石油焦煅烧回转窑综合传热模型

石油焦煅烧回转窑综合传热模型

1建立回转窑综合传热模型回转炉是用于加热和处理松散和砂浆材料的旋转圆机制。广泛应用于色泽冶金、黑色冶金、耐碱材料、水泥、化工、纸板等行业。在铝行业，用于生产铝的原料石油焦的回转炉在大约1300下的高温下进行，并去除水和蒸发，成为铝电解生产阳性的焦重发。石油焦煅烧回转窑的优化设计和运行主要受窑内气固相流动、传热及化学反应过程等因素的影响,而传热数学模型是了解煅烧窑内温度分布及炉窑热工特性的重要手段.现虽已建立了多个传热模型,但这些模型均未考虑化学反应动力学因素对窑内传热过程的影响.本工作综合考虑了石油焦煅烧回转窑内物理和化学反应过程对窑内传热过程的影响,并在对窑内的物料输送过程、传质过程和传热过程具体分析的基础上,建立了回转窑的综合传热数学模型.应用数值计算方法对该模型进行求解,以预测窑内气体、物料和窑壁内外表面的轴向温度分布,并对回转窑内气体和物料逆流传热规律进行了分析和研究,从而为石油焦煅烧回转窑的优化设计和经济运行提供了指导和依据.2回转窑内各主要参数的计算物料在回转窑内的输送过程不仅决定着物料在炉内的停留时间和烧损率,而且还直接影响着窑内的传热过程,对回转窑内物料输送过程进行分析非常重要.图1为回转窑内物料输送过程示意图.物料在回转窑内传输过程中的一些重要参数的计算过程和计算关系式如下:当窑内物料填充率较低时,料床上表面可以近似地视为平面,则根据物料的初、终填充率(η0,ηL)和式(1)可分别求出物料的初、终填充角(β0,βL),再依据式(2)求出高、低端的料床高度(b0,bL),然后由料床高度b与窑长x之间的线性关系,即可确定出料床高度b的计算式[式(3)].物料填充率与物料填充角之间的关系式:料床高度与料填充角之间的关系式:料床高度:物料填充角:料床表面宽度:物料相截面积:气体相截面积:物料在回转窑内的轴向流速:3回转窑内的物理化学反应过程回转窑内传质过程主要是指窑内气体相与物料相间的质量交换过程,该过程主要受回转窑内工质的一些物理化学反应过程的影响,这些过程本身会伴随着吸热和放热,因此回转窑内的传热过程与窑内的传质过程是密不可分的.这些物理化学反应过程主要包括以下几项:(1)石油焦内水分的蒸发过程;(2)石油焦热解挥发过程;(3)挥发分的燃烧反应过程;(4)石油焦物料颗粒的燃烧反应过程.3.1石油焦内水蒸发过程石油焦由于受热其内部水分蒸发至气体相,此过程本身就伴随着吸热.水分蒸发速率经验公式如下:3.2油气混合气中挥发性气体的特性随窑内温度的升高,石油焦颗粒会因受热发生裂解,并将产生的油气混合气挥发析出至气体相,该过程伴随着吸热和放热.一般挥发分的组成主要是H2,CH4,CG(可冷凝的焦油气体),其产生速率经验公式如下:3.3蒸发样品的燃烧反应过程从物料相析出至气体相的挥发分,在窑内的高温条件下会发生燃烧反应,挥发分各组分的燃烧反应速率计算经验公式为3.4燃烧速率的计算料床内石油焦颗粒本身也会在窑内高温条件下发生燃烧反应.本模型假设石油焦的燃烧仅限于反应C+O2→CO2.根据Essenhigh等的研究,石油焦颗粒的燃烧反应速率主要与3个质扩散系数有关,计算经验公式如下:式中,n0,n1和n2分别为外部质量扩散率系数、吸附率系数和解吸附率系数,其计算式分别如下:4回转窑与环境的对流换热模型回转窑传热过程主要包括窑内、窑壁和窑外3部分.回转窑内的传热过程主要包括气体、物料和窑内壁之间的对流、辐射换热过程,及由于窑内发生化学反应所引起的吸热和放热过程.窑壁内部主要是窑壁内表面向外表面的热传导过程.回转窑外壁是以对流和辐射的换热方式向环境的散热过程.回转窑的具体传热过程如图2所示.(1)气体相与料床表面间辐射和对流换热方程:式中气体相与料床表面之间的对流换热系数hcg→s和单位长度料床表面面积Ase的计算式如下:(2)气体相与未被覆盖的窑内壁表面之间的辐射和对流换热方程:式中气体相与未被覆盖的窑内壁表面之间对流换热系数hcg→w和单位长度未被覆盖的窑内壁表面积Awu的计算式如下:其中,当量直径Ded、雷诺数Re和Reω的计算式为(3)料床表面与未被覆盖的窑内壁表面之间的辐射换热方程及物料与被覆盖的窑内壁表面对流换热方程:式中物料与被覆盖的窑内壁表面之间的对流换热系数hcw→s、料床表面与未被覆盖的窑内壁表面之间的辐射换热系数εrw→s及单位长度被覆盖的窑内壁表面积Awc计算式如下:(4)窑内发生化学反应所引起的吸热和放热:(5)窑壁内的能量平衡方程:如果回转窑保温材料的导热系数很低,窑壁内沿周向的温度变化就很小,即窑壁内沿周向的传热量的变化可以忽略不计.同时由窑壁内部无热量累积,则有能量平衡关系:回转窑外壁向环境的散热损失主要是通过对流和辐射这两种方式实现的,其具体散热量计算式如下:由于回转窑倾角很小且转速较低,回转窑与环境的对流换热过程可按照水平长圆柱体外的自然对流换热处理,即回转窑与环境的对流换热过程的平均努谢尔特数计算式:5发烧数学模型在上述分析基础上,建立回转窑综合传热数学模型.5.1回转窑内的灰体为了分析问题时方便,作以下假设:(1)窑壁、料床表面均为灰体表面,气体为灰体;(2)物料充分混合,在回转窑的任一轴向截面位置,物料、气体和窑壁温度都是均匀的;(3)忽略轴向温度变化对辐射换热的影响;5.2煤的能量守恒方程取回转窑某一微元段∆x作为研究对象,将其分为物料相、气体相和窑壁3部分.根据物料相、气体相质量守衡和物料相、气体相和窑壁的能量守恒原理列出微分方程组,并通过求解方程组得到窑内气体、物料和窑壁内、外表面的轴向温度分布和窑内的轴向热流分布.物料相的质量平衡方程:气体相的质量平衡方程:气体相、物料相和窑壁的能量平衡方程:其中,i=H2,CH4,CG,j=N2,H2,CH4,CG,O2,H2O,CO2.6料床温度分布本模型计算对象的相关数据来自于文献的计算实例,所用石油焦原料组分见文献.采用四阶Runge-Kutta方法对模型进行求解计算.图3所示为物料、气体和窑壁内、外表面的轴向温度分布.由图可以看到,在回转窑轴向位置上0∼4m段,料床的温度增加比较缓慢,这主要是由于在该段石油焦内水分大量蒸发,吸收大量热量造成的.随着料床温度的不断升高,在10∼30m段,挥发分不断从料床内析出至气体相,料床的温度维持在一个较高的水平,这主要是挥发分燃烧释放出大量热量造成的.在30∼60m段,由于料床与引入的较低温度的气体之间的换热,料床温度开始缓慢降低,但仍维持较高水平,基本上是靠石油焦料床自身的烧损来维持的,因为挥发分在10∼30m段基本上已经析出完毕,其中在36∼41m段,三次风冷空气的引入并没有引起料床温度的明显变化,这主要是因为料床的比热容远大于气体,使料床对冷空气的引入不是很敏感.而气体相的比热容很小,因此对直接引入气体相的冷空气比较敏感,使温度明显降低.从气体入口端至出口端,窑内气体温度的变化过程是先逐渐升高至最大值,然后再逐渐降低.气体在窑内温度升高所需要的热量主要来源于石油焦物料热解析出的挥发分和物料自身的燃烧反应过程所释放出的大量热量.在回转窑轴向位置上36∼41m段,由于三次风冷空气的引入,使气体相的温度明显降低.在20∼30m段,由于石油焦物料热解析出的挥发分的燃烧反应过程释放出的大量热量,使气体相的温度明显升高,并在20m附近达到最高(1814K).从最高温度点至气体出口端,气体相温度不断降低,这主要是由于其与温度相对较低的料床之间的换热造成的.窑内壁温度的变化也是一个先逐渐升高至最大值、然后再逐渐降低的过程.窑内壁的温度分布主要受其与物料和气体相之间换热过程的综合影响.窑内壁温度在轴向位置20m处达到最高,且窑内壁和物料的温度分布曲线在25m处相交.在0∼25m段,热量是由窑内壁传递给料床的,在25m之后,热量的传递过程发生逆转,热量由料床传递给窑内壁.窑外壁的温度变化趋势与窑内壁基本相同,只是其变化幅度相对很小.从图3可以看到,烟气、物料及窑外壁轴向温度分布的计算值与测量值在规律和数值上均符合较好,特别是烟气和窑外壁符合得较好.对于煅烧式回转窑,最为关注的是物料在窑内的加热和升温过程.为进一步分析物料在窑内与周围介质之间的换热情况及其受热过程中的各传热热流,图4给出了物料净吸热量Qbin(Qbin=Qrg→s+Qcg→s-Qrw→s-Qcw→s)及物料与气体、窑内壁之间的热交换的轴向热流分布变化.在回转窑轴向位置上0∼25m段,物料迅速吸收热量,温度也很快升高,其热量来源于挥发分燃烧释放出的大量热量;25m之后,热量的传递过程发生逆转,即出现物料对窑壁和气体相的反传热,这部分热量主要来源于料床内石油焦颗粒燃烧释放出的热量,这与前面的分析结果一致.从图还可以看出,在物料与窑内壁、气体相之间的传热过程中,Qrg→s和Qcw→s在量级上明显高于Qcg→s和Qrw→s,并占据主导地位,这说明物料与被覆盖的窑内壁表面之间的对流换热和气体相与料床表面间的辐射换热是物料与气体、窑内壁之间热交换过程的主要传热机制.7主要传热机制本工作对石油焦煅烧回转窑内的物料输送、传质和传热过程进行了具体的分析和研究,综合考虑了石油焦煅烧过程中的物理化学反应过程对窑内传热过程的影响,并建立了石油焦煅烧回转窑的综合传热数学模型.应用数值计算方法对模型进行了计算求解,预测了窑内物料、气体和窑壁的轴向温度分布,并对窑内气体和物料之间的逆流传热规律进行了分析和研究,并得出以下结论:(1)窑内的高温区域主要集中在挥发分大量挥发燃烧的区段上,即此区段上的热量主要来源于挥发分燃烧所释放出的大量热量;从料床温度峰值点至物料出口端,料床温度开始缓慢降低,但仍维持在较高水平,这主要依赖石油焦料床自身的烧损来维持.同时三次风的注入会引起窑内气相温度的明显下降,但不会造成料床温度的明显变化.(2)在物料与气体、窑内壁之间热交换过程中,物料与被覆盖的窑内壁表面之间的对流换热和气体相与料床表面间的辐射换热为主要的传热机制.(3)该模型的计算结果与测量数据在规律上和数值上都能较好地符合,从而验证了该模型的适用性,因此该模型的建立可为石油焦煅烧回转窑的优化设计和经济运行提供指导和依据,同时对其他回转式热解、煅烧炉的设计也具有一定的参考意义.符号表:物料休止角:(4)回转窑处于稳态运行条件.A面积(m2)a热扩散率(m2/s)b料床厚度(m)c特性参数(m3/kg)Cp比热容[kJ/(kg·K)]d直径(m)D氧的扩散系数(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质量流率(kg/s)Gr格拉晓夫数h对流换热系数[kJ/(m2·K)]∆H吸热、放热量(kJ/kg)k导热系数[kJ/(m·K)]L窑长(m)l表面宽度(m)M摩尔比(mol/mol)mi物质i的生成或燃烧反应速率[kg/(m·s)]n反应级数Nu努谢尔特数Pr普朗特数Q热流量[kJ/(m·s)]r半径(m)R气体常数[8.314J/(mol·K)]Re雷诺数T温度(K)u流速(m/s)X料床内物质i质量分数(%)x窑内轴向位置(m)Yi气体内物质i质量分数(%)α吸收率β物料填充角(rad)γ料床倾角(rad)ε黑度ξ回转窑倾斜角(rad)η物料填充率θ物料休止角(rad)κ修正系数µ粘度[kg/(m·s)]ν运动粘度(m2/s)ρ密度(kg/m3)ω回转窑转速(r/s)σ玻耳兹曼常数[5.67×10-8W/(m2·K4)]上、下标0初始值ads吸附过程bin物料收入的ce→o回转窑外壁对环境的对流散热cg→s气体与料床表面之间的对流换热cg→w气体与未被覆盖的窑内壁表面之间对流换热cw→s物料与