石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯綜合傳熱模型

石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯綜合傳熱模型

1建立回轉(zhuǎn)窯綜合傳熱模型回轉(zhuǎn)爐是用于加熱和處理松散和砂漿材料的旋轉(zhuǎn)圓機制。廣泛應(yīng)用于色澤冶金、黑色冶金、耐堿材料、水泥、化工、紙板等行業(yè)。在鋁行業(yè)，用于生產(chǎn)鋁的原料石油焦的回轉(zhuǎn)爐在大約1300下的高溫下進行，并去除水和蒸發(fā)，成為鋁電解生產(chǎn)陽性的焦重發(fā)。石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計和運行主要受窯內(nèi)氣固相流動、傳熱及化學(xué)反應(yīng)過程等因素的影響,而傳熱數(shù)學(xué)模型是了解煅燒窯內(nèi)溫度分布及爐窯熱工特性的重要手段.現(xiàn)雖已建立了多個傳熱模型,但這些模型均未考慮化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)因素對窯內(nèi)傳熱過程的影響.本工作綜合考慮了石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物理和化學(xué)反應(yīng)過程對窯內(nèi)傳熱過程的影響,并在對窯內(nèi)的物料輸送過程、傳質(zhì)過程和傳熱過程具體分析的基礎(chǔ)上,建立了回轉(zhuǎn)窯的綜合傳熱數(shù)學(xué)模型.應(yīng)用數(shù)值計算方法對該模型進行求解,以預(yù)測窯內(nèi)氣體、物料和窯壁內(nèi)外表面的軸向溫度分布,并對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體和物料逆流傳熱規(guī)律進行了分析和研究,從而為石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計和經(jīng)濟運行提供了指導(dǎo)和依據(jù).2回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各主要參數(shù)的計算物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的輸送過程不僅決定著物料在爐內(nèi)的停留時間和燒損率,而且還直接影響著窯內(nèi)的傳熱過程,對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料輸送過程進行分析非常重要.圖1為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料輸送過程示意圖.物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳輸過程中的一些重要參數(shù)的計算過程和計算關(guān)系式如下:當(dāng)窯內(nèi)物料填充率較低時,料床上表面可以近似地視為平面,則根據(jù)物料的初、終填充率(η0,ηL)和式(1)可分別求出物料的初、終填充角(β0,βL),再依據(jù)式(2)求出高、低端的料床高度(b0,bL),然后由料床高度b與窯長x之間的線性關(guān)系,即可確定出料床高度b的計算式[式(3)].物料填充率與物料填充角之間的關(guān)系式:料床高度與料填充角之間的關(guān)系式:料床高度:物料填充角:料床表面寬度:物料相截面積:氣體相截面積:物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的軸向流速:3回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物理化學(xué)反應(yīng)過程回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳質(zhì)過程主要是指窯內(nèi)氣體相與物料相間的質(zhì)量交換過程,該過程主要受回轉(zhuǎn)窯內(nèi)工質(zhì)的一些物理化學(xué)反應(yīng)過程的影響,這些過程本身會伴隨著吸熱和放熱,因此回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的傳熱過程與窯內(nèi)的傳質(zhì)過程是密不可分的.這些物理化學(xué)反應(yīng)過程主要包括以下幾項:(1)石油焦內(nèi)水分的蒸發(fā)過程;(2)石油焦熱解揮發(fā)過程;(3)揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)過程;(4)石油焦物料顆粒的燃燒反應(yīng)過程.3.1石油焦內(nèi)水蒸發(fā)過程石油焦由于受熱其內(nèi)部水分蒸發(fā)至氣體相,此過程本身就伴隨著吸熱.水分蒸發(fā)速率經(jīng)驗公式如下:3.2油氣混合氣中揮發(fā)性氣體的特性隨窯內(nèi)溫度的升高,石油焦顆粒會因受熱發(fā)生裂解,并將產(chǎn)生的油氣混合氣揮發(fā)析出至氣體相,該過程伴隨著吸熱和放熱.一般揮發(fā)分的組成主要是H2,CH4,CG(可冷凝的焦油氣體),其產(chǎn)生速率經(jīng)驗公式如下:3.3蒸發(fā)樣品的燃燒反應(yīng)過程從物料相析出至氣體相的揮發(fā)分,在窯內(nèi)的高溫條件下會發(fā)生燃燒反應(yīng),揮發(fā)分各組分的燃燒反應(yīng)速率計算經(jīng)驗公式為3.4燃燒速率的計算料床內(nèi)石油焦顆粒本身也會在窯內(nèi)高溫條件下發(fā)生燃燒反應(yīng).本模型假設(shè)石油焦的燃燒僅限于反應(yīng)C+O2→CO2.根據(jù)Essenhigh等的研究,石油焦顆粒的燃燒反應(yīng)速率主要與3個質(zhì)擴散系數(shù)有關(guān),計算經(jīng)驗公式如下:式中,n0,n1和n2分別為外部質(zhì)量擴散率系數(shù)、吸附率系數(shù)和解吸附率系數(shù),其計算式分別如下:4回轉(zhuǎn)窯與環(huán)境的對流換熱模型回轉(zhuǎn)窯傳熱過程主要包括窯內(nèi)、窯壁和窯外3部分.回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的傳熱過程主要包括氣體、物料和窯內(nèi)壁之間的對流、輻射換熱過程,及由于窯內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的吸熱和放熱過程.窯壁內(nèi)部主要是窯壁內(nèi)表面向外表面的熱傳導(dǎo)過程.回轉(zhuǎn)窯外壁是以對流和輻射的換熱方式向環(huán)境的散熱過程.回轉(zhuǎn)窯的具體傳熱過程如圖2所示.(1)氣體相與料床表面間輻射和對流換熱方程:式中氣體相與料床表面之間的對流換熱系數(shù)hcg→s和單位長度料床表面面積Ase的計算式如下:(2)氣體相與未被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間的輻射和對流換熱方程:式中氣體相與未被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間對流換熱系數(shù)hcg→w和單位長度未被覆蓋的窯內(nèi)壁表面積Awu的計算式如下:其中,當(dāng)量直徑Ded、雷諾數(shù)Re和Reω的計算式為(3)料床表面與未被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間的輻射換熱方程及物料與被覆蓋的窯內(nèi)壁表面對流換熱方程:式中物料與被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間的對流換熱系數(shù)hcw→s、料床表面與未被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間的輻射換熱系數(shù)εrw→s及單位長度被覆蓋的窯內(nèi)壁表面積Awc計算式如下:(4)窯內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的吸熱和放熱:(5)窯壁內(nèi)的能量平衡方程:如果回轉(zhuǎn)窯保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低,窯壁內(nèi)沿周向的溫度變化就很小,即窯壁內(nèi)沿周向的傳熱量的變化可以忽略不計.同時由窯壁內(nèi)部無熱量累積,則有能量平衡關(guān)系:回轉(zhuǎn)窯外壁向環(huán)境的散熱損失主要是通過對流和輻射這兩種方式實現(xiàn)的,其具體散熱量計算式如下:由于回轉(zhuǎn)窯傾角很小且轉(zhuǎn)速較低,回轉(zhuǎn)窯與環(huán)境的對流換熱過程可按照水平長圓柱體外的自然對流換熱處理,即回轉(zhuǎn)窯與環(huán)境的對流換熱過程的平均努謝爾特數(shù)計算式:5發(fā)燒數(shù)學(xué)模型在上述分析基礎(chǔ)上,建立回轉(zhuǎn)窯綜合傳熱數(shù)學(xué)模型.5.1回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的灰體為了分析問題時方便,作以下假設(shè):(1)窯壁、料床表面均為灰體表面,氣體為灰體;(2)物料充分混合,在回轉(zhuǎn)窯的任一軸向截面位置,物料、氣體和窯壁溫度都是均勻的;(3)忽略軸向溫度變化對輻射換熱的影響;5.2煤的能量守恒方程取回轉(zhuǎn)窯某一微元段?x作為研究對象,將其分為物料相、氣體相和窯壁3部分.根據(jù)物料相、氣體相質(zhì)量守衡和物料相、氣體相和窯壁的能量守恒原理列出微分方程組,并通過求解方程組得到窯內(nèi)氣體、物料和窯壁內(nèi)、外表面的軸向溫度分布和窯內(nèi)的軸向熱流分布.物料相的質(zhì)量平衡方程:氣體相的質(zhì)量平衡方程:氣體相、物料相和窯壁的能量平衡方程:其中,i=H2,CH4,CG,j=N2,H2,CH4,CG,O2,H2O,CO2.6料床溫度分布本模型計算對象的相關(guān)數(shù)據(jù)來自于文獻的計算實例,所用石油焦原料組分見文獻.采用四階Runge-Kutta方法對模型進行求解計算.圖3所示為物料、氣體和窯壁內(nèi)、外表面的軸向溫度分布.由圖可以看到,在回轉(zhuǎn)窯軸向位置上0～4m段,料床的溫度增加比較緩慢,這主要是由于在該段石油焦內(nèi)水分大量蒸發(fā),吸收大量熱量造成的.隨著料床溫度的不斷升高,在10～30m段,揮發(fā)分不斷從料床內(nèi)析出至氣體相,料床的溫度維持在一個較高的水平,這主要是揮發(fā)分燃燒釋放出大量熱量造成的.在30～60m段,由于料床與引入的較低溫度的氣體之間的換熱,料床溫度開始緩慢降低,但仍維持較高水平,基本上是靠石油焦料床自身的燒損來維持的,因為揮發(fā)分在10～30m段基本上已經(jīng)析出完畢,其中在36～41m段,三次風(fēng)冷空氣的引入并沒有引起料床溫度的明顯變化,這主要是因為料床的比熱容遠大于氣體,使料床對冷空氣的引入不是很敏感.而氣體相的比熱容很小,因此對直接引入氣體相的冷空氣比較敏感,使溫度明顯降低.從氣體入口端至出口端,窯內(nèi)氣體溫度的變化過程是先逐漸升高至最大值,然后再逐漸降低.氣體在窯內(nèi)溫度升高所需要的熱量主要來源于石油焦物料熱解析出的揮發(fā)分和物料自身的燃燒反應(yīng)過程所釋放出的大量熱量.在回轉(zhuǎn)窯軸向位置上36～41m段,由于三次風(fēng)冷空氣的引入,使氣體相的溫度明顯降低.在20～30m段,由于石油焦物料熱解析出的揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)過程釋放出的大量熱量,使氣體相的溫度明顯升高,并在20m附近達到最高(1814K).從最高溫度點至氣體出口端,氣體相溫度不斷降低,這主要是由于其與溫度相對較低的料床之間的換熱造成的.窯內(nèi)壁溫度的變化也是一個先逐漸升高至最大值、然后再逐漸降低的過程.窯內(nèi)壁的溫度分布主要受其與物料和氣體相之間換熱過程的綜合影響.窯內(nèi)壁溫度在軸向位置20m處達到最高,且窯內(nèi)壁和物料的溫度分布曲線在25m處相交.在0～25m段,熱量是由窯內(nèi)壁傳遞給料床的,在25m之后,熱量的傳遞過程發(fā)生逆轉(zhuǎn),熱量由料床傳遞給窯內(nèi)壁.窯外壁的溫度變化趨勢與窯內(nèi)壁基本相同,只是其變化幅度相對很小.從圖3可以看到,煙氣、物料及窯外壁軸向溫度分布的計算值與測量值在規(guī)律和數(shù)值上均符合較好,特別是煙氣和窯外壁符合得較好.對于煅燒式回轉(zhuǎn)窯,最為關(guān)注的是物料在窯內(nèi)的加熱和升溫過程.為進一步分析物料在窯內(nèi)與周圍介質(zhì)之間的換熱情況及其受熱過程中的各傳熱熱流,圖4給出了物料凈吸熱量Qbin(Qbin=Qrg→s+Qcg→s-Qrw→s-Qcw→s)及物料與氣體、窯內(nèi)壁之間的熱交換的軸向熱流分布變化.在回轉(zhuǎn)窯軸向位置上0～25m段,物料迅速吸收熱量,溫度也很快升高,其熱量來源于揮發(fā)分燃燒釋放出的大量熱量;25m之后,熱量的傳遞過程發(fā)生逆轉(zhuǎn),即出現(xiàn)物料對窯壁和氣體相的反傳熱,這部分熱量主要來源于料床內(nèi)石油焦顆粒燃燒釋放出的熱量,這與前面的分析結(jié)果一致.從圖還可以看出,在物料與窯內(nèi)壁、氣體相之間的傳熱過程中,Qrg→s和Qcw→s在量級上明顯高于Qcg→s和Qrw→s,并占據(jù)主導(dǎo)地位,這說明物料與被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間的對流換熱和氣體相與料床表面間的輻射換熱是物料與氣體、窯內(nèi)壁之間熱交換過程的主要傳熱機制.7主要傳熱機制本工作對石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料輸送、傳質(zhì)和傳熱過程進行了具體的分析和研究,綜合考慮了石油焦煅燒過程中的物理化學(xué)反應(yīng)過程對窯內(nèi)傳熱過程的影響,并建立了石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯的綜合傳熱數(shù)學(xué)模型.應(yīng)用數(shù)值計算方法對模型進行了計算求解,預(yù)測了窯內(nèi)物料、氣體和窯壁的軸向溫度分布,并對窯內(nèi)氣體和物料之間的逆流傳熱規(guī)律進行了分析和研究,并得出以下結(jié)論:(1)窯內(nèi)的高溫區(qū)域主要集中在揮發(fā)分大量揮發(fā)燃燒的區(qū)段上,即此區(qū)段上的熱量主要來源于揮發(fā)分燃燒所釋放出的大量熱量;從料床溫度峰值點至物料出口端,料床溫度開始緩慢降低,但仍維持在較高水平,這主要依賴石油焦料床自身的燒損來維持.同時三次風(fēng)的注入會引起窯內(nèi)氣相溫度的明顯下降,但不會造成料床溫度的明顯變化.(2)在物料與氣體、窯內(nèi)壁之間熱交換過程中,物料與被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間的對流換熱和氣體相與料床表面間的輻射換熱為主要的傳熱機制.(3)該模型的計算結(jié)果與測量數(shù)據(jù)在規(guī)律上和數(shù)值上都能較好地符合,從而驗證了該模型的適用性,因此該模型的建立可為石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計和經(jīng)濟運行提供指導(dǎo)和依據(jù),同時對其他回轉(zhuǎn)式熱解、煅燒爐的設(shè)計也具有一定的參考意義.符號表:物料休止角:(4)回轉(zhuǎn)窯處于穩(wěn)態(tài)運行條件.A面積(m2)a熱擴散率(m2/s)b料床厚度(m)c特性參數(shù)(m3/kg)Cp比熱容[kJ/(kg·K)]d直徑(m)D氧的擴散系數(shù)(m2/s)E活化能(J/mol)f指前因子(s-1)g重力加速度(9.81m/s2)G質(zhì)量流率(kg/s)Gr格拉曉夫數(shù)h對流換熱系數(shù)[kJ/(m2·K)]?H吸熱、放熱量(kJ/kg)k導(dǎo)熱系數(shù)[kJ/(m·K)]L窯長(m)l表面寬度(m)M摩爾比(mol/mol)mi物質(zhì)i的生成或燃燒反應(yīng)速率[kg/(m·s)]n反應(yīng)級數(shù)Nu努謝爾特數(shù)Pr普朗特數(shù)Q熱流量[kJ/(m·s)]r半徑(m)R氣體常數(shù)[8.314J/(mol·K)]Re雷諾數(shù)T溫度(K)u流速(m/s)X料床內(nèi)物質(zhì)i質(zhì)量分數(shù)(%)x窯內(nèi)軸向位置(m)Yi氣體內(nèi)物質(zhì)i質(zhì)量分數(shù)(%)α吸收率β物料填充角(rad)γ料床傾角(rad)ε黑度ξ回轉(zhuǎn)窯傾斜角(rad)η物料填充率θ物料休止角(rad)κ修正系數(shù)μ粘度[kg/(m·s)]ν運動粘度(m2/s)ρ密度(kg/m3)ω回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速(r/s)σ玻耳茲曼常數(shù)[5.67×10-8W/(m2·K4)]上、下標(biāo)0初始值ads吸附過程bin物料收入的ce→o回轉(zhuǎn)窯外壁對環(huán)境的對流散熱cg→s氣體與料床表面之間的對流換熱cg→w氣體與未被覆蓋的窯內(nèi)壁表面之間對流換熱cw→s物料與