瀝青焦回轉(zhuǎn)窯爐內(nèi)傳熱特性的數(shù)值模擬

羅雪嬌,靳世平,譚　凱,劉小康(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430074)

瀝青焦回轉(zhuǎn)窯爐內(nèi)傳熱特性的數(shù)值模擬

羅雪嬌,靳世平,譚凱,劉小康
(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430074)

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒和傳熱情況對(duì)回轉(zhuǎn)窯窯壁耐火材料的使用壽命有很大影響。針對(duì)某瀝青焦回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)和燃燒特性，考慮了窯內(nèi)的對(duì)流、輻射換熱以及揮發(fā)分燃燒伴隨的吸熱和放熱過程，利用Fluent和Matlab建立三維模型進(jìn)行耦合計(jì)算。結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)窯中存在兩處高溫區(qū)，其中窯頭附近的高溫區(qū)是煤氣燃燒產(chǎn)生的，但其位于冷卻帶上，溫度不會(huì)顯著升高；而大量的揮發(fā)分氣體在煅燒帶附近燃燒，該區(qū)域內(nèi)煙氣溫度可達(dá)1500℃，該部分窯襯易被燒壞。

瀝青焦回轉(zhuǎn)窯；數(shù)值模擬；揮發(fā)分；窯壁溫度

回轉(zhuǎn)窯是延遲法生產(chǎn)瀝青焦過程中的主要煅燒設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力大、機(jī)械化、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中，從焦化塔卸出的生焦需送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)經(jīng)過高溫煅燒，除去水分和揮發(fā)分，成為合格的瀝青焦產(chǎn)品[1]。但在回轉(zhuǎn)窯的使用中，經(jīng)常發(fā)生耐火材料燒損等導(dǎo)致的停窯大修，嚴(yán)重影響瀝青焦的安全、連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)[2]，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒與傳熱情況的研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的傳熱過程十分復(fù)雜，不僅包含熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳熱方式，而且存在物料輸送、揮發(fā)分的析出、可燃分的燃燒等物理化學(xué)反應(yīng)過程。本研究采用數(shù)值模擬和測(cè)試相結(jié)合的方法，建立三維模型研究回轉(zhuǎn)窯的爐內(nèi)燃燒和傳熱特性，解決生產(chǎn)控制和爐襯材料選擇問題。

1　數(shù)值模擬方法

1.1研究對(duì)象

以某鋼廠回轉(zhuǎn)窯作為研究對(duì)象，其具體設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)見表1與表2。

表1　回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2　主要運(yùn)行參數(shù)

1.2回轉(zhuǎn)窯模擬的假設(shè)條件和求解方法

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的傳熱過程做如下假設(shè)：

（1）本研究針對(duì)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)窯，不考慮回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動(dòng)的影響；

（2）窯壁、料床表面均為灰體表面，氣體為灰體介質(zhì)；

（3）物料充分混和，在回轉(zhuǎn)窯的任一軸向截面位置的物料、氣體和窯壁溫度都是均勻分布的；

（4）窯壁材料的導(dǎo)熱率不隨溫度變化而變化；

（5）忽略物料熱解過程的吸放熱。

利用Fluent軟件模擬窯內(nèi)氣體空間中的氣體流動(dòng)、傳熱、揮發(fā)分和燒損焦炭的燃燒等過程。采用物質(zhì)輸送和有限速率化學(xué)反應(yīng)模型模擬回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒狀況，湍流模型選擇k-ε雙方程模型，湍流模型輻射模型采用DO輻射模型。運(yùn)用Matlab軟件求解料床和窯壁的溫度分布，作為Fluent計(jì)算的邊界條件，迭代求解。

1.3邊界條件的設(shè)置

一、二次風(fēng)口、燃?xì)馊肟诓捎盟俣热肟?，由現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)供給的風(fēng)量和一、二次風(fēng)口可面積計(jì)算一、二次風(fēng)的速度。揮發(fā)分入口為質(zhì)量流量入口，其與溫度的關(guān)系式可根據(jù)揮發(fā)分析出速率測(cè)試結(jié)果擬合得到。出口邊界條件為充分發(fā)展的出口類型。窯壁的換熱采用薄壁熱阻模型，需給定環(huán)境空氣的溫度、其與邊界間的傳熱系數(shù)和窯外壁的發(fā)射率。

2 　結(jié)果與分析

圖1為窯內(nèi)氣相空間軸截面的溫度分布，在距離窯尾12-30m處煙氣溫度超過了1400℃，這一區(qū)域?yàn)殪褵龓3]，長(zhǎng)度為18m。在距窯頭2-8m處，也存在一個(gè)小范圍高溫區(qū)，由于該位置瀝青焦中的可燃性揮發(fā)分基本逸出完全，高溫是煤氣和碳粒燒損引起的，該區(qū)域?yàn)槔鋮s帶。

圖2顯示了窯內(nèi)各層的軸向溫度分布，在距窯尾0~6m段，物料中水分大量蒸發(fā)吸熱，料層溫度增加比較緩慢；隨后在6~23m段物料中的揮發(fā)分不斷逸出進(jìn)入氣相中,與送入窯內(nèi)的空氣燃燒產(chǎn)生大量熱量，使料層的溫度逐漸升高。在距窯尾23m處，窯內(nèi)煙氣、物料、內(nèi)壁溫度曲線相交，此處熱量傳遞過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)，由物料層受熱變成物料層傳熱給窯內(nèi)壁和煙氣。因此，從23m處開始料層溫度反而降低。將窯外壁溫度的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比，模擬所得的溫度分布在高溫段(主要是煅燒帶)和低溫段(窯內(nèi)其他部位)比實(shí)測(cè)值偏高。其中最大誤差出現(xiàn)在窯尾部分，僅為10%，平均誤差為5%，證明了該數(shù)值模擬方法的可行性。

3 　結(jié)論

（1）回轉(zhuǎn)窯靠近窯頭的部分和煅燒帶分別存在一個(gè)高溫區(qū)，由于靠近窯頭部分為冷卻帶，窯壁不斷加熱物料，該處的窯壁溫度沒有顯著升高；

（2）距窯尾15-35m處為煅燒帶，該處窯壁的溫度和窯內(nèi)煙氣溫度接近，達(dá)到了1500℃，容易發(fā)生損壞。因此，可根據(jù)窯內(nèi)各帶的溫度和熱負(fù)荷，選用不同的耐火材料，提高窯壁的使用壽命；

（3）窯外壁的計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好，說明該模擬方法適用于瀝青焦回轉(zhuǎn)窯的傳熱特性研究，對(duì)回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)和改造有指導(dǎo)意義。

[1]蔡闖,陳瑩,彭莉等.煤系針狀焦生產(chǎn)工藝的研究[J].燃料與化工,2013,44(03):9-11.

[2]肖友剛,劉義倫,馬愛純.回轉(zhuǎn)窯窯壁非穩(wěn)態(tài)傳熱模型及窯皮厚度優(yōu)化[N].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2006(06):1115-1119.

[3]肖國(guó)俊.石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯綜合傳熱數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬[N].華中科技大學(xué).2007.