基于流體模擬的碳酸鹽巖煅燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬

基于流體模擬的碳酸鹽巖煅燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬

數(shù)值計(jì)算方程在這項(xiàng)工作中，fluent和nb使用軟件fluent來(lái)計(jì)算回波爐的傳熱過(guò)程。將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)料層上部氣體空間內(nèi)的氣體流動(dòng)、傳熱、揮發(fā)分和燒損焦炭的燃燒過(guò)程等利用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算,而料層內(nèi)的顆粒傳熱過(guò)程采用Matlab計(jì)算。1研究主題以河南某炭素廠回轉(zhuǎn)窯作為研究對(duì)象,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要參數(shù)見(jiàn)表1、表2。2風(fēng)模式下的土體轉(zhuǎn)動(dòng)(1)在二、三次送風(fēng)口所在的窯體圓周上每隔30°開(kāi)一個(gè)圓孔作為送風(fēng)口。假設(shè)每隔一定時(shí)間有一個(gè)位置的送風(fēng)口向窯內(nèi)送風(fēng)。這樣,送風(fēng)位置相對(duì)于窯體達(dá)到了轉(zhuǎn)動(dòng)效果,即可以在Fluent中利用非穩(wěn)態(tài)模擬過(guò)程近似達(dá)到窯體轉(zhuǎn)動(dòng)的效果,如圖2所示。(2)石油焦揮發(fā)分氣體析出規(guī)律很復(fù)雜,為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)揮發(fā)分是從料層和氣體空間的交界面上析出,且揮發(fā)分氣體的組成在該交界面上相同,揮發(fā)分析出曲線為溫度的函數(shù),而溫度為窯長(zhǎng)的函數(shù)。(3)假設(shè)物料充分混合,物料層厚度保持不變,且在回轉(zhuǎn)窯的任一軸向截面位置物料溫度均勻。3數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建3.1物料軸向溫度分布沿軸向取物料層某一微元段Δy作為研究對(duì)象,根據(jù)物料相質(zhì)量守恒和物料相與氣體相的能量守恒原理列出微分方程組,并通過(guò)求解方程組得到物料的軸向溫度分布。(1)燃燒的石油焦顆粒作為揮發(fā)油分回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程主要包括石油焦中水分的蒸發(fā),揮發(fā)分的析出,沖入到氣相中的少量碳顆粒。這3種傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述較為復(fù)雜,這里將石油焦中所含水分和沖入到氣相中而燃燒的少量石油焦顆粒都看作為揮發(fā)分的一部分。dms=-lsmvdy(1)式中l(wèi)s為料層橫截面長(zhǎng)度,如圖3。(2)材料相的能量守衡方程cp,smsdTs=Qsdy(2)(3)石油焦顆粒的組成成分隨著窯內(nèi)溫度的不斷升高,石油焦顆粒因受熱而析出揮發(fā)分氣體。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,該石油焦的揮發(fā)分的組成主要是CH4和H2,還伴有少量的CO、CO2和CnHm。其產(chǎn)生速率經(jīng)驗(yàn)公式為mv=k0(msus)Xv0(XvXv0)ne-E/RΤs(3)Xv=ρs0Xv0ρs(4)如上所述,這里將石油焦中所含水分和沖入到氣相中而燃燒的少量石油焦顆粒都看作為揮發(fā)分的一部分,即揮發(fā)分中包含的成分有CH4、H2、CO、CO2、CnHm、H2O和燒損的碳顆粒。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,CnHm的熱值十分接近C2H4的熱值,因此將CnHm看作為C2H4。(4)反應(yīng)時(shí)間的吸熱、放熱過(guò)程回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱過(guò)程主要包括氣相、物料與窯內(nèi)壁之間的對(duì)流、輻射換熱過(guò)程及窯內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的吸熱或放熱過(guò)程,如圖4。對(duì)物料而言,其得到的熱量主要有:窯內(nèi)氣相和窯內(nèi)壁與料層表面間的輻射和對(duì)流換熱;料層與被覆蓋的窯內(nèi)壁間的傳熱;窯內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的吸熱或放熱。輻射傳熱系數(shù)的計(jì)算Qcg,s=αcΔTAs(5)Qrgw,s=αrΔTAs(6)式中αr為氣相及窯內(nèi)壁對(duì)物料的輻射傳熱系數(shù)αr=Cgws[(Τg100)4-(Τs100)4]Τg-Τs其中Cgws=5.67εs(AwAs+1-εg)[εs+εg(1-εs)]1-εgεg+AwAs表面間輻射傳熱計(jì)算窯內(nèi)壁被覆蓋面對(duì)物料的傳熱可近似按兩平行表面間輻射傳熱公式計(jì)算,即Qrw?s=Cws[(Τ′w100)4-(Τs100)4]A′s(7)2吸收或釋放熱的方程是由爐內(nèi)的蒸發(fā)、破壞和材料顆粒發(fā)生變化引起的Qr=n∑k=1lsmkΜkΔΗk(8)2由材料產(chǎn)生的總熱量Qs=Qcg,s+Qrgw,s+Qrw,s+Qr(9)3.2回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)的數(shù)學(xué)模型在回轉(zhuǎn)窯內(nèi),隨著加熱溫度的升高,物料自身溫度也不斷升高,其所含的揮發(fā)分不斷析出,并與來(lái)自窯外的助燃空氣混合燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?煙氣在窯內(nèi)由窯頭流向窯尾,同時(shí)以輻射和對(duì)流方式將熱量傳給物料。因此回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)的數(shù)學(xué)模型可由連續(xù)、動(dòng)量、能量和組分方程及附加的湍流、燃燒、輻射傳熱模型構(gòu)成。本文采用物質(zhì)輸送和有限速率化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒狀況進(jìn)行數(shù)值模擬,輻射傳熱模型采用P-1輻射模型,模擬采用Fluent軟件計(jì)算。3.3溫度沿窯長(zhǎng)的變化運(yùn)用Matlab計(jì)算料層內(nèi)傳熱過(guò)程時(shí)需要輸入窯內(nèi)氣相和窯內(nèi)壁傳給料層的熱量,運(yùn)用Fluent計(jì)算時(shí)需要輸入物料揮發(fā)分的析出量和料層溫度。運(yùn)用Matlab可以計(jì)算出料層溫度沿窯長(zhǎng)的變化,借助上述揮發(fā)分析出量與溫度的關(guān)系式得出揮發(fā)分的析出量沿窯長(zhǎng)的變化,從而為Fluent數(shù)值模擬提供邊界條件。借助Fluent軟件可以計(jì)算出窯內(nèi)氣相和窯內(nèi)壁的溫度,利用上述料層的數(shù)學(xué)模型可以求解出窯內(nèi)氣相和窯內(nèi)壁傳給料層的熱量,從而為Matlab計(jì)算料層內(nèi)傳熱過(guò)程提供邊界條件(如圖5所示),因而可以采用迭代法,直到迭代前后料層的溫度值在允許誤差范圍內(nèi)時(shí)停止計(jì)算。4溫度分布情況圖6為窯內(nèi)氣相空間內(nèi)煙氣軸向平均溫度分布。在回轉(zhuǎn)窯軸向位置上距窯尾29.2～39.0m處煙氣溫度超過(guò)了設(shè)計(jì)中要求的煅燒溫度1523K,這一區(qū)域稱為煅燒帶,長(zhǎng)度約10m,僅占窯體總長(zhǎng)度的18%。在距窯尾21.0～29.2m段,隨著坐標(biāo)y值的減小,即隨著距窯尾端距離的縮短,煙氣溫度顯著降低,這是由于三次冷空氣的進(jìn)入引起的。隨后在14～21m段,三次冷空氣與石油焦熱解析出的揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?煙氣溫度升高,但其溫度低于1473K,然后隨著煙氣向窯尾的流動(dòng),遇到溫度較低的石油焦物料進(jìn)行熱交換,煙氣溫度逐漸降低。由圖6石油焦物料料層軸向溫度分布可知,在0～5m段,料層溫度增加比較緩慢,這主要是因?yàn)樵谠摱问徒顾执罅空舭l(fā),吸收大量熱量。隨后在5～33m段料層溫度升高較快,這是因?yàn)殡S著料層溫度的逐漸升高,石油焦中的揮發(fā)分不斷從料層內(nèi)部析出進(jìn)入氣相中,與送入窯內(nèi)的空氣燃燒產(chǎn)生大量熱量,其熱量反過(guò)來(lái)加熱料層,使料層的溫度逐漸升高。在21～29m段,雖然三次冷空氣的引入致使煙氣溫度降低,但并沒(méi)有引起料層溫度的降低,在該段內(nèi),料層溫度依然逐漸升高。在38～55m段,隨著石油焦物料向窯頭的移動(dòng),料層溫度反而降低。這是因?yàn)闊崃總鬟f過(guò)程發(fā)生了逆轉(zhuǎn),出現(xiàn)了物料對(duì)煙氣或窯內(nèi)壁的反傳熱。圖6還顯示了窯內(nèi)壁溫度的變化,與煙氣的變化類似。窯內(nèi)壁的溫度變化主要受其與煙氣和物料之間換熱過(guò)程的綜合影響。窯體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),窯內(nèi)壁先是與熱煙氣接觸,吸收熱量,自身溫度升高;然后與冷物料接觸,放出熱量,自身溫度降低。所以窯內(nèi)壁的溫度始終在煙氣和物料溫度之間變化,在熱交換中起傳遞熱量的作用。由圖可知,窯內(nèi)壁、煙氣和物料的溫度分布曲線在39m左右處相交,說(shuō)明在0～39m段,熱量由窯內(nèi)壁、煙氣傳給物料層,在39～55m處,熱量傳遞過(guò)程發(fā)生逆轉(zhuǎn),熱量由物料層傳給窯內(nèi)壁和煙氣。數(shù)值模擬過(guò)程中考慮了窯內(nèi)襯的導(dǎo)熱和窯外壁與外界環(huán)境的傳熱情況,所以窯外壁的溫度變化可以由Fluent模擬結(jié)果直接輸出。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性,將窯外壁溫度的數(shù)值模擬結(jié)果與熱工測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖7所示。對(duì)比結(jié)果顯示除了3點(diǎn)誤差較大外,其余對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差均小于10%。同時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果顯示物料出料端的溫度為1328K,實(shí)測(cè)溫度為1267K,誤差為5%,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合,證明了該數(shù)值模擬方法是可行的。由圖6可明顯看出,該窯煅燒帶長(zhǎng)度偏短,約10m,僅占窯體總長(zhǎng)度的18%。另外由料層溫度的計(jì)算結(jié)果可知,在距窯尾34.6～42.3m處料層溫度超過(guò)了1473K,長(zhǎng)度約8m,顯然這種工況不能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的煅后焦。在窯體后部安裝三次供風(fēng)裝置,目的在于使預(yù)熱帶揮發(fā)出來(lái)的揮發(fā)分燃燒完全,但預(yù)熱帶析出的揮發(fā)分較少,大量揮發(fā)分在煅燒帶揮發(fā)出來(lái),由二次供風(fēng)裝置供風(fēng)燃燒煅燒帶的揮發(fā)分,因此二、三次風(fēng)的風(fēng)量配比應(yīng)適當(dāng)。相比較而言,二次風(fēng)所占的比例應(yīng)大些,而本窯二、三次風(fēng)的風(fēng)量配比為4∶6,三次風(fēng)風(fēng)量所占比例反而大于二次風(fēng)。同時(shí)三次風(fēng)風(fēng)量較大也會(huì)使窯尾煙氣速度增大,較小顆粒的石油焦被煙氣帶走的機(jī)會(huì)增大。因此二、三次風(fēng)的風(fēng)量配比中,三次風(fēng)的配比應(yīng)小些。綜上所述,在當(dāng)前的運(yùn)行工況下,窯內(nèi)溫度還不能滿足生產(chǎn)中對(duì)碳素制品的煅燒溫度要求,有必要對(duì)現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行工況進(jìn)行改進(jìn),使其窯內(nèi)煅燒帶的溫度升高且分布均勻,從而滿足正常生產(chǎn)要求。比如尋找二、三次風(fēng)送風(fēng)口的合理位置與風(fēng)量配比;在窯內(nèi)襯增設(shè)翻料裝置,增大高溫?zé)煔馀c物料顆粒的接觸面積;對(duì)煅前物料進(jìn)行粒徑篩分,將過(guò)大顆粒進(jìn)行破碎,較小顆粒加入黏結(jié)劑,攪拌,擠壓成塊,干燥之后再送入回轉(zhuǎn)窯中煅燒,從而提高物料的實(shí)收率;加強(qiáng)窯頭、窯尾的密封性等有效措施。5回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行工況運(yùn)用軟件Fluent和Matlab分別對(duì)窯內(nèi)氣體空間和料層內(nèi)的傳熱過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算,綜合考慮了石油焦煅燒過(guò)程的物理化學(xué)反應(yīng)及窯內(nèi)傳熱過(guò)程,結(jié)果表明:(1)由石油焦和煙氣之間的熱交換可知,石油焦在煅燒過(guò)程中既有吸熱又有放熱;(2)在當(dāng)前的操作和結(jié)構(gòu)條件下,回轉(zhuǎn)窯的煅燒帶長(zhǎng)度較短,約10m,僅占窯體總長(zhǎng)度的18%,不能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的煅后焦,有必要對(duì)現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行工況進(jìn)行改進(jìn);(3)二、三次冷空氣的引入均會(huì)使窯內(nèi)氣相溫度明顯下降,但對(duì)料層溫度影響不顯著;(4)窯外壁的計(jì)算結(jié)果與其測(cè)試結(jié)果比較吻合,說(shuō)明該模擬方法的適用性,從而為碳素煅燒回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了參考依據(jù)?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)的物料及熱作用Aw,As——分別為單位窯長(zhǎng)內(nèi)未被覆蓋的窯內(nèi)壁表面積和料層表面面積,m2·m-1(Aw=r(2π-2Φ),As=2rsinΦ)A′s——被覆蓋窯內(nèi)壁表面面積,m2·m-1,A′s=2rΦCws——被覆蓋窯內(nèi)壁對(duì)物料的輻射系數(shù),W?(m2?Κ4)-1(Cws=5.671εw+1εs-1)cp,s——石油焦的比熱容,J·(kg·K)-1E——活化能,J·mol-1(本文為95000J·mol-1)ΔHk——第k種可燃成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱,J·mol-1k0——指前因子(本文為1.35×104s-1)ls——料層橫截面長(zhǎng)度,mMk——第k種可燃成分的摩爾質(zhì)量,kg·mol-1mk——第k種可燃成分單位窯長(zhǎng)內(nèi)的反應(yīng)速率,kg·(s·m2)-1ms——原料石油焦在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)任一軸向位置的流量,kg·s-1mv——任一微元段Δy內(nèi)揮發(fā)分、水分、燒損碳的析出量,kg·(s·m)-1n——熱解反應(yīng)級(jí)數(shù),本文為2Qcg,s——?dú)庀嗯c料層表面間的對(duì)流換熱量,W·m-1Qr——可燃成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的吸熱或放熱量,W·m-1Qrgw,s——?dú)庀嗪透G內(nèi)壁與料層表面間的輻射換熱量,W·m-1Qrw,s——被覆蓋窯內(nèi)壁對(duì)物料的輻射換熱量,W·m-1Qs——物料獲得的總熱量,W·m-1R——?dú)怏w常數(shù)(R=8.314J·(mol·K)-1)r——回轉(zhuǎn)窯內(nèi)半徑,mTg——?dú)庀鄿囟?KTs——料層溫度,KTw——未被覆蓋窯內(nèi)壁表面的溫度,KT′w——被覆蓋窯內(nèi)壁表面的溫度,K[因其與物料接觸過(guò)程中溫度降低,其值近似為Τ′w=12(Τs+Τw)]ΔT——?dú)庀嗯c物料的溫度差,Kus——石油焦在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的軸向移動(dòng)速度,m·s-1v0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣相運(yùn)動(dòng)速度,m·s-1Xv——揮發(fā)分在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)任一截面的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Xv0——石油焦在回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料端所含有的揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)y——窯體軸向位置,m,窯尾處y=0,正方向由窯尾指向窯頭αc——?dú)庀鄬?duì)物料的對(duì)流傳熱系數(shù),W·(m2·K)-1(αc=10.47v0)αr——?dú)庀嗉案G內(nèi)壁對(duì)物料的輻射傳熱系數(shù),W·(m2·K)-1εs,εg——分別為物料和氣相的黑度εw——窯內(nèi)壁黑度ρs——石油焦的密度,kg·m-3ρs0——石油焦在回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料端的密度,kg·m-3回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的傳熱過(guò)程十分復(fù)雜,不僅傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射3種熱交換方式同時(shí)存在,而且還發(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)。這些物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的參量眾多,而且相互關(guān)聯(lián),對(duì)其全面過(guò)程進(jìn)行綜合研究是相當(dāng)困難的。許多學(xué)者只單一針對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料料層或氣體空間進(jìn)行數(shù)值模擬研究[1,2,3,4,5,6,7,8,