關(guān)于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料傳熱的綜合述評(píng)

韋文杰 鹿仡 趙禹澤 張立棟

摘要：闡述了當(dāng)前回轉(zhuǎn)窯傳熱、仿真的模型分析以及應(yīng)用的技術(shù)總結(jié)，提出部分物料本身、裝置、環(huán)境間的傳熱模型，并結(jié)合熱能利用進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)分析部分闡述了當(dāng)前回轉(zhuǎn)窯實(shí)驗(yàn)分析的現(xiàn)狀及方法，說(shuō)明了基于DEM，c++，F(xiàn)luent的模型仿真，應(yīng)用分析總結(jié)了不同工況下回轉(zhuǎn)窯技術(shù)參數(shù)、操作參數(shù)對(duì)化工生產(chǎn)的影響，并對(duì)回轉(zhuǎn)窯傳熱分析進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：傳熱模型、仿真分析、技術(shù)應(yīng)用

Abstract： Elaborated the current rotary kiln heat transfer， the simulation model to analyze and summarize application of technology， puts forward some material itself， the device， the environment between the heat transfer model， combined with the thermal energy utilization are analyzed， the experimental analysis section expounds the present situation and methods of experimental analysis， the current rotary kiln shows based on DEM， c + +， the simulation model of Fluent software， The influence of technical parameters and operation parameters of rotary kiln on chemical production under different working conditions is summarized， and the heat transfer analysis of rotary kiln is forecasted.

Key words： heat transfer model， simulation analysis， technology application

引言

回轉(zhuǎn)窯是一種常用的顆粒物質(zhì)處理設(shè)備，普遍用于多個(gè)領(lǐng)域，如冶金行業(yè)用于對(duì)物料進(jìn)行焙燒的回轉(zhuǎn)窯，農(nóng)業(yè)行業(yè)用于干燥糧食的滾筒干燥器，制藥行業(yè)的藥品混合器等[1-4]。諸多技術(shù)參數(shù)和操作參數(shù)將影響回轉(zhuǎn)窯對(duì)物料處理的質(zhì)量及效率，低質(zhì)的處理成品也會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此研究回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱過(guò)程具有廣泛的應(yīng)用意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

對(duì)于目前行業(yè)內(nèi)回轉(zhuǎn)窯傳熱方面存在的普遍問(wèn)題有：溫度分布情況、物料運(yùn)動(dòng)及填充情況、不同操作參數(shù)下回轉(zhuǎn)窯工作效率等問(wèn)題。對(duì)于溫度分布情況，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用Fluent等軟件模擬出整個(gè)裝置內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況，姚心等[5]應(yīng)用Fluent軟件，得到窯內(nèi)不同位置的溫度分布情況;同樣對(duì)于物料運(yùn)動(dòng)及填充情況可用EDEM等軟件進(jìn)行仿真分析，喬斌[6]通過(guò)EDEM軟件研究了石灰石在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)停留的時(shí)間;而目前對(duì)于不同操作參數(shù)下回轉(zhuǎn)窯工作效率問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)學(xué)者普遍通過(guò)模型建立、實(shí)驗(yàn)分析、形成優(yōu)化方案的一系列過(guò)程對(duì)工作問(wèn)題進(jìn)行改善。

本文將著重總結(jié)前輩學(xué)者對(duì)模型建立、實(shí)驗(yàn)分析、對(duì)于不同生產(chǎn)條件下最適應(yīng)的回轉(zhuǎn)窯及裝置的技術(shù)參數(shù)和操作參數(shù)、并加以對(duì)目前回轉(zhuǎn)窯傳熱問(wèn)題的展望性分析。

1傳熱模型的建立

1.1 顆粒與顆粒間傳熱模型

響導(dǎo)熱面積和溫度梯度的參數(shù)很多，例如物料的尺寸參數(shù)等會(huì)對(duì)物料本身導(dǎo)熱面積造成影響，而回轉(zhuǎn)窯填充率、環(huán)境及操作參數(shù)等則會(huì)對(duì)窯體內(nèi)的溫度梯度造成影響，由此合理的根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)顆粒的參數(shù)及回轉(zhuǎn)窯的操作參數(shù)是提升生產(chǎn)質(zhì)量降低能源消耗的重要前提。

李金晶[7]等對(duì)滾筒冷渣器進(jìn)行了研究，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)測(cè)量了排渣粒徑尺寸、灰渣填充度、滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)綜合性的傳熱影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)綜合傳熱系數(shù)，排渣粒徑的影響最大，填充率與轉(zhuǎn)速的影響大小相近，轉(zhuǎn)速的影響最小，見(jiàn)圖1[7]。

在研究顆粒-顆粒間傳熱模型時(shí)，物料運(yùn)動(dòng)將對(duì)傳熱條件產(chǎn)生影響，例如：滑落，塌落，瀉落，拋落的四種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將使得物料之間有不同的接觸面積;物料本身的物理性質(zhì)如：楊氏模量（E）、剪切模量（G）、泊松比（μ）、動(dòng)摩擦因數(shù)（μ）等物理性質(zhì)將影響物料運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。因此回轉(zhuǎn)窯的溫度分布、填充率、轉(zhuǎn)速、傾角、反應(yīng)時(shí)間以及部分物料的材料性質(zhì)便是在構(gòu)建物料傳熱模型時(shí)的關(guān)鍵因素。

1.2 物料與回轉(zhuǎn)窯及裝置間傳熱模型

顆粒與回轉(zhuǎn)窯間傳熱方式主要有接觸傳熱和熱輻射傳熱，顆粒與回轉(zhuǎn)窯間接觸傳熱將主要受到接觸面積、溫度梯度的影響，在回轉(zhuǎn)窯以不同速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，物料與回轉(zhuǎn)窯將產(chǎn)生不同的接觸面積，見(jiàn)表1[8]。

隨著弗勞德數(shù)向1趨近，物料與滾筒間的接觸面積逐漸增大，接觸面積增大意味著物料與回轉(zhuǎn)窯間的導(dǎo)熱效率將大大提高。同樣提高回轉(zhuǎn)窯填充率也可以適當(dāng)增加物料與回轉(zhuǎn)窯間的接觸面積，但是高填充量在中低轉(zhuǎn)速的工況下會(huì)導(dǎo)致大量物料的淤積。調(diào)整回轉(zhuǎn)窯及裝置與物料的溫度差，改變溫度梯度亦可對(duì)導(dǎo)熱速率產(chǎn)生影響，但工業(yè)生產(chǎn)中的部分物料的性質(zhì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境有著較高的要求，較高的溫度差會(huì)使生產(chǎn)物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而適得其反，同樣較高的溫度會(huì)消耗更多的能源，因此具體導(dǎo)熱要求需視生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)要求而定。

李海鵬[9]等對(duì)干燥滾筒進(jìn)行了模擬分析，提出在設(shè)計(jì)干燥滾筒時(shí)，應(yīng)充分考慮流場(chǎng)分布、火焰噴射形狀、燃燒器效率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在提高熱交換率的同時(shí)減少不必要的能量損失。

對(duì)于物料與窯壁間的傳熱計(jì)算，可通過(guò)引入各種傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如覆蓋窯壁與物料的接觸傳熱系數(shù)，見(jiàn)式1[10]。

由此，煙氣對(duì)物料、回轉(zhuǎn)窯間的傳熱影響，受到窯體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)、物料物理性質(zhì)、回轉(zhuǎn)窯技術(shù)參數(shù)等影響。

雷先明[10]等分析物料與窯壁間歇接觸對(duì)回轉(zhuǎn)窯傳熱過(guò)程的強(qiáng)化效應(yīng)，在其具體實(shí)驗(yàn)中提及，在特定區(qū)段內(nèi)，熟料溫度會(huì)高于煙氣溫度，熱量由熟料傳給煙氣，導(dǎo)致煙氣溫度升高，反而熟料溫度降低。因此，在考慮設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯及裝置時(shí)，煙氣同樣是不可忽略的因素。

1.4 能源再利用與顆粒、回轉(zhuǎn)窯及裝置、煙氣、環(huán)境間傳熱的綜合傳熱模型

在工業(yè)生中，上文提及的三種傳熱影響僅是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中較為主要的影響因素，除此以外還有回轉(zhuǎn)窯及裝置與煙氣、回轉(zhuǎn)窯與環(huán)境、煙氣排放，以及不同設(shè)計(jì)參數(shù)、型號(hào)的回轉(zhuǎn)窯在不同操作參數(shù)下衍生出的傳熱現(xiàn)象。對(duì)于能源利用方面，而國(guó)內(nèi)對(duì)于回轉(zhuǎn)窯的余熱利用方面研究依然尚淺。

王春華[12]等，將在回轉(zhuǎn)窯中產(chǎn)生的廢熱進(jìn)行余熱利用，發(fā)電并網(wǎng)。Q. Yin[11]等，通過(guò)研究一種新型熱回收散熱器，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬證明該方法可以減少燃料消耗，見(jiàn)圖2[11]。

目前對(duì)于集物料、回轉(zhuǎn)窯及裝置、煙氣、環(huán)境間傳熱的綜合實(shí)驗(yàn)分析較少，對(duì)其整體過(guò)程的研究可以作為未來(lái)研究的方向。

3不同領(lǐng)域回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用

3.1滾筒冷渣器應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)煤炭應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域中，現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中使用的大型循環(huán)流化床鍋爐，冷渣器堵塞、結(jié)焦現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，成為導(dǎo)致鍋爐被迫停運(yùn)和減負(fù)荷運(yùn)行的主要原因，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)傳熱特性的研究，以便于后期設(shè)備的改進(jìn)。李金晶[7]等實(shí)驗(yàn)中選用滾筒冷渣器配套于大型CFB鍋爐，如圖3[7]所示，冷渣機(jī)由進(jìn)渣排風(fēng)裝置、風(fēng)水冷滾筒和機(jī)架等組成。工作時(shí)，低速旋轉(zhuǎn)的滾筒會(huì)循環(huán)流化床鍋爐排出的灰渣，灰渣經(jīng)落渣管進(jìn)入冷渣機(jī)渣斗，之后在風(fēng)水冷滾筒內(nèi)由膜式水冷螺旋管排向前推進(jìn)，滾筒內(nèi)會(huì)不斷通過(guò)冷卻風(fēng)，灰渣在不斷地翻滾流動(dòng)中與冷風(fēng)和冷卻水管進(jìn)行熱交換。當(dāng)灰渣冷卻后，從風(fēng)水冷滾筒的另一端向下排出。選擇滾筒式冷渣器配套于大型CFB鍋爐，能解決主機(jī)受制于輔機(jī)的瓶頸問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)大型CFB鍋爐的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行;同時(shí)會(huì)給產(chǎn)、供、用多方帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 干燥滾筒及攪拌設(shè)備應(yīng)用

在石油工業(yè)領(lǐng)域，瀝青攪拌設(shè)備依然存在不足，干燥滾筒設(shè)計(jì)理念和依據(jù)還不成熟，例如筒體各區(qū)段的長(zhǎng)度確定，料簾設(shè)計(jì)的熱力學(xué)計(jì)算，如何形成最佳料簾分布以達(dá)到最高的熱效率等。李海鵬[9]等在文中提出了一種干燥滾筒的三維仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行fluent模擬。干燥滾筒的三維仿真模型見(jiàn)圖4[9]。干燥滾筒不但要保證所生產(chǎn)的熱骨料滿足質(zhì)量要求，還要能用最低的熱量消耗來(lái)獲取最大的熱骨料生產(chǎn)能力。干燥滾筒的加熱采用燃燒火焰和燃燒熱氣直接與骨料接觸加熱的方式，逆流方式加熱在實(shí)驗(yàn)中較多采用，而逆流方式加熱多受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，所以在干燥滾筒的設(shè)計(jì)中，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如滾筒直徑、長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速、傾角、葉片結(jié)構(gòu)和位置等都直接影響其內(nèi)部流場(chǎng)的分布和干燥效率。在模擬完成后，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾筒干燥效率的影響關(guān)系，有利于后期進(jìn)行設(shè)備的選擇及制造。

3.3 噴霧冷卻機(jī)應(yīng)用

在冶金工業(yè)領(lǐng)域，噴霧冷卻機(jī)用于對(duì)熱軋鋼材進(jìn)行的在線控制冷卻，這種方法冷卻相對(duì)均勻，因而應(yīng)用廣泛。鄭桂東[13]在文中使用噴霧冷卻機(jī)，筒式噴霧冷卻機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5[13]，包括傳動(dòng)部分、支撐部分、回轉(zhuǎn)筒體部分、進(jìn)出料口和冷卻系統(tǒng)。為保證物料可以在回轉(zhuǎn)筒體中不斷向出料口前進(jìn)，所以要使筒式噴霧冷卻機(jī)傳動(dòng)部分和前后支撐部分與水平面存在 1.5%的斜度，使筒體傾斜。進(jìn)料口由進(jìn)料箱、進(jìn)料溜槽、前端密封和進(jìn)料箱支架組成;出料口由出料箱、尾端密封、出料斗和出料箱支架組成;回轉(zhuǎn)筒體部分主要包括首尾端外筒體、內(nèi)筒體以及筒體上的附件;回轉(zhuǎn)筒體由兩個(gè)托輪支撐，在出料端安裝一對(duì)擋輪，可以使筒體穩(wěn)固，避免出現(xiàn)竄動(dòng)的情況。噴霧冷卻機(jī)的核心部分為冷卻系統(tǒng)，包含霧化噴嘴、水箱、供水管、泵、冷卻罩和檢修平臺(tái)等。

傳動(dòng)系統(tǒng)由變頻調(diào)速電機(jī)、減速機(jī)和底座等組成。球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行煅燒還原，之后溫度高達(dá) 1100℃球團(tuán)通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入筒式冷卻機(jī)的內(nèi)部，進(jìn)行冷卻，在冷卻過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)內(nèi)布設(shè)的霧化噴嘴，可以對(duì)高溫筒體表面進(jìn)行降溫，從而間接使物料溫度降至300℃以下。同時(shí)回轉(zhuǎn)筒體的前后兩端采用雙層筒體結(jié)構(gòu)，以增大換熱面積。在冷卻機(jī)底部設(shè)置蓄水池，附近設(shè)置冷卻塔，蓄水池的熱水經(jīng)冷卻塔冷卻后再供給筒體降溫，這樣就可以在冷卻材料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。

3.4 回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用

在冶金、化工生產(chǎn)領(lǐng)域，回轉(zhuǎn)窯是熱工核心設(shè)備之一。姚心[5]等在文中給出了回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)示意圖，回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6[5]?；剞D(zhuǎn)窯由燃燒器噴人窯內(nèi)的燃料和磁鐵礦排出的揮發(fā)分燃燒后產(chǎn)生高溫，在回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)方向形成3個(gè)溫度帶，即預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶。燒成帶為回轉(zhuǎn)窯的核心部分，燒成帶的溫度既與燃料的噴入量及其熱值相關(guān)，也與噴人燃料和揮發(fā)分是否充分燃燒有關(guān)。燃料和揮發(fā)分的充分燃燒與空氣量密切相關(guān)，空氣量不足，燃燒不充分，無(wú)法達(dá)到指定溫度，空氣過(guò)量又會(huì)引起煙氣量增加。所以空氣量的設(shè)置是工廠操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)仿真技術(shù)，以釩鈦磁鐵礦和鉛鋅礦為例，通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)窯全面的仿真計(jì)算，為提高回轉(zhuǎn)窯熱效率、降低能耗、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

總結(jié)

傳熱模型的建立是傳熱分析中重要的環(huán)節(jié)，本文根據(jù)不同的傳熱類型建立了顆粒與顆粒間傳熱模型，物料與回轉(zhuǎn)窯及裝置間傳熱模型，煙氣與顆粒、回轉(zhuǎn)窯間傳熱模型，能源再利用與顆粒、回轉(zhuǎn)窯及裝置、煙氣環(huán)境間傳熱的綜合傳熱模型，共四種類型。物料運(yùn)動(dòng)、溫度場(chǎng)分布是影響傳熱模型建立的關(guān)鍵因素，不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，需要根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特性以及裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)具體分析，選擇合適的模型?，F(xiàn)階段對(duì)于能源再利用的傳熱研究成果較少，可以成為未來(lái)重點(diǎn)的研究方向。隨著數(shù)學(xué)模擬的方式的多元化，DEM、CFD計(jì)算的發(fā)展，模擬過(guò)程不斷地簡(jiǎn)化。引入的耦合可以精確地分析復(fù)雜的過(guò)程，隨著研究的深入，模擬的方法將更加簡(jiǎn)化有效。從滾筒本身來(lái)看，影響滾筒傳熱效率的因素有滾筒的轉(zhuǎn)速、滾筒的結(jié)構(gòu)、有無(wú)抄板等因素，實(shí)驗(yàn)者也會(huì)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求選擇、研發(fā)新型結(jié)構(gòu)的滾筒，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。滾筒應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛，如食品、化工、冶金、煉油等，盡管有的滾筒設(shè)備存在如傳熱效率低等缺點(diǎn)，但是在國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷地研究改進(jìn)之下，滾筒領(lǐng)域正在迅速的發(fā)展，有的設(shè)備從三維模型發(fā)展成為了大規(guī)模應(yīng)用的工業(yè)設(shè)備;有的設(shè)備由最初的高能耗低效到現(xiàn)在的節(jié)能高效;還有不少的對(duì)滾筒有影響的未知影響因素被不斷的發(fā)掘，使新生產(chǎn)的儀器更加復(fù)雜精密。

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