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PURPOSE

目的

在水泥行業及垃圾焚燒行業，經常會涉及顆粒在高溫狀態下的反應。通常CFD軟件會提供煤粉顆粒燃燒的標準模板，類似于分解反應，則需要通過程序的接口自己定義。這里我們利用CFX軟件模擬爐內煤粉燃燒及碳酸鈣分解的過程，碳酸鈣的分解速率采用user fortran 實現。

物理問題描述

碳酸鈣顆粒從分解爐底部進入，煤粉顆粒從分解爐兩側噴入，進口速度/溫度及空氣流量如圖1。由于碳酸鈣分解需要消耗熱，因此爐內溫度比純煤粉燃燒燃燒時溫度低。

圖1 分解爐模擬示意圖

碳酸鈣分解速率的定義

碳酸鈣分解速率采用圖2所示的表達式，通過PT_REACTION子程序與主程序關聯（如圖2）。為了進行比較，計算考慮了如下兩種工況：

1）只考慮煤粉燃燒；

2）同時考慮煤粉燃燒及碳酸鈣分解。

圖2 碳酸鈣分解速率定義

計算結果

圖3 溫度場分布

圖4 二氧化碳濃度分布

圖3 給出了兩種工況下爐內的溫度場分布。可見純煤粉燃燒工況下，爐出口平均溫度為1998K，考慮碳酸鈣分解后，爐出口溫度將為1340K。純煤粉燃燒情況下，爐出口CO2質量分數為14.2%，考慮碳酸鈣分解反應后，出口CO2質量分數上升為25.9%（圖4）。主要原因是碳酸鈣分解反應是吸熱反應，同時會生成一部分CO2。

圖5 CaCO3質量分數隨顆粒軌跡的變化

圖6 CaO質量分數隨顆粒軌跡的變化

圖7粒子溫度隨顆粒軌跡的變化

圖8沿爐高方向顆粒的分解率

圖5和圖6給出了顆粒中CaCO3和CaO質量分數沿顆粒軌跡的變化。隨著分解反應的進行，粒子中CaCO3質量分數逐漸降低，而生成物CaO的質量分數沿爐高逐漸增大。圖7給出了粒子溫度沿爐高的變化，可見，粒子溫度逐漸升高，在出口位置處，大部分粒子溫度在1240K左右。對于本案例的工況，碳酸鈣的分解率接近100%（如圖8）。

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