回轉(zhuǎn)窯溫度分布的綜合模型

回轉(zhuǎn)窯溫度分布的綜合模型

水泥回轉(zhuǎn)爐是干燥水泥生產(chǎn)的重要裝置?；剞D(zhuǎn)爐中的熱力過(guò)程質(zhì)量直接影響到水泥原料的產(chǎn)量和質(zhì)量。然而窯內(nèi)熱力過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,且不容易測(cè)得。已有的研究主要是建立了窯內(nèi)傳熱數(shù)學(xué)模型,具有局限性。綜合考慮傳熱、煤粉燃燒、化學(xué)反應(yīng)等支配因素,通過(guò)對(duì)模型的求解,掌握回轉(zhuǎn)窯的溫度分布規(guī)律,以期該模型可以作為工業(yè)應(yīng)用中一個(gè)有用的指導(dǎo)工具,對(duì)回轉(zhuǎn)窯的工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。1熱態(tài)分析回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力過(guò)程包括窯頭煤粉的燃燒和窯內(nèi)各種熱量的傳遞,同時(shí)在回轉(zhuǎn)窯不同段,物料還要發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng),放出和吸收一定的熱量。1.1s-coalqfnet模型煤粉燃燒主要在窯頭進(jìn)行,燃燒后變成高溫?zé)煔?燃燒過(guò)程中放熱量可采用如下公式計(jì)算:Qi=˙mcoalQfnet(ci+1-ci)(1)Qi=m˙coalQfnet(ci+1?ci)(1)ci=exp(-3.912L2i2i/L2f2f)(2)對(duì)于火焰長(zhǎng)度,射流屬圓形紊流,可采用Beér公式:Lf=6d0(1+AF*)(ρe/ρcp)1/2(ρe/ρsa)1/2(3)其中:d0=(mF+mpa)/(GF+Gpaπρe)1/2AF*=((AF)mF-mpa)/mFρe=(mF+mpa)/(mF/ρF+mpa/ρpa)1.2傳熱量的計(jì)算從傳熱形式和傳熱系數(shù)兩方面闡述,對(duì)于窯內(nèi)所有傳熱,傳熱量都可按Q=hAΔT求取。傳熱面積A容易求取,這里不再求取,關(guān)鍵是傳熱系數(shù)h的求取。1.2.1物料和爐壁的熱輻射煤粉燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐腔剞D(zhuǎn)窯內(nèi)主要的熱源,熱量主要以對(duì)流和輻射的方式傳給窯內(nèi)壁和物料,窯內(nèi)壁還以各種方式向物料傳熱,窯內(nèi)壁通過(guò)導(dǎo)熱的方式將熱量傳到筒體外表面,筒體外表面通過(guò)對(duì)流和輻射的方式向環(huán)境散發(fā)熱量?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱示意圖如圖1所示,圖2為相對(duì)應(yīng)的熱網(wǎng)圖(字母意義見(jiàn)文后符號(hào)說(shuō)明)。1.2.2計(jì)算傳熱系數(shù)(1)覆窯壁與物料間的接觸傳熱系數(shù)①物料的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)hc=√λsρscs/πτ(4)hc=λsρscs/πτ????????√(4)②覆蓋窯壁與物料的接觸傳熱系數(shù)hp=2λgRp[(δ+γRp+1)ln(Rpδ+γ+1)-1](5)hp=2λgRp[(δ+γRp+1)ln(Rpδ+γ+1)?1](5)則覆蓋窯壁與物料之間的總傳熱系數(shù)hcw-cs=hc+hp(6)(2)re0.535dre0.4.3①對(duì)流傳熱系數(shù)煙氣與物料的對(duì)流傳熱系數(shù)hcg-escg?es及煙氣與敞開(kāi)窯壁間的對(duì)流傳熱系數(shù)hcg-ewcg?ew采用如下公式hcg-ewcg?ew=1.54λgRe0.575DRe-0.292W?0.292W/De(7)hcg-escg?es=0.46λgRe0.535DRe0.104W0.104Wη-0.341/De(8)其中:ReD=Devg/υg;ReW=D2ew/υg;De=D(π-θ+sin2θ)/(π-θ+sinθ)。②輻射傳熱系數(shù)窯內(nèi)輻射傳熱可簡(jiǎn)化為封閉腔內(nèi)吸收性煙氣與灰體表面間的輻射傳熱,根據(jù)輻射傳熱的網(wǎng)絡(luò)模擬法(見(jiàn)圖2),列節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程:(Eg-Jes)/R2+(Es-Jes)/R1+(Jew-Jes)/R3=0(9)(Eg-Jew)/R5+(Jes-Jew)/R3+(Eew-Jew)/R4=0(10)則輻射傳熱系數(shù)為:hrg-ewrg?ew=εgχwg(Eg-Jew)/(Tg-Tw)(11)hrg-esrg?es=εgχsg(Eg-Jes)/(Tg-Ts)(12)hrew-esrew?es=(1-εg)χws(Jew-Jes)/(Tw-Ts)(13)(3)輻射傳熱系數(shù)計(jì)算窯壁外表面向周?chē)h(huán)境的散熱包括輻射傳熱和對(duì)流傳熱,總傳熱系數(shù)為兩者之和,即:hc,rsh-a=hcsh-a+hrsh-a(14)①對(duì)流傳熱系數(shù)回轉(zhuǎn)窯不斷地旋轉(zhuǎn),對(duì)流傳熱屬于強(qiáng)制對(duì)流傳熱,可用下式計(jì)算:hcsh-a=0.11λa[(0.5Re2W+Gr)Pr]0.35/Dsh(15)②輻射傳熱系數(shù)hrsh-a=σε(T4sh-T4a)/(Tsh-Ta)(16)(4)含水層/1w-shhc1w的導(dǎo)熱傳熱系數(shù)回轉(zhuǎn)窯筒體的導(dǎo)熱模型如圖3所示,將窯內(nèi)的傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)徑向傳熱,其導(dǎo)熱傳熱系數(shù)為:hc1ew-sh=1ln(Rw2/Rw1)λw+ln(Rf/Rw2)λf+ln(Rsh/Rf)λr?1Rsh(17)1.3水泥熟料的制備水泥熟料的形成過(guò)程,實(shí)際上是將石灰質(zhì)、粘土質(zhì)、硅質(zhì)及鐵質(zhì)四種原料中的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等四種主要成分,通過(guò)研磨成細(xì)粉,在高溫狀態(tài)下煅燒,使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成C2S、C3S、C3A、C4AF等硅酸鹽水泥熟料的過(guò)程。窯內(nèi)反應(yīng)帶可分為分解帶、過(guò)渡帶、燒成帶、冷卻帶四個(gè)帶,各帶長(zhǎng)度比例大概是18:35:41:6,冷卻帶一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其它三個(gè)帶內(nèi)生料的化學(xué)反應(yīng)如表1。窯內(nèi)化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,因此很難準(zhǔn)確描述各帶的反應(yīng),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè)各帶內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率均勻分布,則反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)吸(放)熱:ΔQ=1000VswΔΗ3600Lz(18)2回轉(zhuǎn)爐溫度分布的計(jì)算模型的建立(1)煙氣溫度隨時(shí)間的變化①所研究的過(guò)程視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),即當(dāng)坐標(biāo)系中空間點(diǎn)一定時(shí),各種流率、溫度都不隨時(shí)間而變化。②在回轉(zhuǎn)窯任意斷面上煙氣溫度是均勻分布的。③窯筒體溫度沿周向是均勻分布的。④黑度不隨地點(diǎn)、時(shí)間和溫度變化而變化。(2)氧化碳質(zhì)量守恒方程圖4為窯質(zhì)量能量平衡微觀圖,分解帶中碳酸鈣分解生成的二氧化碳從物料中脫離進(jìn)入煙氣中,可得質(zhì)量守恒方程(19)、(20)。Mg(i)+MCO2=Mg(i+1)(19)Ms(i+1)-MCO2=Ms(i)(20)(3)煙氣和物料和窯筒體能量守恒方程窯內(nèi)的高溫?zé)煔鈱崃總鹘o物料和窯壁,自身能量減少;生料接收到由煙氣和窯壁的傳熱,一方面不斷提高自身溫度,另一方面為自身的化學(xué)反應(yīng)提供熱量;窯壁接收到的熱量一方面?zhèn)鹘o物料,另一方面向窯筒體外表面?zhèn)魅?高溫的窯筒體外表面以對(duì)流和輻射的方式將熱量釋放到環(huán)境中去。如圖4所示,列出煙氣、物料和窯筒體能量守恒方程(21)～(23)。煙氣能量平衡方程:mg(i+1)cgTg(i+1)+mCO2cCO2Ts(i+1)+Qi=Qcg-ew+Qrg-ew+Qcg-es+Qrg-es+mg(i)cgTg(i)(21)物料能量平衡方程:ms(i)csTs(i)+Qcg-es+Qrg-es+Qrew-es+Qcw-cs+ΔQ=ms(i+1)csTs(i+1)+mCO2cCO2Ts(i+1)(22)窯筒體能量平衡方程:Qcg-ew+Qrg-ew=Qrew-es+Qcw-cs+Qcsh-a+Qrsh-a(23)綜合式(19)～(23),即建立了包含傳熱、煤燃燒、化學(xué)反應(yīng)等因素的回轉(zhuǎn)窯溫度分布的數(shù)學(xué)模型。3物料溫度分布利用所建立的模型對(duì)巨龍公司某?5.8×97m,產(chǎn)量3700t/d的回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行溫度分布模擬計(jì)算,計(jì)算出煙氣、物料、窯內(nèi)壁和窯筒體外表面溫度分布,并對(duì)物料溫度分布進(jìn)行分析。3.1r/m休止角窯內(nèi)徑D=5.8m窯轉(zhuǎn)速n=2r/m休止角2θ=1.5rad填充率η=8%物料流量Vs=245t/h喂煤量Vc=12t/h3.2回轉(zhuǎn)窯模型計(jì)算根據(jù)建立的模型和參數(shù),將該回轉(zhuǎn)窯分成194個(gè)ΔZ=0.5m的微元控制體。以窯尾處控制體作為分析對(duì)象開(kāi)始分析,窯尾處煙氣溫度和物料進(jìn)口溫度可由溫度傳感器測(cè)得,測(cè)得煙氣出口溫度為1050℃,物料進(jìn)口溫度為850℃,任務(wù)是求出該控制體窯內(nèi)壁和筒體外表面溫度,以及煙氣進(jìn)口端和物料出口端溫度。所列能量平衡方程為二元非線性方程組,采用Newton迭代法求解此非線性方程組的解。采用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)模擬整窯模擬計(jì)算。計(jì)算程序框圖如圖5所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煙氣、物料、窯內(nèi)壁和窯筒體外表面溫度分布如圖6所示。物料的受熱情況直接決定水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量,因此主要對(duì)物料進(jìn)行分析。物料從窯尾至窯頭大致經(jīng)歷分解帶、過(guò)渡帶、燒成帶和冷卻帶4個(gè)過(guò)程。距窯頭約97～60m是分解帶,該區(qū)段物料的溫度上升比較緩慢,物料從煙氣、窯內(nèi)壁吸收的熱量主要用來(lái)提供碳酸鈣熱分解所需要的能量,因此物料溫度上升較慢。距窯頭約60～26m是過(guò)渡帶,碳酸鈣基本分解完全,物料發(fā)生一系列放熱反應(yīng),放出熱量被物料吸收。同時(shí),煙氣和窯內(nèi)壁溫度不斷升高,輻射傳熱量急劇上升,物料吸熱量大幅度增加。故該區(qū)段物料溫度上升較快。距窯頭約26～8m是燒成帶,物料到達(dá)最高溫度段,這一帶的平均溫度在1300℃左右,是形成C3S的最佳溫度,而C3S又是水泥熟料最重要的成分。同時(shí),大部分煤粉在此區(qū)域燃燒,放出大量的熱,保證了反應(yīng)所需的高溫環(huán)境。燒成帶的溫度和長(zhǎng)度直接影響熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。距窯頭約8～0m是冷卻帶,熟料溫度高于煙氣溫度,熱量由熟料傳給煙氣,使煙氣溫度升高,熟料溫度降低,從而對(duì)出窯熟料起到冷卻作用。由噴煤燃燒器噴入煤粉經(jīng)二次風(fēng)預(yù)熱后,使得煤粉溫度快速升高,距窯頭約2.5m處煤粉升到600℃左右,達(dá)到煤的燃點(diǎn),煤開(kāi)始燃燒;在距窯頭約24m處煙氣溫度達(dá)到最高值1600℃左右。3.3回轉(zhuǎn)窯外表面溫度在水泥實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度不易測(cè)量而只能測(cè)量筒體外表面溫度。外表面溫度通常通過(guò)紅外測(cè)溫掃描儀測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后送入計(jì)算機(jī)處理和分析,再以數(shù)據(jù)和圖形畫(huà)面的形式顯示出來(lái)。巨龍公司該窯在正常運(yùn)行,物料流量為245t/h、過(guò)量空氣系數(shù)為1.1、喂煤量為12t/h、窯轉(zhuǎn)速為1.68r/min時(shí),窯筒體外表面實(shí)測(cè)溫度分布:回轉(zhuǎn)窯筒體外表面最低溫度在距窯頭22m處為130℃,最高溫度距窯頭32m處為350℃,距離窯頭71～97m筒體外表面溫度基本保持在200℃。從圖6中可看出,通過(guò)計(jì)算所得窯筒體外表面最低溫度在距離窯頭21m處為150℃,最高溫度在距離窯頭30m處為360℃,距離窯頭71～97m筒體外表面溫度基本保持在200℃。對(duì)比回轉(zhuǎn)窯外表面溫度分布,兩者有較好的一致性,表明了所建立的數(shù)學(xué)模型和求解方法的基本正確性。水泥實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度難于測(cè)得,該計(jì)算方法提供了一種根據(jù)窯筒體外表面溫度分布間接探知回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度分布的方法。4密度ci(1)將煤粉燃燒和窯內(nèi)化學(xué)反應(yīng)加入到溫度分布計(jì)算模型中去,完善了現(xiàn)有的計(jì)算模型,提高了精度,使窯內(nèi)溫度分布更符合實(shí)際情況。(2)通過(guò)編程求解得出回轉(zhuǎn)窯物料溫度分布曲線。(3)可以利用該模型對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,提高水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。(4)今后的目標(biāo)是研究回轉(zhuǎn)窯不同位置化學(xué)反應(yīng)的類(lèi)型、反應(yīng)速度及窯內(nèi)掛窯皮情況以優(yōu)化溫度計(jì)算模型。符號(hào)說(shuō)明Qi為i區(qū)域煤粉燃燒的放熱量;˙mcoal為單位時(shí)間喂煤量;Qfnet為煤粉的低位發(fā)熱量;ci+1,ci為進(jìn)入和離開(kāi)i區(qū)域時(shí)的煤粉濃度(對(duì)燃料入口區(qū)域,ci=1);Li為區(qū)域i處火焰距噴嘴距離;Lf為火焰長(zhǎng)度;d0為燃燒器當(dāng)量直徑;AF*,AF為空氣-燃料質(zhì)量比;ρe為煙氣密度;ρcp為燃燒產(chǎn)物密度;ρF為燃料密度;ρpa為一次風(fēng)密度;ρsa為二次風(fēng)密度;mF為燃料流量;mpa為一次風(fēng)流量;GF為燃料流量加速度;Gpa為一次風(fēng)流量加速度;Rp為顆粒直徑;δ為表面粗糙度;γ為氣體分子平均自由程修正值;ReD為窯軸向雷諾數(shù);ReW周向雷諾數(shù);De為窯內(nèi)當(dāng)量直徑;χwg=1為敞開(kāi)窯壁對(duì)煙氣的角系數(shù);χsg=1為料對(duì)煙氣的角系數(shù);Xws=As/Aw為敞開(kāi)窯壁對(duì)物料的輻射角系數(shù);Vs為各帶物料流量;w為反應(yīng)物(生成物)質(zhì)量百分含量;ΔH為物質(zhì)反應(yīng)熱;Lz為反應(yīng)帶長(zhǎng)度;λf為耐火材料導(dǎo)熱系數(shù);λr為筒體導(dǎo)熱系數(shù);λw為窯皮導(dǎo)熱系數(shù);Rw1為窯皮