回轉(zhuǎn)窯筒體傳熱數(shù)學模型及模擬仿真研究

王文煜 劉星安 尤 立 王雅娟

(洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南洛陽 417039)

回轉(zhuǎn)窯筒體傳熱數(shù)學模型及模擬仿真研究

王文煜 劉星安 尤 立 王雅娟

(洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南洛陽 417039)

對回轉(zhuǎn)窯煙氣、窯皮、耐火磚及筒體進行了綜合研究，建立了回轉(zhuǎn)窯筒體散熱數(shù)學模型，并模擬了窯內(nèi)的溫度場和煙氣流速矢量分布，并對模擬結(jié)果和模型計算結(jié)果進行對比分析。模型可對窯類設計提供理論支持，并對用戶實際生產(chǎn)操作進行指導，以達到優(yōu)化生產(chǎn)的目的。

回轉(zhuǎn)窯； 散熱模型；模擬仿真

1 引言

傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯的設計一般以經(jīng)驗設計為主，而沒有考慮正常使用中熱工工況下的特征參數(shù)。本文擬通過建立一種回轉(zhuǎn)窯的筒體散熱數(shù)學模型，并將實例計算結(jié)果與模擬分析相比較，為回轉(zhuǎn)窯設計和用戶生產(chǎn)提供理論支持和操作指導。

2 回轉(zhuǎn)窯筒體傳熱數(shù)學模型及模擬分析

2.1 數(shù)學模型的建立

回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)砌有耐火磚，其表面有熟料和粉塵由液相變成固相而形成的窯皮。由于回轉(zhuǎn)窯為穩(wěn)態(tài)傳熱，則筒體向周圍環(huán)境的對流換熱量(Q1)等于窯內(nèi)耐火磚內(nèi)部的傳導熱量(Q2)，并與窯皮內(nèi)部的傳導熱量(Q3)相等，與窯內(nèi)高溫煙氣向窯皮的輻射和對流換熱量(Q4)也相等，即：

回轉(zhuǎn)窯筒體向周圍環(huán)境的散熱絕大部分為對流換熱，根據(jù)牛頓冷卻定律有：

式中，Q1為筒體散熱量(kJ)，α1為對流換熱系數(shù)(W/m2.℃)，t1為筒體表面溫度(℃)，t0為環(huán)境溫度(℃)，d1為筒體直徑(m)，L為筒體長度(m)。

回轉(zhuǎn)窯筒體、耐火磚及窯皮的導熱可視為多層圓筒壁的導熱，可表示為：

式中，Q2為耐火磚到筒體表面的傳導熱量(kJ)，1λ為筒體鋼板導熱系數(shù)(W/m.℃)，2λ為耐火磚導熱系數(shù)(W/m.℃)，3λ為窯皮導熱系數(shù)(W/m.℃)，1φ、2φ、3φ為彎曲修正系數(shù)，d1為筒體外徑(m)，d2為耐火磚層外徑(或筒體內(nèi)徑，m)，d3為耐火磚層內(nèi)徑(或窯皮外徑，m)，d4為窯皮內(nèi)徑(m)，L為筒體長度(m)。t4為窯皮內(nèi)表面溫度(℃)。

窯內(nèi)高溫煙氣對窯皮的傳熱量Q3包括輻射傳熱量和對流傳熱量，輻射傳熱量按下式計算：

式中，t5為窯內(nèi)高溫煙氣溫度(℃)。

聯(lián)立以上各式，令T=t4+273，則

2.2 Φ5X60m回轉(zhuǎn)窯的傳熱計算

以下根據(jù)建立的筒體傳熱數(shù)學模型對Φ5X60m回轉(zhuǎn)窯進行筒體傳熱計算。

筒體鋼板厚度0.046m，耐火磚厚度0.28m，窯皮厚度0.15m，窯內(nèi)燃燒段高溫煙氣溫度1750℃，環(huán)境溫度20℃。窯皮導熱系數(shù)2.8W/(m.℃)，耐火磚導熱系數(shù)3.3W/(m.℃)，窯內(nèi)氣體流速V=10m/s ，已知窯內(nèi)氣體中CO2含量為15%，水蒸氣含量為2%，則：?l=2000×(5-2×0.28-2×0.15)=8280Pa?m，查手冊，水蒸氣的輻射率=0.0491；?l=15000×(5-2×0.28-2×0.15)=62100Pa?m查表，CO2的輻射率=0.1309。而?L+?L=70380Pa?m，/(+)=0.1176，故Δε=0.0120。

則水蒸氣與CO2總輻射系數(shù)Σε=0.168。

查表，窯內(nèi)空氣黏度μ=5.870×10-5Pa?s ，比熱Cp=1151J/kg?℃，導熱系數(shù)λg=0.1099W/m?℃，則

煙氣雷諾數(shù)=ρ?Ug?(D-2δ)=1.2787×105μ

假設筒體表面溫度300℃，環(huán)境溫度20℃，環(huán)境風速2m/s，查表得回轉(zhuǎn)窯筒體與環(huán)境的對流換熱系數(shù)為α1=37.8W/(m2?℃)。代入可求得：A=5.8735，B=1.3808x10-9,C=1.8133x1013。則(5)式可變?yōu)椋?/p>

解得T=1981K，即窯內(nèi)窯皮溫度t4=1708℃。代入(5)式，筒體總傳熱量Q3=10230382W；聯(lián)立(1)、(2)式，解得筒體表面溫度t1=303℃。

2.3 回轉(zhuǎn)窯熱流場模擬分析

以下是利用熱流場模擬分析軟件ANSYS FLUNT對Φ5X60m回轉(zhuǎn)窯進行煙氣流速和溫度場分布的模擬分析。

圖1 煙氣流速矢量圖

圖2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場示意圖

由窯內(nèi)煙氣流速矢量圖可看出，窯內(nèi)煙氣流速在燃燒器附近流速最高，達到約20m/s，煅燒帶煙氣流速約12m/s，窯尾煙氣流速8m/s左右。從窯內(nèi)煙氣溫度場模擬圖可看出，自燃燒器開始將近20m的范圍內(nèi)，煙氣溫度較高，達到1750℃左右，隨后逐漸降低，在煅燒帶末端溫度約為1450℃。從煅燒帶到窯尾端溫度逐漸降低。在窯頭位置附近是窯內(nèi)溫度最低的區(qū)域，煙氣溫度約為800℃左右。窯內(nèi)大部分區(qū)域煙氣溫度達到1100℃左右，在外側(cè)筒體表面約300℃。煙氣流速在此截面上大部分區(qū)域的流速在8～11m/s。這與數(shù)學模型的計算結(jié)果相符合。

3 結(jié)論

(1)通過建立的新型超短回轉(zhuǎn)窯散熱模型，描述了窯內(nèi)煙氣、窯皮、耐火磚等因素和筒體溫度及散熱量的關(guān)系；

(2)模擬分析了窯內(nèi)的煙氣流速場和溫度場，并對窯橫截面的溫度場和煙氣流速進行了分析對比，模擬分析結(jié)果和模型計算基本吻合，從而驗證了散熱模型。這可為實際生產(chǎn)操作提供可靠的理論支持和指導。

[1]孫晉濤. 硅酸鹽工業(yè)基礎[M] 武漢：武漢理工大學出版社，1992.

[2]楊世銘，陶文銓等. 傳熱學(第4版)[M] 北京：高等教育出版社，2012.

[3]GB/T26281-2010，水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法.

[4]朱紅鈞. FLUNT 15.0流場分析[M] 北京：人民郵電出版社，2015.

TQ172

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1007-6344（2016）02-0008-02

王文煜(1967—)，男，工程師，主要從事回轉(zhuǎn)窯設計工作。