朱玲利，智西湖，喬 斌

（1.洛陽師范學(xué)院，洛陽 471000；2.礦山重型裝備國家重點實驗室（中信重工機械股份有限公司），洛陽 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α鲹Q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。

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)的理論計算

為了計算出預(yù)分解爐預(yù)熱高度和石灰石的停留時間，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)和堆積石灰石的對流換熱系數(shù)h是隨著煙氣流動不斷變化的，因此需要求解出整個預(yù)分解爐內(nèi)對流換熱的平均值。

對流換熱系數(shù)[4]：

目前學(xué)者[5]對爐體內(nèi)堆積石灰石與煙氣流動的數(shù)求解，簡化為煙氣徑向流過單根圓柱體的模型，然后利用丘吉爾和朋斯登推薦的試驗關(guān)聯(lián)式。但是把爐內(nèi)堆積石灰石簡化成單根圓柱體的模型計算數(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)。該計算模型顯然更為接近預(yù)分解爐工作的實際情況。

煙氣流動的雷諾數(shù)[8]：

石灰石堆積床對流換熱的特征長度[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)）

通過式（1）～式（4）計算得：

2.1.2 預(yù)分解爐的預(yù)熱高度和石灰石停留時間

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)分解爐的流動速度：約4.44×10-4m/s計算，石灰石在預(yù)分解爐內(nèi)停留時間約為3.725小時。

2.2 模擬煅燒石灰石試驗研究

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家重點實驗室——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 試驗預(yù)分解爐系統(tǒng)

2.2.1 試驗參數(shù)設(shè)定

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

表4 試驗參數(shù)

2.2.2 試驗結(jié)果處理及結(jié)論

石灰石在試驗預(yù)分解爐內(nèi)經(jīng)3.725小時的預(yù)熱和分解后，通過取樣孔取出兩組試樣，不經(jīng)過冷卻直接稱重后，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。

將兩組試樣試驗的數(shù)據(jù)分別記錄并計算如表5所示。

表5 試驗結(jié)果

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

在石灰石模擬試驗中，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，通過調(diào)整回轉(zhuǎn)窯規(guī)格和燃料分配整個系統(tǒng)的熱耗大幅降低。

表6 熱耗的理論計算結(jié)果

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

理論計算和試驗得到了預(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，通過三維設(shè)計軟件Inventor設(shè)計出了預(yù)分解爐的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示（去掉頂部料倉）。

圖3 預(yù)分解爐倉體的三維模型

新的預(yù)分解爐結(jié)構(gòu)實際換熱效果如何，是否能夠最佳達(dá)到理想換熱效果，在理論計算和試驗都無法驗證。利用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬增逐步成為了解流體機械內(nèi)部流動狀況的重要手段[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模擬，包括射流和混合自動流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動等[13]。在綜合考慮穩(wěn)定性、計算精度以及實際需要的前提下，選用Realizable k-ε模型分析預(yù)分解爐內(nèi)部煙氣流場。分析采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)實際設(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)分解爐單個倉體內(nèi)煙氣流線場如圖4所示。

圖4 預(yù)分解爐煙氣流線場圖

從圖4可以看出，煙氣在預(yù)分解爐內(nèi)靠邊流動的“邊壁效應(yīng)”非常明顯，圖示右側(cè)基本上沒有煙氣流過，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)分解倉后有一個向前俯沖的趨勢，為此在煙氣俯沖處設(shè)計一個內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，這樣煙氣就被均勻散射到整個預(yù)分解爐倉中。經(jīng)過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)分解爐煙氣流線場如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后預(yù)分解爐煙氣流線場

從圖5可以看出，煙氣在預(yù)分解爐內(nèi)流動均勻性和圖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

[1] 初建民,高士林.冶金石灰生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社2009:1-2.

[2] 魯俊.日產(chǎn)1000噸活性石灰熱工計算書[R].洛陽:洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,2004:11-12.

[3] 王雅娟.活性石灰傳熱基礎(chǔ)理論研究[R].洛陽:洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,2009:5-6.

[4] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2009:211-214,6-8.

[5] 廖志明.豎式預(yù)熱器和冷卻器熱流場分析[D].河南科技大學(xué).2010:20-22.

[6] Colburn A P. A method of correlating forced convection heat transfer data and comparison with fluid friction[J].Trans AIChE,1933,29:174-180.

[7] 朱玲利,喬斌,等.活性石灰預(yù)熱器對流換熱的計算[J].冶金設(shè)備.2012,200(6):6-8.

[8] 弗蘭克,P. 英克魯佩勒,等.傳熱和傳質(zhì)基本原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2009:284.

[9] 金涌,祝京旭,等主編.流態(tài)化工程原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001:317-318.

[10] J.貝爾.多孔介質(zhì)流體力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1983:36.

[11] 喬斌.高預(yù)分解率預(yù)分解爐活性石灰回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的研發(fā)[R].洛陽:洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,2012:3-10.

[12] 王濤,陳慶光,等.基于數(shù)值模擬的對旋風(fēng)機功率匹配研究[J].機械設(shè)計與制造.2010,(3):207-208.

[13] Shih T H et al.A New k-εEddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows [J].Computer Fluids,1995,24(3):227-238.

[14] 江帆,黃鵬.Fluent高級應(yīng)用與實例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社2008:35-41.