鉻鐵礦回轉(zhuǎn)窯氧體積分?jǐn)?shù)分布的模擬仿真

李景冠，張林進(jìn)，陳川輝，葉旭初

（南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點實驗室，江蘇南京210009）

鉻鐵礦回轉(zhuǎn)窯氧體積分?jǐn)?shù)分布的模擬仿真

李景冠，張林進(jìn)，陳川輝，葉旭初

（南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點實驗室，江蘇南京210009）

摘 要：針對鉻鐵礦氧化焙燒過程中氧對窯內(nèi)溫度分布的影響和對提高鉻氧化率的重要作用，利用數(shù)值仿真（CFD）方法研究了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)的分布情況。主要分析了空氣焙燒過程中回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)分布的一般規(guī)律，討論了空氣過剩系數(shù)和一、二次風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)的變化對焙燒溫度、氧體積分?jǐn)?shù)的影響。結(jié)果表明，空氣過剩系數(shù)為1.7時，窯內(nèi)壁附近氧體積分?jǐn)?shù)沿窯長方向不斷減小，在高溫氧化帶之后窯內(nèi)氧分布趨于均勻，窯尾煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)約為7.5%；空氣過剩系數(shù)為1.7左右時較為合理；隨著一、二次風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)的增加，窯內(nèi)溫度先是明顯升高，后略有降低。

關(guān)鍵詞：鉻鐵礦；回轉(zhuǎn)窯；模擬仿真

回轉(zhuǎn)窯是鉻鐵礦氧化焙燒工藝的關(guān)鍵設(shè)備。窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)是影響鉻鐵礦氧化的重要因素［1］。氧既可保證燃料充分燃燒，又有利于鉻鐵礦氧化。盡管鉻鐵礦氧化需要的氧含量不多，但氧體積分?jǐn)?shù)在整個焙燒過程中對鉻氧化率的影響較大［2］。通過對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律的研究，可以探索氧對焙燒及鉻鐵礦氧化的影響，進(jìn)一步提高對鉻鐵礦焙燒工藝的認(rèn)識。目前國內(nèi)外有許多關(guān)于回轉(zhuǎn)窯的研究［3-5］，但針對鉻鐵礦焙燒回轉(zhuǎn)窯的研究較少。筆者通過對鉻鐵礦回轉(zhuǎn)窯氧體積分?jǐn)?shù)分布的模擬仿真，旨在為鉻鐵礦焙燒工藝的發(fā)展提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

實驗中模擬的回轉(zhuǎn)窯以天然氣作為燃料。窯長為32m，內(nèi)半徑為0.95m，燃燒器的主要操作參數(shù)如表1所示。

表1 燃燒器操作參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氣體流動、傳熱傳質(zhì)和燃燒過程進(jìn)行模擬。燃燒反應(yīng)采用非預(yù)混燃燒模型［6］。采用離散坐標(biāo)P1輻射模型來描述窯內(nèi)的氣體與窯壁之間的輻射傳熱過程［7］。因為研究的主要對象為窯內(nèi)煙氣，在對結(jié)果影響不大的情況下，數(shù)值模擬過程中忽略了回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動過程，以及生料在回轉(zhuǎn)窯中的運動和存在方式。文獻(xiàn)［8］證明，鉻鐵礦生料在窯內(nèi)化學(xué)反應(yīng)過程中，放熱和吸熱反應(yīng)的總熱效應(yīng)近似為零。將生料因溫度升高所需的吸熱、生料反應(yīng)吸收的O2和放出的CO2以面積平均的方式在窯內(nèi)壁的源項中計算。窯內(nèi)煙氣中O2及CO2等組分的質(zhì)量守恒方程如式1所示［11］：

式中：cs為組分S的體積濃度，ρ為質(zhì)量濃度，Ds為擴(kuò)散系數(shù)，Ss為系統(tǒng)內(nèi)單位時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量。

3 結(jié)果及討論

3.1 溫度場

空氣過剩系數(shù)為1.7時，中心截面（X=0）上回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場分布如圖1所示。根據(jù)窯內(nèi)各區(qū)域?qū)ξ锪系牟煌饔?，按溫度可大致分為冷卻帶、高溫氧化帶、碳酸鹽分解帶和干燥預(yù)熱帶［10］，其中高溫氧化帶是鉻鐵礦氧化的主要區(qū)域。從圖1可見，窯內(nèi)煙氣溫度分布比較規(guī)整，從左到右呈逐級遞減的趨勢。

圖1 縱截面X=0處空氣焙燒時窯內(nèi)溫度分布

3.2 氧體積分?jǐn)?shù)

鉻鐵礦的氧化反應(yīng)主要發(fā)生在窯壁處，窯壁處的氧體積分?jǐn)?shù)的分布更為關(guān)鍵?？諝膺^剩系數(shù)為1.7時，中心截面上各特征線上的氧體積分?jǐn)?shù)曲線見圖2。由圖2可知，在窯頭氣體入口處（Z=0～4m），因為燃料還沒有完全燃燒，窯壁處（Y=0.94m）氧體積分?jǐn)?shù)較大；在高溫氧化帶（Z=8～20m），窯壁處氧體積分?jǐn)?shù)減小比較明顯，主要是受到燃料燃燒的影響，同時生料反應(yīng)也會產(chǎn)生大量CO2并消耗少量O2，使得窯壁處氧體積分?jǐn)?shù)從窯頭至窯尾不斷減?。辉谔妓猁}分解帶和干燥預(yù)熱帶處（Z=20～32m），窯壁處氧體積分?jǐn)?shù)變化較??；窯內(nèi)部其他3條特征線上的氧體積分?jǐn)?shù)，因受到燃料燃燒、氧擴(kuò)散、煙氣速度等因素的影響不同而變化各異，在24m處氧體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定，最終窯內(nèi)部煙氣中的氧體積分?jǐn)?shù)約為7.5%，與空氣過剩系數(shù)為1.7時理論計算結(jié)論一致［10］。

圖2 各特征線上的氧體積分?jǐn)?shù)曲線

3.3 空氣過剩系數(shù)

模擬計算過程中，通過調(diào)整二次風(fēng)的流量使空氣過剩系數(shù)（a）分別為1.3、1.7、2.3、3。圖3為空氣過剩系數(shù)對窯壁處特征線上的氧體積分?jǐn)?shù)的影響。從圖3可以看出，空氣過剩系數(shù)的提高使窯壁處的氧體積分?jǐn)?shù)顯著增大。圖4為空氣過剩系數(shù)對窯壁處溫度分布的影響。由圖4可以看出，隨著空氣過剩系數(shù)的提高，窯壁處的溫度依次明顯降低。

圖3 空氣過剩系數(shù)對窯壁處特征線上的氧體積分?jǐn)?shù)的影響

圖4 空氣過剩系數(shù)對 窯壁處溫度分布的影響

結(jié)合圖3、4可知，空氣過剩系數(shù)為3時，窯壁處氧體積分?jǐn)?shù)較大，但溫度較低，達(dá)不到理想的焙燒溫度，而且較大空氣過剩系數(shù)也會導(dǎo)致燃料熱效率低；空氣過剩系數(shù)為1.3時，窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)低，且溫度過高會使液相增多，將阻礙氧向物料的擴(kuò)散，不利于氧化反應(yīng)。因而合理的空氣過剩系數(shù)應(yīng)為1.7左右，與現(xiàn)行的鉻鐵礦焙燒工藝要求相符［10］。

3.4 風(fēng)中氧含量

控制一、二次風(fēng)中的氧體積分?jǐn)?shù)分別為21%、30%、40%、74%。窯內(nèi)壁處特征線上的氧體積分?jǐn)?shù)分布如圖5所示。從圖5可以看出，風(fēng)中的氧體積分?jǐn)?shù)越大，窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)越高。風(fēng)中的氧體積分?jǐn)?shù)不同時，窯內(nèi)各氧體積分?jǐn)?shù)曲線的形狀非常相似。這是因為燃料及鉻鐵礦耗氧量不變的情況下，窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)的變化相同。

圖5 風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)對窯壁處特征線上氧體積分?jǐn)?shù)的影響

圖6為風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)對窯壁處特征線上的溫度分布的影響。從圖6中可以看出，風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)為21%、30%、40%時，煙氣高溫點隨氧體積分?jǐn)?shù)的提高而升高，且氧體積分?jǐn)?shù)在21%～30%時對窯內(nèi)煙氣溫度的影響較大；風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)為30%、40%、74%時，煙氣高溫點較高，高溫點靠前，溫度分布相似，這是因為氧體積分?jǐn)?shù)較大時，火焰燃燒較為集中，而且足夠的氧可以使火焰向四周拓展；風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)大于40%時，因為高溫時（1 000～1 200℃）O2比N2的定容比熱容高約5%［11］，因而此時煙氣吸熱較多，所以φ（風(fēng)氧）=74%時煙氣高溫點和溫度比φ（風(fēng)氧）=40%時低。

圖6 風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)對窯壁處特征線上的溫度分布的影響

4 結(jié)論

1）窯內(nèi)煙氣溫度分布比較規(guī)整，在窯長方向呈逐級遞減的趨勢，其中高于1 100℃的區(qū)域較長，高溫氧化帶位于窯內(nèi)8～20m處，窯尾出口溫度約為700℃。

2）在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，氧由窯壁處向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，在20m以后，窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)空氣過剩系數(shù)為1.7時，窯尾煙氣中的氧體積分?jǐn)?shù)約為7.5%。

3）較大的空氣過剩系數(shù)可以提高窯內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)，但降低了燃料熱效率?？諝獗簾龝r需要較大的空氣過剩系數(shù)來保證窯內(nèi)有足夠的氧進(jìn)行氧化反應(yīng)，合理的空氣剩系數(shù)應(yīng)為1.7左右。

4）一、二次風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)在21%～40%時，風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)的提高使窯內(nèi)煙氣高溫點升高，且在φ（風(fēng)氧）=21%～30%時對窯內(nèi)溫度分布影響較大，φ（風(fēng)氧）＞40%后窯內(nèi)煙氣溫度略有降低。φ（風(fēng)氧）= 30%～74%時，窯內(nèi)溫度分布相似。

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聯(lián)系方式：li0676@163.com

中圖分類號：TQ136.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4990(2012)02-0033-03

收稿日期：2011-08-20

作者簡介：李景冠（1979— ），男，碩士，主要從事無機(jī)材料生產(chǎn)工藝的研究，已公開發(fā)表文章1篇。

Numericalsimulation ofoxygen volume fraction in chrom ite roasting process

Li Jingguan，Zhang Linjin，Chen Chuanhui，Ye Xuchu
（State Key Laboratory ofMaterials-Oriented ChemicalEngineering，NanjingUniversity of Technology，Nanjing210009，China）

Abstract：Oxygen volume fraction distribution in rotary kiln was studied by numerical simulation（CFD）technology for the importance ofoxygen on temperature distribution and increasing chromite oxidation rate during roasting process.The general law of oxygen volume fraction distribution in the air roasting processwas analyzed，then the effectof excess-air coefficient，different oxygen volume fractions of inlet wind on temperature distribution and oxygen volume fraction in rotary kiln was discussed.Result indicated that，when excess-air coefficientwas 1.7，oxygen volume fraction near wall continually reduced lengthwise along kiln；in this condition oxygen volume fraction of kiln tail gaswas about 7.5%and oxygen in rotary kiln tended to distribute evenly after high temperature oxidation area；the proper excess-air coefficient was about 1.7；with increasing oxygen volume fraction of inlet wind，kiln temperature would obviously rise in the beginning，then decreased slightly.

Keywords：chromite；rotary kiln；numericalsimulation