朱玲利，智西湖，喬 斌

（1.洛陽(yáng)師范學(xué)院，洛陽(yáng) 471000；2.礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中信重工機(jī)械股份有限公司），洛陽(yáng) 471000）

0 引言

石灰石在傳統(tǒng)預(yù)熱器中預(yù)分解率只有25%[1]，剩余75%在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)分解。石灰石在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不斷翻滾過(guò)程中受到高溫?zé)煔廨椛鋼Q熱，有利于石灰石的均勻煅燒。但筒體散熱損失也非常大，單位產(chǎn)量熱損失615kJ左右，占系統(tǒng)總熱耗的13%。而預(yù)熱器以低溫?zé)煔鈱?duì)流換熱為主，單位產(chǎn)量熱損失只有134kJ[2]。因此研發(fā)出一種能將石灰石預(yù)分解率提高至50%的預(yù)分解爐裝置，降低回轉(zhuǎn)窯筒體的熱損失，且保證石灰石均勻煅燒是文章研究的重點(diǎn)。

1 預(yù)分解爐裝置研發(fā)技術(shù)路線

中信重工股份有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱中信重工）在回轉(zhuǎn)窯煅燒活性石灰系統(tǒng)多年研究的基礎(chǔ)上，提出減少回轉(zhuǎn)窯處使用的燃料量，同時(shí)研發(fā)帶有燃燒室的預(yù)分解爐裝置替代傳統(tǒng)預(yù)熱器，達(dá)到提高石灰石預(yù)分解率，降低系統(tǒng)總熱耗目的。預(yù)分解爐研發(fā)的技術(shù)路線如圖1所示。

2 預(yù)分解爐裝置的研發(fā)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論計(jì)算

為了計(jì)算出預(yù)分解爐預(yù)熱高度和石灰石的停留時(shí)間，需要研究煙氣和石灰石的換熱效率，即換熱系數(shù)。相關(guān)研究表明[3]，預(yù)分解爐內(nèi)主要換熱形式是煙氣和石灰石的對(duì)流換熱，約占預(yù)分解爐總換熱量的85%。因此推導(dǎo)出煙氣和石灰石對(duì)流換熱系數(shù)就能夠掌握預(yù)分解爐內(nèi)的換熱規(guī)律。

圖1 預(yù)分解爐裝置研發(fā)技術(shù)路線圖

2.1.1 對(duì)流換熱系數(shù)的求解

煙氣在預(yù)分解爐內(nèi)和堆積石灰石的對(duì)流換熱系數(shù)h是隨著煙氣流動(dòng)不斷變化的，因此需要求解出整個(gè)預(yù)分解爐內(nèi)對(duì)流換熱的平均值。

對(duì)流換熱系數(shù)[4]：

目前學(xué)者[5]對(duì)爐體內(nèi)堆積石灰石與煙氣流動(dòng)的數(shù)求解，簡(jiǎn)化為煙氣徑向流過(guò)單根圓柱體的模型，然后利用丘吉爾和朋斯登推薦的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。但是把爐內(nèi)堆積石灰石簡(jiǎn)化成單根圓柱體的模型計(jì)算數(shù)誤差明顯非常大。筆者把預(yù)分解爐內(nèi)的石灰石看作堆積床模型，并且引入科爾伯恩因子[6]作為中間變量，推導(dǎo)出了堆積床模型的數(shù)。該計(jì)算模型顯然更為接近預(yù)分解爐工作的實(shí)際情況。

煙氣流動(dòng)的雷諾數(shù)[8]：

石灰石堆積床對(duì)流換熱的特征長(zhǎng)度[9]：

式中：ρ為石灰石堆密度， k g/m3。

表1[2] 煙氣和石灰石參數(shù)表

表2[2] 煙氣和石灰石參數(shù)表（續(xù)）

通過(guò)式（1）～式（4）計(jì)算得：

2.1.2 預(yù)分解爐的預(yù)熱高度和石灰石停留時(shí)間

堆積床的平均傳熱速率[4]：

式中，A是參與換熱石灰石總比表面積，m2；是煙氣和石灰石的平均溫差，K。

若近似把石灰石看作半徑為dp/2的球體排列在單位體積內(nèi)，其傳熱的比面積為[10]：

那么單位體積內(nèi)石灰石換熱比表面：

表3[11] 石灰系統(tǒng)中石灰石與煙氣換熱參數(shù)

石灰石在預(yù)分解爐內(nèi)1秒的總換熱量：

預(yù)分解爐單位體積內(nèi)煙氣和石灰石的傳熱速率：

預(yù)分解爐單位高度對(duì)流換熱速率：

預(yù)分解爐總換熱高度：

預(yù)分解爐要使得石灰石達(dá)到的50%預(yù)分解率，其預(yù)熱高度應(yīng)為5.96m，對(duì)比原有預(yù)熱器4.15m的有效預(yù)熱高度明顯要加高。根據(jù)石灰石在預(yù)分解爐的流動(dòng)速度：約4.44×10-4m/s計(jì)算，石灰石在預(yù)分解爐內(nèi)停留時(shí)間約為3.725小時(shí)。

2.2 模擬煅燒石灰石試驗(yàn)研究

為了得到石灰石達(dá)到50%預(yù)分解率所需煙氣溫度和系統(tǒng)熱耗等參數(shù)，利用礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——0.7m×0.7m×2.5m預(yù)分解爐和φ0.9×4.5m回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)模擬煅燒石灰石。

圖2 試驗(yàn)預(yù)分解爐系統(tǒng)

2.2.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

表4是根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)定帶預(yù)分解爐的試驗(yàn)系統(tǒng)工藝參數(shù)。

表4 試驗(yàn)參數(shù)

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果處理及結(jié)論

石灰石在試驗(yàn)預(yù)分解爐內(nèi)經(jīng)3.725小時(shí)的預(yù)熱和分解后，通過(guò)取樣孔取出兩組試樣，不經(jīng)過(guò)冷卻直接稱重后，再放入已經(jīng)升溫到1200℃的馬弗爐繼續(xù)焙燒完全。經(jīng)馬弗爐內(nèi)二次焙燒后的石灰石重新稱重。

將兩組試樣試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分別記錄并計(jì)算如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看以看出，石灰石預(yù)分解率提高至50.8%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將系統(tǒng)熱耗重新計(jì)算分析如表6所示。

在石灰石模擬試驗(yàn)中，可以得到以下結(jié)論：1）石灰石在預(yù)熱溫度1150℃～1200℃，3.725小時(shí)的預(yù)熱后，預(yù)分解率可以達(dá)到50%左右。2）石灰石預(yù)分解率達(dá)到50%以上后，通過(guò)調(diào)整回轉(zhuǎn)窯規(guī)格和燃料分配整個(gè)系統(tǒng)的熱耗大幅降低。

表6 熱耗的理論計(jì)算結(jié)果

2.3 預(yù)分解爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CAE模擬分析

理論計(jì)算和試驗(yàn)得到了預(yù)分解爐的高度、橫截面積等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及預(yù)熱時(shí)間、預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)。在原有預(yù)熱器的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件Inventor設(shè)計(jì)出了預(yù)分解爐的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示（去掉頂部料倉(cāng)）。

圖3 預(yù)分解爐倉(cāng)體的三維模型

新的預(yù)分解爐結(jié)構(gòu)實(shí)際換熱效果如何，是否能夠最佳達(dá)到理想換熱效果，在理論計(jì)算和試驗(yàn)都無(wú)法驗(yàn)證。利用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬增逐步成為了解流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)狀況的重要手段[12]，因此可以借助Fluent研究煙氣在新結(jié)構(gòu)的流動(dòng)情況，尋求最佳換熱效果的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.3.1 模型選擇及邊界條件

Realizable k-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε二元方程模型的改進(jìn)方案，能夠應(yīng)用于各種不同類型的流動(dòng)模擬，包括射流和混合自動(dòng)流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)等[13]。在綜合考慮穩(wěn)定性、計(jì)算精度以及實(shí)際需要的前提下，選用Realizable k-ε模型分析預(yù)分解爐內(nèi)部煙氣流場(chǎng)。分析采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際設(shè)定壁面的粗糙度0.5，其他邊界條件選用表1的數(shù)據(jù)。壓力—速度的耦合方程采用非交錯(cuò)網(wǎng)格的simple算法[14]。

2.3.2 模擬結(jié)果分析與設(shè)備優(yōu)化

預(yù)分解爐單個(gè)倉(cāng)體內(nèi)煙氣流線場(chǎng)如圖4所示。

圖4 預(yù)分解爐煙氣流線場(chǎng)圖

從圖4可以看出，煙氣在預(yù)分解爐內(nèi)靠邊流動(dòng)的“邊壁效應(yīng)”非常明顯，圖示右側(cè)基本上沒(méi)有煙氣流過(guò)，從而造成石灰石預(yù)熱不均勻影響石灰石的煅燒質(zhì)量。

為了使得預(yù)分解爐內(nèi)煙氣流動(dòng)更加均勻，大量模擬分析后發(fā)現(xiàn)，煙氣在進(jìn)入預(yù)分解倉(cāng)后有一個(gè)向前俯沖的趨勢(shì)，為此在煙氣俯沖處設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，這樣煙氣就被均勻散射到整個(gè)預(yù)分解爐倉(cāng)中。經(jīng)過(guò)多次模擬分析后找到了最佳內(nèi)凹角度和深度，優(yōu)化后預(yù)分解爐煙氣流線場(chǎng)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后預(yù)分解爐煙氣流線場(chǎng)

從圖5可以看出，煙氣在預(yù)分解爐內(nèi)流動(dòng)均勻性和圖4相比較有很大的改善，石灰石在預(yù)分解爐內(nèi)預(yù)熱更加均勻。

3 結(jié)論

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