Reduced model for flow simulation in the burner region of lime shaft kilns [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Zhiguo Xu

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• Publié par: otto-von-guericke-universitat_magdeburg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 44
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

Reduced Model for Flow Simulation in
the Burner Region of Lime Shaft Kilns
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur
(Dr.-Ing.)
vorgelegt von
M.Sc. Zhiguo Xu
geb. am 04.02.1978
in Heze, Shandong, China
genehmigt durch die
Fakult¨at fu¨r Verfahrens- und Systemtechnik
der Otto-von-Guericke-Universit¨at Magdeburg
Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. E. Specht, Universit¨at Magdeburg
Prof. Dr.-Ing. D. Thevenin, Universit¨at Magdeburg
eingereicht am 01.03.2007
Promotionskolloquium am 19.10.2010¨SCHRIFTLICHE ERKLARUNG
Ich erkl¨are hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit ohne unzul¨assige Hilfe Dritter
undohneBenutzungandereralsderangegebenenHilfsmittelangefertigthabe. Die
aus fremden Quellen direkt oder indirekt u¨bernommenen Gedanken sind als solche
kenntilich gemacht.
Insbesondere habe ich nicht die Hilfe einer kommerziellen Promotionsberatung in
Anspruch genommen. Dritte haben von mir weder unmittelbar noch mittelbar
geldwerte Leistungen fu¨e Arbeiten erhlten, die im Zusammenhang mit dem Inhalt
der vorgelegten Dissertation stehen.
DieArbeitwurdebisherwederimInlandnochimAuslandingleicheroder¨ahnlicher
Form als Dissertation eingereicht und ist als Ganzes auch noch nicht ver¨offentlicht.
Zhiguo Xu
Magdeburg, 19 October 2010
If three of us are walking together, at least one of the other two is good enough to
be my teacher.
-Confucius (551 BC - 479 BC)
iiiAcknowledgments
First and foremost, I would like to express my deep and sincere gratitude to
myadvisorPro. Dr.-Ing. EckehardSpecht, forhisconstantadvice, encouragement
and financial support. His knowledge, experience and patience have benefited me
immensely.
I am deeply grateful to my second advisor Pro. Dr.-Ing. Dominique Thevenin
for his elaborated review of my thesis and constructive comments.
Further acknowledgment goes to Jun.-Prof. Dr.-Ing. Ulrike Krewer who ac-
cepted to review my thesis and took over the chair in examination committee.
I wish to thank our lovely and united research group. I have learned a great
deal from them and really enjoyed the time we shared together. Special thanks
to Dr. Woche, Dr. Ashok Nallathambi, Umair Alam, Ping Meng, Haido, Nadine
Lorenz,FabianHarz,andofcourse,oursweetandwarm-heartedsecretaryChristin
Hasemann, for their friendship, inspiring discussions and help in the past three
years.
I also wish to thank the master students Esref Bastug and Maryam Sadat
Dadkhah for their enormous help during the writing of this dissertation.
My deepest gratitude goes to my family, including my fiancee Zhixia Zhu, for
their unflagging love and support throughout my life; this dissertation is simply
impossible without them.
Last but not least, thanks be to my special friends Juergen Loztin, Heiko Men-
zel, and Dirk Schnieke. They made my life in Magdeburg a wonderful experience.
iiiiv AcknowledgmentsAbstract
The knowledge of temperature distribution and radial gas mixing plays a very
important role in design of lime shaft kilns, yet is poorly understood. This is due
to the geometric complexity and the movement of the lumpy processed material
which make it impossible to measure the main parameters, such as temperature
and gas components, as well as flow velocity. As one of the critical “enabling
technologies”, computational fluid dynamics (CFD) is used to study the different
aspects of the internal phenomena of the kilns by means of flow visualization.
Geometrical models are initially developed based on a normal lime shaft kiln. To
model such a complicated system, simplifications are inevitable. For instance, the
arbitrarily shaped and stacked processed material granules are simplified to be
uniform spheres and packed in regular structure. Regarding the main body, the
feedingandthedischargingportsincludingthecoolingairdistributorareexcluded
in this stage.
As a rule of thumb, investigation is firstly carried out in two dimensions thanks
to the great advantage in the computational time. Considering the serious deficits
causedbythegeometriclimitations,however,themainpurposeofthe2-Dmodeling
is to obtain some general information about the jet flow in packed bed and thereby
help develop the 3-D geometry. The results show that the flow structure in the jet
expandingzoneisindependentontheheightofthebed. Thismeansthatmodeling
of the reaction zone of shaft kiln is assumed to be sufficient to optimize the firing
system. It has also been proved that the jet flow pattern is slightly influenced by
the heat transfer between the solid and gas phases. In other words, heat transfer
between phases can be ignored as long as the flow structures are the interest of
study. Such simplifications, in a certain degree, make the 3-D modeling of an
industrial shaft kiln economically and technically possible based on the present
computer power.
oThe 3-D geometric model in this work is a 30 segment with a bed height of
about 0.8 m. Simulations based on this geometry are performed to investigate the
dominant factors influencing the radial temperature distribution. The in-kiln flow
structuresaredistinctlyvisualizedbyimagesoftemperaturecontoursandpathlines
etc. Itappearsthattheincreaseinthelancedepthmaypreventtherefractorywall
being overheated but have slight effect on the ratio of the cold and hot area, which
is in agreement with 2-D simulations. Mixing between the combustion gas and the
cooling air can be improved by reducing the burner diameter or by preheating the
combustion air, as both of which accelerate the jet velocity and provide energy
aspirating the cooling air. In the simulation of furnace with diffusion burner,
vvi Abstract
longer flame and deeper jet penetration illustrate the preference of the shaft kilns
in the lime industry. In addition, simulations are also performed with defining
the bed as porous media. As expected, the radial penetration of the combustion
gas is underestimated relatively. This is mostly due to the over-prediction of the
momentum loss caused by the inertial terms in the model. Considering its great
advantages of simple geometry and short computational time, however, further
study in porous medium modeling is expected.
As this study demonstrates, simulations upon the scalable segment geometric
model are capable of providing the main flow features in the reaction zone of lime
shaft kilns, which are nearly impossible to study in experimental setups. With
further development and evaluation, CFD approach is expected to be one of the
effective methods that could substantially reduce physical testing in the design of
lime shaft kilns.Zusammenfassung
Die Kenntnisse u¨ber die Temperaturverteilung und die radiale Gasmischung
haben eine groß e Bedeutung bei der Gestaltung von Kalkschacht¨ofen. Derzeit
sind diese aber wenig verstanden. Auf Grund der geometrischen Komplexit¨at und
der Bewegung des klumpigen Materials, ist es unm¨oglich, die wichtigsten Param-
eter wie Temperatur, die Gaskomponenten sowie die Str¨omungsgeschwindigkeit
zu messen. Um die verschiedenen Aspekte der Ph¨anomene im Ofen durch die
Sichtbarmachung von Str¨omungen zu untersuchen, wurde als eine der entschei-
denden “Grundlagentechnologien”, die Computational Fluid Dynamics (CFD)
verwendet. Die geometrischen Modelle wurden zun¨achst auf der Grundlage
eines normalen Kalkschachtofens entwickelt. Zur Modellierung eines so kom-
plizierten Systems, sind Vereinfachungen n¨otig. Beispielsweise wurden die un-
regelm¨aß ig geformten und gepackten Verarbeitungsgranulate vereinfacht als ein-
heitliche Kugeln in regelm¨aß iger Struktur verpackt, angenommen. In Bezug auf
den Hauptteil des Schachtofens wurden die Zu- und Abfuhranschlu¨sse sowie die
Ku¨hlluftverteilung zun¨achst einmal vernachl¨assigt.
Erwartungsgem¨aß, wurden vorab 2-D-Simulationen durchgefu¨hrt. Ein groß er
Vorteil liegt in der Rechenzeit. Unter Beachtung der erheblichen Defizite, auf
Grund der geometrischen Einschrn¨kungen, war dennoch der Hauptgegenstand
der 2-D-Modellierung, einige allgemeine Informationen u¨ber die Jet-Str¨omung
im Packbett zu erhalten, gegeben und somit konnte eine 3-D-Modellierung en-
twickelt werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Str¨omungsstruktur in der Jet-
Erweiterungszone von der H¨ohe des gesamten Bettes unabh¨angig ist. Dies be-
deutet, dass die Modellierung der Reaktionszone des Schachtofens eine ausre-
ichende Optimierung des Brennersystems annimmt. Es wurde auch bewiesen,
dass die Jet-Str¨omung leicht durch den W¨armeu¨bergang zwischen der festen und
gasf¨ormigen Phase beeinflusst wird. Mit anderen Worten, die feste Phase kann
vernachl¨assigt werden, wenn die Str¨omungsstrukturen von Interesse sind. Solche
Vereinfachungenmachendie3-D-ModellierungeinesindustriellenSchachtofens,auf
der Grundlage der vorliegenden Computerleistung, wirtschaftlich und technisch
m¨oglich.
Das 3-D geometrische Modell in dieser Arbeit ist ein 30 Abschnitt Modell,
bestehend aus 9 Schichten mit Partikel. Simulationen auf Grundlage dieser Ge-
ometrie wurden durchgefu¨hrt, um die dominierenden Faktoren, die die radiale
Temperaturverteilung beeinflussen, zu untersuchen. Die Str¨omungsstrukturen im
Schachtofen