3300 t/d回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)態(tài)熱分析及優(yōu)化

申金永，姚秀麗，劉世民

3300 t/d回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)態(tài)熱分析及優(yōu)化

申金永1，姚秀麗1，劉世民2

應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)中材建設(shè)有限公司在阿爾巴尼亞竣工的TITAN項(xiàng)目，建立了3300 t/d、? 4.4m×65 m新型干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)窯皮、耐火磚、澆注料以及筒體等各部分的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)它們相互間的熱傳遞過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)窯窯皮越厚，筒體表面溫度越低，散失的熱量越少；2號(hào)輪帶兩側(cè)筒體表面溫度比3號(hào)輪帶的高，為防止輪帶變形及更大的熱膨脹，應(yīng)適當(dāng)增加該處冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；2號(hào)輪帶附近靠向窯尾一側(cè)的筒體表面溫度較高，建議增加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)；當(dāng)正常連續(xù)生產(chǎn)中窯皮厚度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可以適當(dāng)減少冷卻風(fēng)機(jī)的個(gè)數(shù)，降低電耗，若停開(kāi)4臺(tái)筒體冷卻風(fēng)機(jī)，可每天節(jié)省用電720 kWh。

回轉(zhuǎn)窯；輪帶；筒體；冷卻風(fēng)機(jī)；數(shù)值模擬

1 引言

回轉(zhuǎn)窯作為水泥生產(chǎn)過(guò)程中核心的熱工設(shè)備，經(jīng)預(yù)熱分解的物料從窯尾煙室落入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，伴隨著窯體的旋轉(zhuǎn)連續(xù)向窯頭運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。燃料燃燒放熱為物料反應(yīng)提供熱量，耐火磚防止熱量散失使物料反應(yīng)正常連續(xù)進(jìn)行，這樣，整個(gè)回轉(zhuǎn)窯由于熱量傳遞而處于高溫灼熱狀態(tài)。為了防止回轉(zhuǎn)窯的熱脹冷縮，筒體表面溫度一般不高于400℃。目前，對(duì)筒體多采用冷卻風(fēng)機(jī)直接風(fēng)冷，但冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和數(shù)量一般都會(huì)有很大富余，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)冷卻風(fēng)機(jī)位置的不同，對(duì)于冷卻效果也產(chǎn)生了很大的影響。

窯筒體表面溫度間接反映窯內(nèi)物料的反應(yīng)及其與氣流的熱傳遞情況，雖然目前用一些設(shè)備，如紅外線(xiàn)筒體掃描測(cè)量、回轉(zhuǎn)窯滑環(huán)式測(cè)溫系統(tǒng)、窯頭紅外比色測(cè)溫儀、計(jì)算機(jī)圖像處理[1]等，能夠測(cè)量筒體表面的溫度曲線(xiàn)，但由于一些物理上的限制不能將窯內(nèi)的溫度情況直觀地測(cè)定和很好地展現(xiàn)出來(lái)，應(yīng)用數(shù)值模擬方法來(lái)得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場(chǎng)，可以突破上述限制，且用于指導(dǎo)實(shí)踐。

目前，已有許多學(xué)者開(kāi)展回轉(zhuǎn)窯相關(guān)數(shù)值模擬研究。建立了回轉(zhuǎn)窯窯壁非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)窯皮厚度進(jìn)行了優(yōu)化；運(yùn)用有限元方法對(duì)10000t/d水泥回轉(zhuǎn)窯溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了回轉(zhuǎn)窯的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分布；研究了10000t/d回轉(zhuǎn)窯風(fēng)機(jī)冷卻情況，并采用生產(chǎn)實(shí)踐與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定了鼓風(fēng)冷卻方式[2-4]。本文依據(jù)回轉(zhuǎn)窯各溫度范圍內(nèi)物料的物理、化學(xué)反應(yīng)，以及物料和氣流在回轉(zhuǎn)窯窯長(zhǎng)方向上的理論溫度曲線(xiàn)，得到了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁的等效溫度曲線(xiàn)，并對(duì)筒體冷卻風(fēng)機(jī)、輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選擇及個(gè)數(shù)進(jìn)行了研究，以達(dá)到延長(zhǎng)耐火磚使用壽命、提高回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率、降低電耗的目的。

2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱的基本理論

根據(jù)傳熱學(xué)理論[5-6]分析回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部發(fā)生的傳熱過(guò)程，實(shí)際以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種形式存在。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和氣流的溫度，從理論上來(lái)說(shuō)，在回轉(zhuǎn)窯外殼圓周方向上為一定值。由于窯體的旋轉(zhuǎn)，窯內(nèi)壁不斷與熱氣流和溫度相對(duì)較低的物料接觸，并進(jìn)行熱交換。對(duì)于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和氣流對(duì)窯內(nèi)壁的傳熱作用，可以看成是物料對(duì)其不斷降溫，而氣流對(duì)窯內(nèi)壁不斷加熱的過(guò)程。這樣，在回轉(zhuǎn)窯周向上窯內(nèi)壁的溫度趨近于恒定，即

而對(duì)于窯筒體表面，主要以熱輻射和熱對(duì)流的形式向大氣散熱，可以按綜合換熱系數(shù)進(jìn)行處理。正常連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，整個(gè)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，流入系統(tǒng)的熱量基本等于流出的熱量，因此可以將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱近似看成是穩(wěn)態(tài)傳熱。

3 模擬方案

3.1 本模擬相關(guān)材料的物性參數(shù)

回轉(zhuǎn)窯用耐火磚、澆注料、鋼及窯皮的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

3.2 模型的建立

結(jié)合新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際生產(chǎn)工藝，使用ANSYS軟件中的Plane 55單元，建立了含窯皮、耐火磚、澆注料以及筒體在內(nèi)的數(shù)值模型。

圖1 為所建的包含窯皮、耐火磚及筒體在內(nèi)的數(shù)值模型徑向剖面的示意圖。圖2為劃分網(wǎng)格后的回轉(zhuǎn)窯軸向剖面二維數(shù)值模型的示意圖（y方向上放大了10倍）。其中，以窯頭的中心位置為原點(diǎn)，窯長(zhǎng)方向?yàn)閤軸，窯徑向方向?yàn)閥軸，對(duì)于厚度較小的筒體處，網(wǎng)格劃分較細(xì)。

3.3 邊界條件

3.3.1 在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁施加物料和氣流溫度邊界條件

圖3 給出了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料、氣流的理論溫度曲線(xiàn)以及它們綜合作用的等效溫度曲線(xiàn)。

3.3.2 在筒體表面施加綜合散熱系數(shù)邊界條件

回轉(zhuǎn)窯筒體表面以熱對(duì)流和輻射的方式向外界空氣傳熱。該項(xiàng)目所用筒體冷卻風(fēng)機(jī)和輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量均為25000m3/h，但因出口截面積不同，風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速分別為28m/s和20m/s。不同溫差、不同風(fēng)速下筒體表面的對(duì)流換熱系數(shù)如表2所示[7]。

4 模擬結(jié)果

4.1 初始窯皮厚度時(shí)的模擬結(jié)果

首先建立了初始窯皮厚度為200mm的模型，從模擬結(jié)果中讀取了筒體表面的溫度數(shù)據(jù)，并繪制成窯長(zhǎng)方向的曲線(xiàn)如圖4所示，與圖5中從工廠實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)上采集的回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，兩條曲線(xiàn)的走向基本一致，結(jié)果顯示回轉(zhuǎn)窯的1號(hào)和2號(hào)輪帶間的筒體表面溫度較高，其他位置的溫度較低，說(shuō)明利用數(shù)值模擬方法所建立的模型及所得的模擬結(jié)果，和實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)有較好的吻合性。

表1 本模擬相關(guān)材料的物性參數(shù)

圖1 回轉(zhuǎn)窯徑向剖面模型

圖2 劃分網(wǎng)格后的回轉(zhuǎn)窯軸向剖面模型

圖3 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料、氣流的理論溫度曲線(xiàn)以及它們綜合作用的等效溫度曲線(xiàn)

表2 不同溫差、不同風(fēng)速下筒體表面的綜合散熱系數(shù)

圖4 初始窯皮（厚度200mm）時(shí)筒體表面溫度模擬曲線(xiàn)

圖5 工廠實(shí)測(cè)回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度圖

圖6 窯皮厚度不均一時(shí)窯內(nèi)部溫度分布圖

4.2 窯皮厚度不均一時(shí)的模擬結(jié)果

實(shí)際生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的窯皮受物料的沖刷和氣流的熱沖擊而磨損，同時(shí)窯中各處液相量的不同，導(dǎo)致窯皮在回轉(zhuǎn)窯軸向上不同位置的厚度是不均勻的，為此，建立了窯皮厚度不均一時(shí)的模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖6為模擬得到的窯皮厚度不均一時(shí)窯內(nèi)的溫度分布情況。為了清晰表達(dá)結(jié)果，該圖將y軸方向放大了10倍，圖中不同顏色代表不同的溫度，不同色標(biāo)代表的溫度值示于圖6中。

從圖6可以看出，窯皮較厚的位置，筒體表面溫度較低。這是由于窯皮越厚，暴露于窯內(nèi)高溫氣體與物料中的窯皮，通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流方式吸收的熱量越多，使得窯筒體表面溫度較低。因此，從保護(hù)熱量的角度出發(fā)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)使窯皮的厚度盡量厚一些。同時(shí)從放大圖（b）和（c）中可以看出，2號(hào)和3號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度相對(duì)較高。這是由于回轉(zhuǎn)窯筒體（鋼）的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，熱量向外界傳遞的多；另外，2號(hào)輪帶處沒(méi)有窯皮的保護(hù)，使得更多的熱量傳到窯筒體表面，同時(shí)，本項(xiàng)目中所用燃料為石油焦，所含揮發(fā)分少，燃盡時(shí)間長(zhǎng)，火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使得2號(hào)輪帶兩側(cè)筒體溫度較高。這也說(shuō)明在此處使用輪帶冷卻風(fēng)機(jī)是十分必要的，它可以防止輪帶因?yàn)闇囟冗^(guò)高而產(chǎn)生較大的膨脹。建議使用火焰較長(zhǎng)燃料的生產(chǎn)線(xiàn)，必須在2號(hào)輪帶處增加一臺(tái)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)，而且若此處沒(méi)有窯皮保護(hù)，所用的冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量應(yīng)該適當(dāng)比3號(hào)輪帶大一些。

圖7 為窯皮厚度不均一時(shí)筒體表面的溫度曲線(xiàn)，可以更加明顯地看出窯皮較薄的位置，筒體表面溫度較高，窯皮較厚的位置，筒體表面溫度較低。同時(shí)，可以看出2號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度比3號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度高近100℃。這是因?yàn)?號(hào)輪帶兩側(cè)比3號(hào)輪帶兩側(cè)熱量傳遞得多，而本項(xiàng)目中兩個(gè)輪帶使用的冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量相同，建議2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量比3號(hào)輪帶的要大一些，防止2號(hào)輪帶膨脹變形，影響正常生產(chǎn)。

2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)的輪帶因?yàn)闆](méi)有窯皮的保護(hù)，溫度較高，建議在此位置加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，避免耐火磚因受高溫沖刷而嚴(yán)重?fù)p傷，同時(shí)可延長(zhǎng)耐火磚的使用壽命，提高回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

筒體和輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的冷卻作用，主要受風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小和風(fēng)機(jī)出口形狀及相應(yīng)尺寸的影響。本文中研究了僅改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小而其他條件不變的情況，而在該情況下，一定風(fēng)量對(duì)應(yīng)一定的風(fēng)機(jī)出口速度。圖8給出了不同2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)出口速度與該位置筒體表面溫度的關(guān)系。從中可以看出，筒體表面溫度與冷卻風(fēng)機(jī)出口速度基本呈線(xiàn)性關(guān)系，冷卻風(fēng)機(jī)出口速度越大，相應(yīng)位置處筒體表面溫度越低。然而，風(fēng)機(jī)出口速度不能太大，以防噪音污染，因此，本文中將2號(hào)筒體冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速調(diào)整到35m/s，其效果如圖9中所示。

圖9 給出了在2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，并加大2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量后的筒體表面溫度曲線(xiàn)，從該圖中能明顯看出，在2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，并加大2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量后，該位置處筒體表面的溫度降低了5℃左右。

4.3 不同筒體冷卻風(fēng)機(jī)數(shù)量時(shí)的模擬結(jié)果

隨著生產(chǎn)趨于正常，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的窯皮厚度相對(duì)穩(wěn)定，這樣，就不需要所有的筒體冷卻風(fēng)機(jī)都對(duì)筒體進(jìn)行冷卻，可停開(kāi)部分冷卻風(fēng)機(jī)。為此，建立了7臺(tái)筒體冷卻風(fēng)機(jī)工作時(shí)的數(shù)值模型，并將結(jié)果與11臺(tái)筒體冷卻風(fēng)機(jī)工作時(shí)的情況進(jìn)行比較。

圖7 窯皮厚度不均一時(shí)筒體表面溫度曲線(xiàn)

圖8 不同2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)出口速度與筒體表面溫度的關(guān)系

圖9 改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量及增加風(fēng)機(jī)時(shí)筒體表面溫度曲線(xiàn)

圖10 不同筒體冷卻風(fēng)機(jī)數(shù)量時(shí)筒體表面溫度曲線(xiàn)

圖10 為筒體冷卻風(fēng)機(jī)數(shù)量不同時(shí)，筒體表面溫度曲線(xiàn)。從中可以看出，用7臺(tái)筒體冷卻風(fēng)機(jī)與用11臺(tái)相比，筒體表面的溫度隨風(fēng)機(jī)數(shù)量減少，在窯長(zhǎng)方向上9～23m的局部區(qū)域，溫度起伏周期變大，但溫度值范圍基本無(wú)變化，從耐火材料的使用性能考慮，這種局部區(qū)域周期變大對(duì)耐火材料不會(huì)產(chǎn)生任何影響，對(duì)筒體的熱交換能力亦無(wú)明顯影響。

5 結(jié)論

本文通過(guò)建立新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯數(shù)值模型，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的傳熱情況進(jìn)行了模擬，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)實(shí)際工況參數(shù)、條件，用ANSYS軟件構(gòu)造了二維模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯熱工過(guò)程的數(shù)值模擬，且模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)窯體表面溫度參數(shù)吻合較好。

（2）窯皮厚度較厚時(shí)，熱量散失較少，有利于熟料的正常生產(chǎn)。因此，實(shí)際生產(chǎn)中要盡量維持較厚的窯皮，最好在200mm左右。

（3）2號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度比3號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度高，建議使用石油焦做燃料生產(chǎn)水泥熟料的生產(chǎn)線(xiàn)，2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量比3號(hào)輪帶的要大一些。2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)的筒體表面溫度較高，建議使用兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)。

（4）當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)中窯皮厚度穩(wěn)定時(shí)，可以適當(dāng)減少筒體冷卻風(fēng)機(jī)的數(shù)量，降低電耗，若停開(kāi)4臺(tái)筒體冷卻風(fēng)機(jī)，可每天節(jié)省用電720 kWh。

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Steady-state Thermal Analysis and Optimization of 3300 tpd Rotary Kiln

SHEN Jin-yong1,YAO Xiu-li1,LIU Shi-min2
（1CBMI CONSTRUCTION CO.LTD，Beijing 100176；,2State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology(Yanshan University）,Qinhuangdao 066004）

The numerical simulation was used to analyze Albania TITAN project,a 3300 t/d new dry-process cement clinker production line with a ? 4.4m×65m rotary kiln,which was completed by CBMI.Mathematical models were established for the kiln coating,refractory bricks,castables and kiln shell and heat transfer among these parts were simulated.The results show that a thicker kiln coating results in a lower temperature of the kiln shell and a less heat loss.The kiln shell surface temperature on both sides of tire No.2 is higher than that of tire No.3,therefore the air flow of cooling fans should be increased properly for tire No.2 to avoid tire deformation and severe thermal expansion.The kiln shell surface temperature near tire No.2 at the kiln inlet side is higher,thus adding two cooling fans is suggested.The number of cooling fans should be reduced appropriately to reduce the power consumption when the coating thickness remains stable during a period of normal and continuous production.It is found that 720 kWh of electricity can be saved per day when four shell cooling fans are turned off.

Rotary kiln;Tire;Kiln shell;Cooling fan;Numerical simulation

TQ172.622.29

A

1001-6171（2011）01-0036-05

通訊地址：1中材建設(shè)有限公司，北京 100176；2亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（燕山大學(xué)），河北 秦皇島 066004；

2010-09-14； 編輯：呂 光