读，能源化工
通信联系人：张洪，（1965-），男，教授、博士生导师，主要从事煤粉燃烧及煤质分析技术和仪器的研究.
E-mail: hzhang@cumt.edu.cn
（中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221116）
5 摘要：本文采用CFD 技术，对回转窑冷态流场进行了数值模拟研究。模拟结果显示在回转窑
中产生中心回流区、内回流区和外回流区，与前人的研究情况相符；从而证明了网格的合理
性、数值方法的可靠性以及现场燃烧器的优越性。所研究的四风道煤粉燃烧器性能良好, 有
助于提高水泥煅烧质量和效率。
关键词：回转窑；数值模拟；回流区
10 中图分类号：TQ172
Numerical Simulation Study on the Cold Flow State of the
Rotary Kiln
LU Chao, LI Yanan, WANG Ping, SHI Haiyan, ZHANG Hong
15 (School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining & Technology,
JiangSu XuZhou 221116)
Abstract: In this paper，CFD technology was used to study the cold flow field in the rotary kiln.
The results showed that there were central reflux zone, internal reflux zone and external reflux
zone in the rotary kiln, and was consistent with predecessor's research; what account for the
20 rationality of the grid, the reliability of numerical method and the advantages of the burner. The
performance of four-channel coal burner we studied was well and helpful to improve quality and
efficiency cement calcination.
Keywords: rotary kiln; numerical simulation; reflux zone
25 0 引言
回转窑是水泥烧成系统中的主要设备，其性能的好坏对水泥煅烧过程有着直接影响。回
转窑煤粉燃烧器发展到今天，其结构分别经历了单风道、双风道、三风道及旋流式四风道燃
烧器。旋流式四风道煤粉燃烧器在降低一次风总量的基础上，通过提高燃烧器风道风速和推
力来保证风与煤的充分混合，有效提高煤的燃尽率，形成了良好的火焰形状，进而提高水泥
30 煅烧质量和效率，目前得到了广泛的应用。
上个世纪70 年代以来，大型计算机和CFD（计算流体力学技术）得以迅速发展，特别
是CFD 技术以其相对于实验研究、数值模拟的独特优点，显示出巨大的活力[1]。近年来，
国内外学者对采用CFD 技术研究回转窑表现出了浓厚的兴趣。本文运用数值模拟的方法，
对回转窑四风道煤粉燃烧器进行了冷态模拟研究，研究了窑内流动规律。
35 1 几何模型的建立及网格划分
在整个数值模拟工作中，网格划分是极为关键的步骤。本文所研究的回转窑虽整体规模
较大，但由于其为旋转对称，我们可以将复杂的三维空间简化到二维进行模拟计算；此外，
二维模拟对计算机等硬件的要求也相对较低。因此，本文对回转窑中煤粉燃烧的数值模拟研
究采用二维模型。
40 图1-1 为本文所用四风道煤粉燃烧器的端面结构示意图。它是一种旋转射流与直线射流
 相组合的燃烧器，其主要有轴流风、旋流风、煤风和多孔中心风。各通道的风速、风温设置
如表1-1 所示。
图1-1 四风道煤粉燃烧器端面结构示意图
45
表1-1 回转窑模拟边界条件
一 次 风 参数
中心风 煤风 旋流风 轴流风
二次风 20m 处
出口
总过量空
气系数
风速（m/s） 6 22 160 170 4 0
风温（k） 361 385 334 321 1200 1500
比例（%） 14．7% 85.3%
1.1
此回转窑规格为Φ4.3×62m，斜度为3.5%，考虑内衬（200mm）和窑皮（300mm）的厚
度等，计算区域直径取3.2m；燃烧器端面距离窑口0m。
50 回转窑具有对称性，因此仅取一半区域进行研究。采用四边形网格对计算区域进行分区
划分，由于燃烧器出口附近湍流强烈，在该区域网格划分更加密集；总网格数为8 万，偏斜
率在0.04 以下，网格质量良好。
2 数学模型的选择
k-ε 双方程模型是工程中应用最为广泛的湍流模型[2-5]，在本文的研究中，气相的湍流流
55 动选择Standard k-ε 模型。
标准k-ε 模型由Launder 和Spalding 提出，即在湍动能k 的方程基础上，再引入一个关
于湍动耗散率ε 的方程。标准k-ε 模型通过求解湍流动能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程，
得到k 和ε 的解，然后再用k 和ε 的值计算湍流粘度，最终通过Boussinesq 假设得到雷诺应
力的解。
60 在模型中，表示湍流耗散率的ε 被定义为：
 在标准k-ε 模型中，k 和ε 是两个基本未知量，与之相对应的输运方程[6]为：
 其中， k G 是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项， b G 是由于浮力引起的湍动能
k 的产生项， M Y 代表可压湍流中脉动扩张的贡献， 1 C ε 、2 C ε 和3 C ε 为经验常数， k σ 和ε σ 分
别是与湍动能k 和耗散率ε 对应的prandtl 数， k S 和Sε 为用户定义的源相。
70 标准k-ε 模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。k-ε 模型假定流场完全
是湍流，分子之间的粘性可以忽略。
3 冷态流场模拟结果及分析
图3-1 为回转窑内气体轴向速度矢量图，从中可以看出，燃烧器出口附近靠近对称轴位
置的速度较小；窑内出现回流区。
75
图3-1 模拟窑内的气体轴向速度矢量图
图3-2 为回转窑内不同位置及方向的速度云图，从图3-2（a）和（b）可知，一次风由
燃烧器的四个通道喷入，平均速度较高；其中轴流风风速最大，旋流风的轴向风速次之，中
80 心风风速最小，出口处各风速差异很大。二次风从燃烧器与回转窑的空腔中喷入，平均速度
较低。由于燃烧器的强旋流和大速差作用[7]，燃烧器出口湍流作用较强。在5m 以后湍流作
用减弱，进入充分发展区。
从图3-2（b）中可以看出，四风道燃烧器的旋流风和轴流风的速度较大，其与低速的
二次风产生大速差效应，对高温二次风形成明显的卷吸作用。燃烧器中心形成内回流区，减
85 弱一次风的旋转，挤压煤风，使煤粉更加均匀充分地混合，便于高温二次风穿透煤风，有利
于煤粉及时着火燃烧，进而在燃烧时缩短火焰的黑火头。旋流角度使火焰扩散角度增大，促
进煤粉与高温二次风混合更加充分。大速差的存在，能更有效地卷吸高温二次风。
比较图3-2（b）和（c），发现切向速度的最大值衰减很快。这是因为旋流风不断卷吸
周围高温二次风，但是流体的总动量要保持守恒，这就使得旋转射流的射程较短。这些因素
90 的综合作用使速度矢量云图的分布成为图3-1 的形状。
 （a）窑头附近速度场分布
95
（b）燃烧器出口速度场分布
100
（c）燃烧器出口附近切向流场
图3-2 冷态速度云图
本文所研究的多风道煤粉燃烧器性能良好，形成多个回流区。图3-3 和3-4 分别是回转
105 窑内回流区的分布情况，由图可知，回流区可分为3 个区域：中心回流区、外回流区和内回
流区[8,9]，与三维模拟及理论分析得到的结果一致[10]。外回流区的形成是旋流风切向速度作
用的结果，主要卷吸高温二次烟气。增强外回流区的回流，可以使下游高温烟气反混，不仅
可以促进空气和煤粉混合更加均匀，而且可以预热煤粉，加快煤粉的燃烧速率，使燃烧更加
集中，提高煅烧温度；此外，使煤粉在低氧环境燃烧，有效减少NOx 等有害气体的生成。
110 外回流区还可防止火焰冲刷窑皮[11]，起到保护窑皮的作用。
 中心回流区存在于中心风出口附近，其形成主要是由于旋转作用产生的离心力使射流边
界的压强降低。它的存在主要回流下游高温烟气，进而促进煤粉的混合、预热及着火，以使
火焰更加稳定，停留时间分布更为合理，形成满足烧成要求的火焰形状。同时中心回流区的
方向是由外到里，回流区长度约为0.28m，最大宽度约为0.06m，最大轴向速度为-19.50m/s。
115 内回流区存在于轴流风外部，主要是轴流风和旋流风轴向风速较大，与二次风形成大差
速射流，从而卷吸高温二次风，形成回流区，为点燃煤粉提供所需要的热量和氧气。
图3-3 燃烧器端头附近形成的回流区
120
图3-4 煤粉燃烧器出口附近回流区分布
通过学习前人研究[12]，不难发现冷态时回流区的形状及规律与热态时的非常相似，从
而可以说明网格划分的合理性及数值模拟的可靠性，为下一步的热态数值模拟研究打下良好
125 的基础。
4 结论
冷态流场模拟结果表明，在回转窑中产生中心回流区、内回流区和外回流区，与前人的
研究情况相符；从而证明了网格的合理性、数值方法的可靠性以及所研究燃烧器的优越性。
在本文的研究中，由于硬件及时间的关系，对于回转窑的模拟采用了二维模型。而目前
130 工业数值模拟基本采用三维模拟进行研究，三维模拟能提供更全面而准确的信息，结果更加
 接近实际情况。这点在今后的研究工作中需进一步完善。