回转窑温度分布的综合模型

回转窑温度分布的综合模型

水泥回转炉是干燥水泥生产的重要装置。回转炉中的热力过程质量直接影响到水泥原料的产量和质量。然而窑内热力过程是一个非常复杂的过程,且不容易测得。已有的研究主要是建立了窑内传热数学模型,具有局限性。综合考虑传热、煤粉燃烧、化学反应等支配因素,通过对模型的求解,掌握回转窑的温度分布规律,以期该模型可以作为工业应用中一个有用的指导工具,对回转窑的工艺过程进行优化。1热态分析回转窑内热力过程包括窑头煤粉的燃烧和窑内各种热量的传递,同时在回转窑不同段,物料还要发生各种化学反应,放出和吸收一定的热量。1.1s-coalqfnet模型煤粉燃烧主要在窑头进行,燃烧后变成高温烟气,燃烧过程中放热量可采用如下公式计算:Qi=˙mcoalQfnet(ci+1-ci)(1)Qi=m˙coalQfnet(ci+1−ci)(1)ci=exp(-3.912L2i2i/L2f2f)(2)对于火焰长度,射流属圆形紊流,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传热量的计算从传热形式和传热系数两方面阐述,对于窑内所有传热,传热量都可按Q=hAΔT求取。传热面积A容易求取,这里不再求取,关键是传热系数h的求取。1.2.1物料和炉壁的热辐射煤粉燃烧产生的高温烟气是回转窑内主要的热源,热量主要以对流和辐射的方式传给窑内壁和物料,窑内壁还以各种方式向物料传热,窑内壁通过导热的方式将热量传到筒体外表面,筒体外表面通过对流和辐射的方式向环境散发热量。回转窑内传热示意图如图1所示,图2为相对应的热网图(字母意义见文后符号说明)。1.2.2计算传热系数(1)覆窑壁与物料间的接触传热系数①物料的非稳态导热系数hc=√λsρscs/πτ(4)hc=λsρscs/πτ−−−−−−−−√(4)②覆盖窑壁与物料的接触传热系数hp=2λgRp[(δ+γRp+1)ln(Rpδ+γ+1)-1](5)hp=2λgRp[(δ+γRp+1)ln(Rpδ+γ+1)−1](5)则覆盖窑壁与物料之间的总传热系数hcw-cs=hc+hp(6)(2)re0.535dre0.4.3①对流传热系数烟气与物料的对流传热系数hcg-escg−es及烟气与敞开窑壁间的对流传热系数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辐射传热系数窑内辐射传热可简化为封闭腔内吸收性烟气与灰体表面间的辐射传热,根据辐射传热的网络模拟法(见图2),列节点的热平衡方程:(Eg-Jes)/R2+(Es-Jes)/R1+(Jew-Jes)/R3=0(9)(Eg-Jew)/R5+(Jes-Jew)/R3+(Eew-Jew)/R4=0(10)则辐射传热系数为: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)辐射传热系数计算窑壁外表面向周围环境的散热包括辐射传热和对流传热,总传热系数为两者之和,即:hc,rsh-a=hcsh-a+hrsh-a(14)①对流传热系数回转窑不断地旋转,对流传热属于强制对流传热,可用下式计算:hcsh-a=0.11λa[(0.5Re2W+Gr)Pr]0.35/Dsh(15)②辐射传热系数hrsh-a=σε(T4sh-T4a)/(Tsh-Ta)(16)(4)含水层/1w-shhc1w的导热传热系数回转窑筒体的导热模型如图3所示,将窑内的传热过程简化为稳态径向传热,其导热传热系数为:hc1ew-sh=1ln(Rw2/Rw1)λw+ln(Rf/Rw2)λf+ln(Rsh/Rf)λr⋅1Rsh(17)1.3水泥熟料的制备水泥熟料的形成过程,实际上是将石灰质、粘土质、硅质及铁质四种原料中的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等四种主要成分,通过研磨成细粉,在高温状态下煅烧,使之发生化学反应,形成C2S、C3S、C3A、C4AF等硅酸盐水泥熟料的过程。窑内反应带可分为分解带、过渡带、烧成带、冷却带四个带,各带长度比例大概是18:35:41:6,冷却带一般不发生化学反应,其它三个带内生料的化学反应如表1。窑内化学反应是一个非常复杂的过程,因此很难准确描述各带的反应,为了简化计算,设各带内化学反应速率均匀分布,则反应过程中物质吸(放)热:ΔQ=1000VswΔΗ3600Lz(18)2回转炉温度分布的计算模型的建立(1)烟气温度随时间的变化①所研究的过程视为准稳态,即当坐标系中空间点一定时,各种流率、温度都不随时间而变化。②在回转窑任意断面上烟气温度是均匀分布的。③窑筒体温度沿周向是均匀分布的。④黑度不随地点、时间和温度变化而变化。(2)氧化碳质量守恒方程图4为窑质量能量平衡微观图,分解带中碳酸钙分解生成的二氧化碳从物料中脱离进入烟气中,可得质量守恒方程(19)、(20)。Mg(i)+MCO2=Mg(i+1)(19)Ms(i+1)-MCO2=Ms(i)(20)(3)烟气和物料和窑筒体能量守恒方程窑内的高温烟气将热量传给物料和窑壁,自身能量减少;生料接收到由烟气和窑壁的传热,一方面不断提高自身温度,另一方面为自身的化学反应提供热量;窑壁接收到的热量一方面传给物料,另一方面向窑筒体外表面传去,高温的窑筒体外表面以对流和辐射的方式将热量释放到环境中去。如图4所示,列出烟气、物料和窑筒体能量守恒方程(21)～(23)。烟气能量平衡方程: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)窑筒体能量平衡方程:Qcg-ew+Qrg-ew=Qrew-es+Qcw-cs+Qcsh-a+Qrsh-a(23)综合式(19)～(23),即建立了包含传热、煤燃烧、化学反应等因素的回转窑温度分布的数学模型。3物料温度分布利用所建立的模型对巨龙公司某∅5.8×97m,产量3700t/d的回转窑进行温度分布模拟计算,计算出烟气、物料、窑内壁和窑筒体外表面温度分布,并对物料温度分布进行分析。3.1r/m休止角窑内径D=5.8m窑转速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回转窑模型计算根据建立的模型和参数,将该回转窑分成194个ΔZ=0.5m的微元控制体。以窑尾处控制体作为分析对象开始分析,窑尾处烟气温度和物料进口温度可由温度传感器测得,测得烟气出口温度为1050℃,物料进口温度为850℃,任务是求出该控制体窑内壁和筒体外表面温度,以及烟气进口端和物料出口端温度。所列能量平衡方程为二元非线性方程组,采用Newton迭代法求解此非线性方程组的解。采用MATLAB编程实现模拟整窑模拟计算。计算程序框图如图5所示。经过计算得到回转窑内烟气、物料、窑内壁和窑筒体外表面温度分布如图6所示。物料的受热情况直接决定水泥熟料的产量和质量,因此主要对物料进行分析。物料从窑尾至窑头大致经历分解带、过渡带、烧成带和冷却带4个过程。距窑头约97～60m是分解带,该区段物料的温度上升比较缓慢,物料从烟气、窑内壁吸收的热量主要用来提供碳酸钙热分解所需要的能量,因此物料温度上升较慢。距窑头约60～26m是过渡带,碳酸钙基本分解完全,物料发生一系列放热反应,放出热量被物料吸收。同时,烟气和窑内壁温度不断升高,辐射传热量急剧上升,物料吸热量大幅度增加。故该区段物料温度上升较快。距窑头约26～8m是烧成带,物料到达最高温度段,这一带的平均温度在1300℃左右,是形成C3S的最佳温度,而C3S又是水泥熟料最重要的成分。同时,大部分煤粉在此区域燃烧,放出大量的热,保证了反应所需的高温环境。烧成带的温度和长度直接影响熟料的产量和质量。距窑头约8～0m是冷却带,熟料温度高于烟气温度,热量由熟料传给烟气,使烟气温度升高,熟料温度降低,从而对出窑熟料起到冷却作用。由喷煤燃烧器喷入煤粉经二次风预热后,使得煤粉温度快速升高,距窑头约2.5m处煤粉升到600℃左右,达到煤的燃点,煤开始燃烧;在距窑头约24m处烟气温度达到最高值1600℃左右。3.3回转窑外表面温度在水泥实际生产过程中,回转窑内部温度不易测量而只能测量筒体外表面温度。外表面温度通常通过红外测温扫描仪测量,测量数据经预处理后送入计算机处理和分析,再以数据和图形画面的形式显示出来。巨龙公司该窑在正常运行,物料流量为245t/h、过量空气系数为1.1、喂煤量为12t/h、窑转速为1.68r/min时,窑筒体外表面实测温度分布:回转窑筒体外表面最低温度在距窑头22m处为130℃,最高温度距窑头32m处为350℃,距离窑头71～97m筒体外表面温度基本保持在200℃。从图6中可看出,通过计算所得窑筒体外表面最低温度在距离窑头21m处为150℃,最高温度在距离窑头30m处为360℃,距离窑头71～97m筒体外表面温度基本保持在200℃。对比回转窑外表面温度分布,两者有较好的一致性,表明了所建立的数学模型和求解方法的基本正确性。水泥实际生产过程中,回转窑内部温度难于测得,该计算方法提供了一种根据窑筒体外表面温度分布间接探知回转窑内部温度分布的方法。4密度ci(1)将煤粉燃烧和窑内化学反应加入到温度分布计算模型中去,完善了现有的计算模型,提高了精度,使窑内温度分布更符合实际情况。(2)通过编程求解得出回转窑物料温度分布曲线。(3)可以利用该模型对回转窑内的温度场进行分析,提高水泥熟料的产量和质量。(4)今后的目标是研究回转窑不同位置化学反应的类型、反应速度及窑内挂窑皮情况以优化温度计算模型。符号说明Qi为i区域煤粉燃烧的放热量;˙mcoal为单位时间喂煤量;Qfnet为煤粉的低位发热量;ci+1,ci为进入和离开i区域时的煤粉浓度(对燃料入口区域,ci=1);Li为区域i处火焰距喷嘴距离;Lf为火焰长度;d0为燃烧器当量直径;AF*,AF为空气-燃料质量比;ρe为烟气密度;ρcp为燃烧产物密度;ρF为燃料密度;ρpa为一次风密度;ρsa为二次风密度;mF为燃料流量;mpa为一次风流量;GF为燃料流量加速度;Gpa为一次风流量加速度;Rp为颗粒直径;δ为表面粗糙度;γ为气体分子平均自由程修正值;ReD为窑轴向雷诺数;ReW周向雷诺数;De为窑内当量直径;χwg=1为敞开窑壁对烟气的角系数;χsg=1为料对烟气的角系数;Xws=As/Aw为敞开窑壁对物料的辐射角系数;Vs为各带物料流量;w为反应物(生成物)质量百分含量;ΔH为物质反应热;Lz为反应带长度;λf为耐火材料导热系数;λr为筒体导热系数;λw为窑皮导热系数;Rw1为窑皮