碳素回轉(zhuǎn)窯余熱流體熱能轉(zhuǎn)換分析及建模

徐慶新，王植槐

(中國(guó)鋁業(yè)貴州分公司， 貴州 貴陽(yáng) 550014)

?

碳素回轉(zhuǎn)窯余熱流體熱能轉(zhuǎn)換分析及建模

徐慶新，王植槐

(中國(guó)鋁業(yè)貴州分公司， 貴州 貴陽(yáng) 550014)

為了能有效地降低回轉(zhuǎn)窯廢氣中有害物質(zhì)含量及增大回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁的傳熱系數(shù)，本文基于碳素回轉(zhuǎn)窯余熱流體熱能轉(zhuǎn)換的機(jī)理分析，提出了采用熱管換熱來(lái)吸收煙氣中的熱能；通過(guò)對(duì)煙氣成分探究，進(jìn)一步降低了煙氣粉塵含量。在此基礎(chǔ)上，建立了余熱流體模型及回轉(zhuǎn)窯模型，著重分析計(jì)算了換熱效率、熱能損失以及余熱回收過(guò)程中的線路設(shè)計(jì)，溫度降低后的煙氣達(dá)到了排放廢氣標(biāo)準(zhǔn)要求。研究表明，設(shè)計(jì)余熱回收系統(tǒng)裝置，對(duì)企業(yè)降低能耗減少污染廢氣排放是有益的。

回轉(zhuǎn)窯；模型；余熱；熱管

當(dāng)前，回轉(zhuǎn)窯已廣泛用于化工、鍋爐、環(huán)保等行業(yè)，是進(jìn)行余熱流場(chǎng)熱能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。由于工業(yè)鍋爐裝置的排煙溫度較高，鍋爐的吸熱效率相對(duì)較低，此時(shí)排煙溫度是400 ℃以上的工況。所以，這對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)也限制了增壓鍋爐技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展?？紤]到鍋爐的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置了熱交換器進(jìn)行余熱回收利用，無(wú)疑是提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性的有利途徑[1-4]。研究設(shè)計(jì)余熱回收裝置，探索余熱回收后裝置的節(jié)能效益，對(duì)國(guó)家能源戰(zhàn)略都有重要的參考價(jià)值。吳靜，李選友[5]通過(guò)構(gòu)建大顆粒低填充率外熱式回轉(zhuǎn)窯傳熱系數(shù)模型，提出了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁與物料顆粒間換熱的基本構(gòu)成，有效地提高余熱回收效率。

本文主要以碳素回轉(zhuǎn)窯內(nèi)余熱流體中能量轉(zhuǎn)換為研究對(duì)象，從傳熱機(jī)理分析出發(fā)，結(jié)合能量中余熱在窯內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了余熱回收裝置計(jì)算模型，計(jì)算出參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行排煙阻力分析，探求余熱回收裝置的效率，為余熱回收的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 回轉(zhuǎn)窯余熱轉(zhuǎn)換原理

圖1為余熱回收裝置原理圖。通過(guò)設(shè)定：煙氣流量為500 m3/h；排煙溫度為180 ℃。 余熱煙氣回收利用系統(tǒng)工藝流程原理如圖1所示。余熱回收裝置的工作原理是：鼓風(fēng)機(jī)向回轉(zhuǎn)窯(1號(hào)電爐)里面提供空氣助燃料充分燃燒，所產(chǎn)生的高溫廢氣由爐間排向熱交換器，其間廢氣通過(guò)除塵、去雜；同時(shí)，常溫空氣輸入熱交換器進(jìn)行熱交換，把熱量帶出熱交換器，供托盤(pán)烘干器使用；另一方面，在熱交換器中的余熱煙氣粉塵從熱交換器中排出，進(jìn)入收塵器(2號(hào)電爐)回收，在回轉(zhuǎn)窯(1號(hào)電爐)、熱交換器、收塵器中均涉及收塵器。

圖1 余熱回收裝置原理圖

余熱回收裝置的主要特點(diǎn)有：(1)空氣流動(dòng)快，換熱效率良好，冷卻空氣可循環(huán)利用；(2)能夠延長(zhǎng)煙氣排出的時(shí)間，可以充分回收煙氣中含有的雜質(zhì)金屬及有害氣體；(3)生產(chǎn)的熱空氣，除了可用于托盤(pán)烘干器外，還能用于集中供暖、發(fā)電、冶金加工等過(guò)程中，互換性良好。

當(dāng)余熱煙氣從回轉(zhuǎn)窯流到熱交換器，此過(guò)程中通過(guò)除塵器有部分雜質(zhì)沉降下來(lái)；接下來(lái)，在熱交換器中，與熱管進(jìn)行熱交換，同樣，此過(guò)程中也有部分粉塵會(huì)沉降，轉(zhuǎn)化為低溫?zé)煔?180℃)，進(jìn)一步沉降雜質(zhì)粉塵，得到能夠排往大氣中的合格煙氣。鼓風(fēng)機(jī)提供壓力、增加空氣作用，引風(fēng)機(jī)降壓便于排放。整個(gè)過(guò)程在封閉條件下進(jìn)行，收集起來(lái)雜質(zhì)粉塵含有相當(dāng)部分金屬物質(zhì)，可用于再次回收利用[6-8]。

1.1 余熱回收裝置系統(tǒng)熱交換器的設(shè)計(jì)

由于余熱回收的關(guān)鍵部件是熱交換器，熱交換器則利用熱管，從余熱回收的角度出發(fā)來(lái)看，能夠達(dá)到煙氣除塵、能量回收、潔凈排放尾氣等效果，如圖2所示。

圖2 熱交換器的原理圖

設(shè)定參數(shù)：煙氣流量Q=500 m3/h， 煙氣初始溫度T1=300 °C

煙氣成分(體積百分比%)：

XSO2=0.14，XN2=74.95，XO2=5.66，XCO2=8.90，XH2O=10.35，

X重金屬=0.60，X非重金屬=0.12，X非金屬=0.25，X其他=0.03.

對(duì)余熱回收的關(guān)鍵部分是流量、溫度可控，核心部分為熱交換器。通過(guò)利用物態(tài)參數(shù)模型，建立余熱流體模型。

圖3 p.V圖上一點(diǎn)代表的一個(gè)氣體平衡態(tài)

由圖3可知?dú)怏w物態(tài)方程

T=f(p，v)

由阿伏伽德羅定律可得平衡態(tài)時(shí)，理想氣體的物態(tài)方程為

pv=NKT

式中：N為體積v中的氣體分子數(shù)，K稱為波耳茲曼常數(shù)。

由于氣體分子數(shù)為N/V=n分子數(shù)密度，可得理想氣體物態(tài)方程為[9]：p=nKT

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，一般計(jì)算取n=2.69×1025m-3。

在本設(shè)計(jì)中，溫度取n=2.69×1025m-3，K=1.38×10-23J.K-1；則可得余熱煙氣的壓強(qiáng)為

p1=nKT1=2.69×1025×1.38×10-23×573.15=212.8kPa

經(jīng)過(guò)熱交換器后的余熱煙氣溫度為180 ℃，可得此時(shí)的煙氣壓強(qiáng)為

p2=nKT2=2.69×1025×1.38×10-23×453.15=168.2kPa

所以，得整個(gè)系統(tǒng)的壓降為

Δ=p1-p2=212.8=168.2=44.7kPa。

煙氣密度的計(jì)算[9]

ρs=ρN×(273.15+ts)×p0或是ρs=ρN×273.15(Ba+ps)

式中：ρN(kg/Nm3)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是濕煙氣密度，對(duì)于濕煙氣，通常ρN取1.34kg/Nm3；ts平均溫度是測(cè)量斷面內(nèi)煙氣的溫度，℃；ps是煙氣靜壓，Pa；Ba為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；p0是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，p0=101325Pa。

所以，換熱器前該余熱煙氣的密度

ρs=ρN×(237.15+t)×p0=1.34×273.15×(101325+212800)=1.15 (kg/m3)。

鍋爐工作時(shí)，由進(jìn)氣管通入常溫空氣，常溫空氣在垂直管內(nèi)被加熱，通過(guò)設(shè)置在裝置上端鍋筒頂部的均汽孔板輸出來(lái)。

余熱回收裝置主體部分的外形尺寸控制在長(zhǎng)×寬×高=3500mm×2000mm×3500mm。

2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁與外界傳熱系數(shù)模型的建立及參數(shù)計(jì)算

回轉(zhuǎn)窯主要傳熱是通過(guò)窯體壁面提供大量的熱，為了更理想的余熱有效的傳熱效果，可以認(rèn)為氣膜與內(nèi)壁面間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)[10-12]。

2.1 熱管選擇和設(shè)計(jì)

(1)傳熱量Q

Q=WsC(T1-T2)式中：Ws為通過(guò)熱交換器的總流量，公斤/時(shí)(kg/h)

C為比熱容，余熱煙氣成分復(fù)雜，此處為定容比熱，可取C=1.18 kJ/(Nm3.K)

Q=1.3×1.18×(300-180)=184(千焦/時(shí))(2)冷卻空氣量ω

ω=184/(80-25)=3.345 (kg/h)

(3)有效溫差ΔT，對(duì)數(shù)平均溫差ΔT1m

假定冷卻器的型式為殼側(cè)1程，管側(cè)1程的1-1熱交換器。

可求溫差修正系數(shù)Ft，可是因?yàn)樵赗A=10.0的點(diǎn)，從圖很難讀到，所以，計(jì)算EB、RB，用EB、RB代替圖中的EA、RA，讀取Ft。

EB=RA.EA=2.18×0.46=1.0

RB=1/RA=1/2.18=0.46

取溫差修正系數(shù)FT，F(xiàn)T=0.55

ΔT=FT.ΔT1m=0.55×83.33=45.8 (°C)

概略尺寸，假定總傳熱系數(shù)U=60(千卡/米2·時(shí)·℃)所需要的傳熱面積A

取外徑D0=19 mm，內(nèi)徑Di=15 mm，長(zhǎng)L=1.8 m

采用正三角形交叉排列，便于熱管布置的對(duì)稱性，熱管選擇166根。管子布置間距為Pt=25 mm=0.025 m，布置如圖4所示。

圖4 熱管管壁和布置關(guān)系圖

高溫端的溫差

Δth=(T1-t2)=(300-80)=220 (°C)

低溫段的溫差

Δtc=(T2-t1)=(180-25)=155 (°C)

Δtc/Δth=0.7

殼側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0，熱交換器中心線或者距中心線最近的管排上錯(cuò)流流動(dòng)的最小流道面

積Sc。

3 熱交換器材料校核及模型設(shè)計(jì)

由于余熱煙氣的最大壓強(qiáng)為P=212.8 kPa也就是說(shuō)，熱交換器殼壁只要滿足在此壓強(qiáng)下能安全、穩(wěn)定工作，材料45鋼符合要求。熱交換器分為兩部分來(lái)吸收熱能，第一部分和第二部分結(jié)構(gòu)完全一樣，當(dāng)在第一部分封閉面積內(nèi)，殼壁能夠安全工作，在第二部分也能，因?yàn)橛酂釤煔庠跓峤粨Q器內(nèi)是處于均勻態(tài)的，每處壓強(qiáng)壓力一樣，所以在熱交換器的吸收熱能部分里，主要校核第一部分的材料強(qiáng)度是否滿足即可，第二部分的溫度比第一部分低，因此不需要校核；同理，在熱交換器吸熱所對(duì)應(yīng)的兩放熱部分里，同樣只需要校核第一部分的材料強(qiáng)度。但是，冷卻空氣的溫度相比余熱煙氣的低，冷卻空氣為了更好地吸收熱能，在流動(dòng)狀態(tài)即速度上卻與余熱煙氣相互對(duì)應(yīng)，總的來(lái)說(shuō)，冷卻空氣的壓強(qiáng)沒(méi)有余熱煙氣大。所以，45鋼材的校核之需要校核熱交換器的吸熱第一部分。熱交換器的第一部分底部面積分為四部分，熱交換器吸熱部分高度為h0=900+25=925 mm，側(cè)邊相關(guān)尺寸如圖6所示。根據(jù)微積分計(jì)算方法，因?yàn)闊峤粨Q器的整個(gè)內(nèi)表面受到壓強(qiáng)壓力的作用，可以看作其表面受到拉力(或是壓力)作用，并設(shè)為FN，對(duì)應(yīng)受到的正應(yīng)力為σ，則它的微內(nèi)對(duì)應(yīng)的微面積為dA，微面積對(duì)應(yīng)的微內(nèi)力為σdA，受力如圖5所示。微內(nèi)力在整個(gè)內(nèi)表面上組成一個(gè)內(nèi)分布力系，它在空間中是一個(gè)平衡力系，其合力就是FN，固有靜力關(guān)系σ 。

FN=∫AσdA

為求出σ的分布情況，考察內(nèi)表面的受力分布。在壓強(qiáng)的作用下，熱交換器內(nèi)表面會(huì)出現(xiàn)一定幅度的變形，相當(dāng)于拉伸變形，它是整個(gè)范圍的變形，變形后它的對(duì)稱性、殼體整體的形狀保持不變，為分析的簡(jiǎn)便，可以假設(shè)：殼體各處材料均勻分布，壓力均勻分布在內(nèi)表面上，每處受力情況一致，包含鎳焊接處，所以不管縱向、橫向殼體材料、受力情況，即處處力學(xué)性能都是樣的，正應(yīng)力分布在內(nèi)表面上，于是上式可寫(xiě)成

FN=σ∫dA=σdA

圖5 殼體內(nèi)表面受力示意圖

圖6 熱交換器第一部分尺寸分布示意圖

如果考慮二維情況，即內(nèi)表面每點(diǎn)的應(yīng)力情況，縱坐標(biāo)用y、橫坐標(biāo)用x表示，σ(x，y)表示該點(diǎn)應(yīng)力大小，上式可寫(xiě)成

根據(jù)以上分析，上式可變形為

由于殼體內(nèi)表面相當(dāng)被壓、外表面相當(dāng)于被拉，因此中間必有一層線段的長(zhǎng)度不變。這一層稱為中型層，如圖5所示。所有，該情況受力方式可看作為純彎曲?？傻萌缦掠?jì)算公式：[2]

式中：M為該處的力矩，

y為該處距離y軸的距離，

Iz為相對(duì)于z軸的轉(zhuǎn)矩。

可求得

由于

σ<σB，σ<σS，σ<σ-1，σ<τ-1，σ<[σ-1]

所以，選擇45號(hào)鋼作為殼體滿足各種強(qiáng)度極限，可安全使用。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)窯余熱回收裝置的模型進(jìn)行參數(shù)分析，得到了以下結(jié)論：

1)利用無(wú)相變熱交換器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行熱力計(jì)算分析和設(shè)計(jì)，確定了余熱回收裝置主體部分的外形尺寸控制在長(zhǎng)×寬×高 =3500 mm×2000 mm×3500 mm 。

2)應(yīng)用積分思維進(jìn)行受力分析，考察內(nèi)表面的受力分布,通過(guò)積分變換，求解得到選擇45號(hào)鋼作為殼體滿足各種強(qiáng)度極限，可安全使用。

[1] 劉鴻文. 簡(jiǎn)明材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2008.128-129．

[2] 高占洋. 增壓鍋爐余熱回收阻力特性數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱船舶鍋爐渦輪機(jī)研究所，2013.

[3] 張方煒.煙氣余熱利用研究[J].發(fā)電設(shè)計(jì)，2010，8(4):48-52．

[4] 趙之軍，馮偉忠，張玲，等.電站鍋爐排煙余熱回收的理論分析與工程實(shí)踐[J]. 動(dòng)力工程. 2009(11):994-1012.

[5] 吳靜，李選友，陳寶明，等. 大顆粒低填充率外熱式回轉(zhuǎn)窯傳熱系數(shù)模型的構(gòu)建[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(13):256-262.

[6] 仝慶居，王學(xué)敏.鍋爐煙氣余熱回收利用技術(shù)[J].工業(yè)技術(shù)，2009，18：71-71．

[7] Zhang Y, Faghri A. Heat transfer in a pulsating heat pipe with open end[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2002, 45(4):755-764.

[8] Xu G, Huang S, Yang Y, et al. Techno-economic analysis and optimization of the heat recovery of utility boiler flue gas[J]. Applied Energy, 2013, 112(4): 907-917.

[9] 馬文蔚，解希順，周雨青. 物理學(xué)[M].北京；高等教育出版社，2006：174-175．

[10] 李斌，趙明杰. 熱管在煙氣余熱回收系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣州化工，2009，37(7):158-161．

[11] 牛憲華. 燃煤鍋爐低溫?zé)煔庥酂崂锰接慬J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2011，21(3):25-26．

[12] Guo J. Technology reformation for improving the inlet air temperature of air pre-heater of Haibowan Power Plant[C]//Materials for Renewable Energy & Environment (ICMREE), 2011 International Conference on. IEEE, 2011, 1: 965-967.

Analysis and Modeling of the Heat Fluid Thermal Conversion of Carbon Rotary Kiln Waste

Xu Qingxin，Wang Zhihuai

(AluminumCorporationofChinaGuizhouBranch,Guiyang,Guizhou550014,China)

In order to effectively reduce the content of harmful substances in the exhaust gas of rotary kiln and increase the heat transfer coefficient of the inner wall of the rotary kiln, this paper proposes to use the heat pipe heat exchanger for absorbing the flue gas heat based on the analysis of the heat fluid energy conversion mechanism of carbon rotary kiln waste. The exhaust gas dust content is reduced by exploring the smoke constituents. Furthermore, the rotary kiln model and waste heat fluid model are established by analyzing and calculating the heat transfer efficiency, heat loss and the circuit design of the heat recovery process. The emission standards are reached after reducing the flue gas temperature. Researches show that the design of heat recovery system is beneficial for enterprises to reduce energy consumption and pollution emissions.

rotary kiln; model; waste heat; heat pipe

2016-08-16

徐慶新(1969- )，女，湖南湘鄉(xiāng)人，中國(guó)鋁業(yè)貴州分公司高級(jí)工程師。

王植槐(1966- )，男，湖南邵東人，中國(guó)鋁業(yè)貴州分公司高級(jí)工程師。

TF1

A

2095-4824(2016)06-0117-05