回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱及燃燒過(guò)程模擬和工藝優(yōu)化研究

姚 心， 楊培培，2

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

作為冶金和化工生產(chǎn)中熱工核心設(shè)備之一，回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)情況在很大程度上影響著企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本?；剞D(zhuǎn)窯是一個(gè)封閉且高溫的設(shè)備，內(nèi)部運(yùn)行過(guò)程復(fù)雜，不僅存在熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種熱交換方式，還同時(shí)發(fā)生物料的輸送、物料揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒等多種物理化學(xué)反應(yīng)[1]。回轉(zhuǎn)窯實(shí)際生產(chǎn)中存在窯體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱損失大及產(chǎn)品受熱不均勻等問(wèn)題，利用仿真技術(shù)分析窯內(nèi)物料的流動(dòng)特性及氣固兩相換熱研究為實(shí)際生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化操作提供理論依據(jù)，對(duì)工程實(shí)踐應(yīng)用具有重大的指導(dǎo)意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化假設(shè)做了一系列的研究，為回轉(zhuǎn)窯操作參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論指導(dǎo)[1-3]。

車凱[1]建立了回轉(zhuǎn)窯一維傳熱數(shù)學(xué)模型和三維CFD模型，一維模型以窯外壁溫度為已知量預(yù)測(cè)了窯內(nèi)溫度分布規(guī)律和窯皮附著情況；三維模型以一維模型結(jié)果中窯皮厚度為已知量，預(yù)測(cè)了窯內(nèi)外溫度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)物料反應(yīng)對(duì)窯內(nèi)壁溫度分布影響較大。陳延信等人[2]以煤粉為燃料利用流體仿真軟件Fluent研究了回轉(zhuǎn)窯溫度場(chǎng)的分布，基于此進(jìn)一步完善了窯內(nèi)復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。王春華等[3]對(duì)碳素煅燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體與物料間的傳熱進(jìn)行分析，研究表明窯內(nèi)溫度最高點(diǎn)處于大量揮發(fā)分燃燒的區(qū)域，引入二次風(fēng)和三次風(fēng)使窯內(nèi)的煙氣溫度降低，但對(duì)料層影響不大。Wang等[4]運(yùn)用Fluent軟件對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯和四通道煤粉燃燒器的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，熟料反應(yīng)熱在模型中被作為熱流項(xiàng)添加到物料和煙氣熱量傳遞模型，極大的促進(jìn)了對(duì)窯內(nèi)燃燒過(guò)程的深刻認(rèn)識(shí)和燃燒器技術(shù)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外大量專家和學(xué)者的研究現(xiàn)狀表明，窯內(nèi)發(fā)生極其復(fù)雜的化學(xué)及物理現(xiàn)象，但目前大部分研究工作不夠深入，建立的數(shù)學(xué)模型往往簡(jiǎn)化假設(shè)較多，許多問(wèn)題還不能從理論上給出很好的解釋，諸多問(wèn)題難以從根本上解決，對(duì)實(shí)際工況的適用性較差。因此，本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，通過(guò)仿真對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒和傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行機(jī)理研究，對(duì)保障回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)定連續(xù)的運(yùn)行，提高行業(yè)生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本和能耗污染具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 湍流流動(dòng)方程

回轉(zhuǎn)窯中氣固流動(dòng)是一種帶有化學(xué)反應(yīng)的三維湍流流動(dòng)，窯內(nèi)煤粉燃燒的數(shù)值模擬需要綜合考慮所選湍流模型的可靠性和煤粉燃燒的穩(wěn)定性。鑒于回轉(zhuǎn)窯窯頭噴嘴出口附近存在旋流引起的強(qiáng)回流和氣固返混現(xiàn)象，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)模擬窯內(nèi)氣固兩相湍流流動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下所示：

(1)

(2)

式中ρ—流體的密度；

Gk—層流速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能；

Gb—浮力作用產(chǎn)生的湍動(dòng)能；

YM—可壓縮湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張；

湍流粘性系數(shù)的計(jì)算公式是μt=ρCμk2/ε。

1.2 煤粉燃燒過(guò)程

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煤粉燃燒計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，主要涉及了煤粉噴射、煤粉濃淡分離、煤粉顆粒熱解、焦炭表面燃燒、煤粉顆粒分級(jí)燃燒和氣體、顆粒輻射等。為了保證窯內(nèi)處于高溫狀態(tài)，一般采用適用于非預(yù)混燃燒、局部預(yù)混燃燒和預(yù)混燃燒的有限速率模型求解反應(yīng)物和生成物輸運(yùn)組分方程，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理由用戶定義。模型中反應(yīng)率以源項(xiàng)形式存在，根據(jù)組分輸運(yùn)方程中的Arrhenius方程或渦耗散模型計(jì)算。

煙氣反應(yīng)方程主要是煤粉燃燒的反應(yīng)方程。根據(jù)煤粉工業(yè)成分分析獲得的元素成分灰分分析，通過(guò)專業(yè)軟件擬合出燃燒兩步反應(yīng)方程式的當(dāng)量系數(shù)。

C2.19H9.15O0.57N0.37+3.09O2→
2.19CO+4.57H2O+0.186 5N2

(3)

CO+0.5O2→CO2

(4)

通過(guò)計(jì)算得到煤粉的HCV熱值為：24.37 MJ/kg，煤粉揮發(fā)物標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓為-467 461 kJ/kg·mol，煤粉燃燒反應(yīng)熱為3.278 9×107J/kg，反應(yīng)熱作為一個(gè)熱流項(xiàng)耦合到煙氣和物料熱量傳遞模型中。

1.3 輻射模型

實(shí)際物體的輻射力可以表示為：

E=εσT4

(5)

式中E—輻射力，W/m2；

ε—黑度；

σ—黑體輻射常數(shù)，W/(m2·K4)；

T—溫度，K。

回轉(zhuǎn)窯處于高溫運(yùn)行，輻射換熱與溫度成四次方定律，是窯內(nèi)主要的換熱方式，因此輻射模型的選擇對(duì)于窯內(nèi)換熱過(guò)程的研究起著關(guān)鍵作用。選擇輻射模型時(shí)要考慮光學(xué)厚度?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉燃燒過(guò)程要吸收輻射，屬于大光學(xué)厚度介質(zhì)范疇，對(duì)于大光學(xué)厚度介質(zhì)，可以采用P- 1模型和Rossland模型。Rossland模型通常推薦用于光學(xué)厚度大于3的情況；只能用于壓力求解器，不能用于密度求解器。而P- 1模型考慮了散射作用，計(jì)算代價(jià)小、精度相對(duì)較高，能考慮氣體和顆粒間的輻射換熱，對(duì)于光學(xué)深度較大的燃燒模型，模型更穩(wěn)定，故本文選取P1輻射模型計(jì)算輻射換熱。

2 回轉(zhuǎn)窯傳熱及燃燒過(guò)程數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

圖1所示為回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)示意圖?；剞D(zhuǎn)窯由燃燒器噴入窯內(nèi)的燃料和磁鐵礦排出的揮發(fā)分燃燒后產(chǎn)生高溫，在沿窯的長(zhǎng)方向形成3個(gè)溫度帶，即預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶。燒成帶的溫度既與燃料的噴入量及其熱值相關(guān)，也與噴入燃料和揮發(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，溫度升不上去，空氣過(guò)量又會(huì)引起煙氣量增加。

圖1 回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱過(guò)程復(fù)雜，存在物料、煙氣、窯壁之間的對(duì)流、導(dǎo)熱及輻射換熱，還包括非常復(fù)雜的湍流流動(dòng)和燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，合理的溫度分布是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的重要保障。此外，回轉(zhuǎn)窯本身的回轉(zhuǎn)運(yùn)行使內(nèi)部的對(duì)流換熱系數(shù)與其他反應(yīng)器不同。

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)。

3 釩鈦磁鐵礦回轉(zhuǎn)窯數(shù)值仿真

以實(shí)際運(yùn)行的釩鈦磁鐵礦回轉(zhuǎn)窯為例，分析增加三次風(fēng)及三次風(fēng)風(fēng)向?qū)ΩG內(nèi)溫度場(chǎng)、反應(yīng)物和生成物的形成及物料分布的影響，為工藝方案和設(shè)備參數(shù)可行性論證提供技術(shù)指導(dǎo)。

將釩鈦磁鐵礦回轉(zhuǎn)窯窯頭到窯尾的區(qū)域作為數(shù)值模擬計(jì)算的求解區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，設(shè)備現(xiàn)有結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格如圖2所示，只有一次風(fēng)和二次風(fēng)。改進(jìn)方案一：在窯體中間區(qū)域增加逆流方向布置的三次風(fēng)口；改進(jìn)方案二：在窯體中間區(qū)域增加逆流和順流雙向布置的三次風(fēng)口。

圖2 回轉(zhuǎn)窯網(wǎng)格模型和一次風(fēng)、二次風(fēng)入口示意圖

3.1 方案一對(duì)窯內(nèi)溫度分布的影響

圖4 窯內(nèi)濃度場(chǎng)分布

圖3所示為增加三次風(fēng)對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場(chǎng)分布影響。從圖中可以看出，對(duì)于只有一次和二次風(fēng)的工況，火焰很短，窯頭溫度在1 130 ℃左右，從燒成帶到窯尾很長(zhǎng)的一段距離，溫度下降很快，窯內(nèi)溫度場(chǎng)不理想，窯尾預(yù)熱帶溫度在700 ℃左右，無(wú)法確保后段揮發(fā)分是否充分燃燒。當(dāng)加入三次風(fēng)時(shí)，火焰變長(zhǎng)，形狀為良好的棒槌狀，三次風(fēng)入口方向吹向窯頭的布置使窯內(nèi)氣相流動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)烈，有利于空氣和揮發(fā)分的充分混合、燃燒。窯內(nèi)高溫區(qū)域擴(kuò)大，溫度分布更合理，煅燒帶明顯加長(zhǎng)，燃燒帶及高溫帶位于二次風(fēng)供風(fēng)處和三次風(fēng)供風(fēng)處之間，其溫度大約在1 250 ℃以上。三次風(fēng)供風(fēng)處與窯尾之間的溫度窯升高到900 ℃以上，這表明預(yù)熱帶逸出的揮發(fā)分完全燃燒，放出大量的熱，顯著提高了回轉(zhuǎn)窯焙燒產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

圖3 窯內(nèi)溫度場(chǎng)分布

3.2 方案一對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響

從圖4可以看出，對(duì)于只有一次風(fēng)和二次風(fēng)的工況，窯體后段大量揮發(fā)分剩余，氧氣幾乎消耗完全，證明回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃料并沒(méi)有完全燃燒?？拷G尾后段剩余較多的可燃性氣體(如CO等)，窯尾負(fù)壓的存在將可燃性氣體燃?xì)獬槿肴紵覂?nèi)繼續(xù)進(jìn)行燃燒，造成了極大的能源浪費(fèi)，使回轉(zhuǎn)窯熱效率降低。圖4中加入三次風(fēng)的工況中回轉(zhuǎn)窯后段的揮發(fā)分濃度明顯降低，這是因?yàn)槿物L(fēng)帶入的充足氧氣促使可燃性氣體在窯內(nèi)充分燃燒，大大提高了回轉(zhuǎn)窯的熱效率和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，三次風(fēng)的加入，使得回轉(zhuǎn)窯后段CO氣體濃度、CO2氣體濃度大大降低，氧氣濃度增加。

3.3 方案二對(duì)窯內(nèi)溫度分布的影響

工況三同時(shí)加入了吹向窯頭和窯尾兩個(gè)方向的三次風(fēng)，圖5窯內(nèi)溫度場(chǎng)分布結(jié)果表明，燃燒火焰長(zhǎng)度比只有一次風(fēng)和二次風(fēng)工況時(shí)大幅增加，擴(kuò)大了高溫區(qū)的范圍，窯頭附近的溫度達(dá)到1 650 ℃的高溫。順流和逆流兩個(gè)方向的三次風(fēng)的加入，使煤揮發(fā)物燃燒更為徹底，窯尾溫度達(dá)到1 180 ℃，造成極大的能源浪費(fèi)。

圖6 窯內(nèi)濃度場(chǎng)分布

圖5 窯內(nèi)溫度場(chǎng)分布

3.4 方案二對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響

由圖6可知，工況二和工況三增加三次風(fēng)，促進(jìn)了揮發(fā)分的燃燒，使得預(yù)熱帶和過(guò)渡帶CO濃度和煤揮發(fā)物濃度急劇降低。加入逆流和順流兩個(gè)方向的三次風(fēng)與只加入逆流三次風(fēng)相比，靠近窯頭段的CO濃度和煤揮發(fā)物濃度稍高一些。從圖6c和圖6d發(fā)現(xiàn)，靠近回轉(zhuǎn)窯窯頭處，由于煤粉大量燃燒，O2濃度急劇降低，CO2濃度迅速上升。三次風(fēng)的加入使得三次風(fēng)口至窯尾處CO2濃度降低，O2濃度升高。

由以上結(jié)果可知，加入三次風(fēng)可以促進(jìn)煤粉的充分燃燒、減少能耗；方案一相對(duì)于方案二可獲得更高的回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行熱效率。

4 鉛鋅礦回轉(zhuǎn)窯數(shù)值仿真

鉛鋅礦回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是內(nèi)部物料與氣體間的換熱相當(dāng)復(fù)雜，窯內(nèi)包含大量的化學(xué)反應(yīng)，包括碳酸鋅、碳酸鉛、碳酸鈣、碳酸鎂的分解，以及水分的蒸發(fā)、氧化鉛鋅的還原、鉛鋅的氧化、焦煤的燃燒等。本文針對(duì)某Φ6.2 m×85 m的大型鉛鋅礦回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，探討了窯內(nèi)溫度場(chǎng)分布、氣體反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，為回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

窯內(nèi)溫度分布如圖7所示，沿著氣流流動(dòng)方向，窯內(nèi)溫度經(jīng)歷了燃燒主導(dǎo)的急劇升溫過(guò)程，并在距窯頭45 m處達(dá)到最高(1 400 ℃以上)；經(jīng)過(guò)物料在燒成帶的大量吸熱后，溫度開(kāi)始逐漸下降，在窯尾處顯著降低，約為800 ℃。溫度在300 ℃以上時(shí)，碳酸鋅分解，到500 ℃時(shí)基本分解完畢；超過(guò)500 ℃，碳酸鉛和碳酸鎂分解，到800 ℃基本分解完畢；到800 ℃時(shí)，氧化鉛開(kāi)始揮發(fā)并和炭發(fā)生還原反應(yīng)；超過(guò)900 ℃，碳酸鈣開(kāi)始分解，氧化鋅開(kāi)始還原。顯然，圖中所示溫度場(chǎng)分布滿足生產(chǎn)的工藝要求，可以得到質(zhì)量?jī)?yōu)良的產(chǎn)品。

圖7 窯內(nèi)溫度分布云圖及沿窯長(zhǎng)方向的變化

從圖8和圖9可知，沿著窯長(zhǎng)方向初始位置CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零，此處煤粉開(kāi)始揮發(fā)但未燃燒，O2濃度較大。隨著焦炭的著火燃燒，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)開(kāi)始減少，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)開(kāi)始增加。距離窯頭約55 m處，劇烈的燃燒過(guò)程結(jié)束，O2和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到平衡，基本保持不變，這表明焦炭燃燒完全，反應(yīng)結(jié)束。

圖8 窯內(nèi)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)O2

圖9 窯內(nèi)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)CO2

5 結(jié)論

本文以釩鈦磁鐵礦和鉛鋅礦為例，將氣固兩相流動(dòng)方程和能量方程耦合，建立了一套描述回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱及燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，包括多相流模型、湍流模型、燃燒模型、輻射換熱模型，并用數(shù)值計(jì)算的方法分析了窯內(nèi)氣固兩相流之間的換熱過(guò)程和燃燒情況，為優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

(1)本文通過(guò)Fluent軟件對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場(chǎng)和氣體分布進(jìn)行分析，較為直觀地了解各運(yùn)行工況下窯內(nèi)的溫度和氣體分布情況，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)；

(2)釩鈦磁鐵礦方案一窯內(nèi)高溫區(qū)域擴(kuò)大，可燃?xì)怏w燃燒充分，大大提高了回轉(zhuǎn)窯的熱效率和產(chǎn)品質(zhì)量，明顯優(yōu)于釩鈦磁鐵礦原始結(jié)構(gòu)和方案二的工況；

(3)溫度分布是鉛鋅礦回轉(zhuǎn)窯鉛鋅等成分合理?yè)]發(fā)，從而保證安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

本文的研究成果可應(yīng)用在眾多同類型回轉(zhuǎn)窯，為操作參數(shù)優(yōu)化、改善產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗提供了準(zhǔn)確可靠的研究方法。