氧化铝回转窑内外风比例的数值模拟及优化.pdf

2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 2 ．0 0 7 氧化铝回转窑内外风比例的数值模拟及优化 易正明，杜炳旭，曾壮壮，肖慧，陶倩 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，武汉4 3 0 0 8 1 摘要应用F L U E N T 软件对0 4 ．5m 9 0m 的氧化铝回转窑内的煤粉燃烧、流动、传热等过程进行数值 模拟。通过改变内外风比例，得到相应条件下的温度与速度分布，并进行比较和分析。结果表明，内外 风比例为0 ．6 和0 ．8 时，温度分布均匀且基本一致，火焰有效区间长度达到8 ．6m 以上，最高温度约 20 3 0K ，满足熟料烧成要求，实际生产中可在0 ．6 ～0 ．8 附近调节内外风比例；轴向速度随外风量的减 小而减小，径向速度随内外风速差的减小而减小。 关键词氧化铝回转窑；内外风比例；温度分布；轴向速度 中图分类号T F 8 2 1 ；T F 8 0 6 ．1 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 6 0 2 0 0 2 8 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no fR a t i o sb e t w e e nI n t e r n a la n d E x t e r n a lA i rV o l u m eo fA l u m i n aR o t a r yK i l n Y IZ h e n g m i n g ，D Ub i n g X U ，Z E N GZ h u a n g z h u a n g ，X I A Oh u i ，T A Oq i a n K e yL a b o r a t o r yf o rF e r r o u sM e t a l l u r g ya n dR e s o u r c e sU t i l i z a t i o no fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t P u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o n ，f l o w ，a n dh e a t t r a n s f e ri n0 4 ．5m 9 0ma l u m i n ar o t a r yk i l nw e r e s i m u l a t e dw i t hF L U E N Ts o f t ．T e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw e r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tr a t i o s b e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a la i rv o l u m e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t hr a t i os e tt o0 ．6a n d0 ．8 ，t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ns h o w sb e t t e rc o n f o r m a n c e ．T h ee f f e c t i v el e n g t ho ff l a m ec a nr e a c hu pt o8 ．6mo ra b o v e ，a n d t e m p e r a t u r ec a nr e a c ha sh i g ha s20 3 0K ，w h i c ha c c o r dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fc l i n k e rb u r n i n g ．T h e r a t i oc a nb ea d ju s t e dw i t h i n0 ．6 0 ．8 i np r a c t i c ep r o d u c t i o n ．A x i a lv e l o c i t yw i l ld r o pw i t hd e c r e a s eo f e x t e r n a la i rv o l u m e ，a n dr a d i a lv e l o c i t yw i l lg od o w nw i t ht h ed e c r e a s eo fs p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r n a l a n de x t e r n a la i rv o l u m e ． K e yw o r d s a l u m i n ar o t a r yk i l n ；r a t i ob e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a la i rv o l u m e ；t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ； a x i a lv e l o c i t y 熟料烧结是烧结法生产氧化铝的关键工序，回 转窑是熟料烧成的主要设备，其内部传热与流动过 程非常复杂，窑内流场与温度场变化受诸多因素的 影响[ 1 屯] 。研究表明，内外风比例直接影响氧化铝回 转窑内燃烧、流动与传热，进而影响熟料产量与质 量。实际生产中，合理选取内外风比例是发挥燃烧 器优越性能的关键，常用以调节火焰形状、位置与长 度，改善燃烧条件。L o c k w o o d 等[ 3 1 应用肛￡模型预 测了煤粉燃烧时的火焰特征，并通过试验进行验证， 对模型计算的经济性、稳定性、收敛性和燃烧应用结 果的可靠性进行了分析。马爱纯[ 4 1 研究了冷态流场 中内外风量比对内外回流区的影响，揭示了其主要 收稿日期2 0 1 5 0 9 1 0 基金项目国家大学生创新计划项目 2 0 1 3 1 0 4 8 8 0 0 7 ；湖北省教育厅科学技术研究项目 B 2 0 1 4 0 8 8 作者简介易正明 1 9 7 3 一 ，男，湖北监利人，博士，副教授． 万方数据 2 0 1 6 年第2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 9 取决于内外风与邻近风形成的速差，速差变大则回 流区变长、变大，并在冷态研究的基础上进行热态研 究，对不同内外风量比时窑内温度分布进行比较，优 化操作参数。秦中华[ 5 3 通过数值模拟预测了窑内速 度场与内外回流区的分布，通过改变轴流风速和旋 流风速研究其对火焰形状、温度分布与N O ，生成量 的影响。尹洪超等[ 6 1 对回转窑内气固两相流动特性 及颗粒运动轨迹进行了研究，并通过单相冷模试验 进行了验证。 本文运用F L U E N T 软件，通过建立氧化铝回 转窑数学模型，并考虑窑内燃料燃烧、流动与传热 等，对不同内外风比例进行数值模拟，分析内外风比 例对窑内温度分布、速度分布的影响，优化氧化铝回 转窑操作参数。 1 数学模型 通过F l u e n t 软件对氧化铝回转窑的传热过程 进行数值计算，气体空间的数学模型由连续、动量、 能量和组分方程以及附加的湍流、燃烧、辐射传热模 型构成。考虑燃烧带内衬及窑皮的厚度，窑有效内 径取3 ．5m ，计算选取窑长2 0m ，包括窑头开始至 烧成带结束区域，计算区域示意图如图1 所示[ 7 ] 。 采用结构网格与非结构网格的混合网格对氧化铝回 转窑实体模型进行网格划分。将回转窑分成两段， 燃烧器由于结构复杂，包括燃烧器在内的窑头用非 结构网格，另一部分采用结构化网格。 图1燃烧器出口截面和计算区域示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc r o s s - s e c t i o n a la n dc a l c u l a t i o nr e g i o no fb u r n e ro u t l e t 1 ．1 湍流流动模型 氧化铝回转窑内的流动是一种典型的带化学反 应的气固两相湍流流动，由于燃烧器的强旋流、大速 差的作用，使得回转窑内出现回流现象，考虑到肛e 模型在工程中对处理旋流的可靠性与实用性，采用 非直接数值模拟下的知e 双方程湍流模型，标准肛￡ 模型忽略分子之间的黏性，假定流场完全是湍流[ 8 ] ， 方程形式如下 掣 掣一爿 卢 尝 差] G a f a z 。a z ，l ＼’。盯 ／a z ，l ’一2 ’ G 6 一压一y M S 女 1 掣 掣一科3 卢 等 考] a ￡ a z ，a z i 】＼7 。。盯。／a z ，l ’ C 1 ek G k C 3 , G 6 一c 2 e l D ；se 2 其中p 1 0 C ，生 3 式中，G 。和G 。分别为层流速度梯度和浮力产出 的湍流动能；Y M 为脉动占总耗散率的比例；C 。。、 C 孙C 。。均为常量；巩和d 。分别代表是方程以及e 方程 的普朗特数，S 。与S 。为用户自定义源项，湍流黏度 C 。为常量，C 1 。一1 ．4 4 ，C 2 。一1 ．9 2 ，C 。一0 ．0 9 ，瓯一 0 ．0 9 ，d 女一1 ，仉一1 ．3 。 1 ．2 计算模型 对于煤粉颗粒的运动采用随机颗粒轨道模型， 煤粉颗粒只考虑气体阻力和重力作用，煤粉的流动 用离散相模型来模拟。采用两步竞争反应模型模拟 煤粉燃烧时挥发分的析出及燃烧，采用动力一扩散 模型模拟焦炭燃烧过程，认为表面反应速率同时受 到扩散过程和反应动力学的影响。煤粉的气相燃烧 模型采用非预混燃烧，通过混合分数方程描述氧化 铝回转窑内的煤粉燃烧过程中的输运现象。为求解 固体颗粒和气体间的辐射传热[ 9 ] ，本文采用P 一1 辐 射模型来模拟回转窑内煤粉燃烧的辐射传热过程。 1 ．3 边界条件与简化 氧化铝回转窑熟料烧结是包括气固相湍流，燃 料燃烧与流动，物料反应与燃烧的复杂过程，本文主 要研究气体流动、煤粉燃烧与流动以及传热，因此， 对窑内传输过程进行合理的抽象简化，并做出如下 假设 1 忽略窑体自身旋转； 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第2 期 2 忽略物料反应和物料运动对窑内传热及温度 场的影响； 3 忽略窑沿轴长方向直径变化，视各截面直径 一致。 对于颗粒相 即煤粉 的入口条件，颗粒直径分 布遵循R o s i n - R a m m l e r 分布。壁面边界条件取无 滑移且无湍流运动条件，沿流动方向采用合适于高 雷诺数的壁面函数法处理口0 | 。窑末端出口端面设 置压力出口边界条件，压力设为一7 0P a ，网格过渡 端面采用i n t e r f a c e 边界条件。通过现场测试确定 一次风和二次风的风速、人窑温度确定各个风道人 口边界条件，中心风与外风流动为可压缩流动，因此 用质量进口边界条件，其余风道采用速度进口边界 条件。人口水力直径D 根据如下公式计算 D 4 A ／L 其中，A 为出口的有效面积，L 为入口或出口的 流动润湿周长。 氧化铝回转窑边界条件参数如表1 所示。 表1氧化铝回转窑边界条件参数 T a b l e1 B o u n d a r yc o n d i t i o np a r a m e t e r so f a l u m i n ar o t a r yk i l n 1 ．4 燃料特性 数值模拟所用烟煤工业分析结果 ％ 固定碳 6 4 ．2 3 1 、挥发分2 1 ．0 6 9 、水分3 ．0 、灰分1 1 ．7 ，元素 分析结果 ％ C7 0 ．8 、H4 ．5 、O7 ．1 、N0 ．7 、S2 ．2 ， 发热值2 78 0 0k J ／k g 。 2 计算结果与分析 内旋流风产生的旋转气流能加快煤粉与气流的 径向扰动，并与高速中心风形成速差射流，从而形成 中心回流区。外风通过较大风速与高温二次风形成 大速差射流，卷吸高温二次风，实现煤粉的着火并促 进煤粉燃烧[ 1 。因此，内外风比例对窑内湍流场具 有重要作用，同时影响窑内温度分布、速度分布、燃 料燃烧与流动。 计算工况如表2 所示，中心风速和煤风速度保 持不变，煤粉平均粒径为8 0 ”m ，旋流角为1 5 。，窑头 过剩空气系数为1 ．2 ，以此为基础，通过改变不同内 外风速度，实现不同内外风比例调节，具体参数如表 2 所示。 表2 计算工况 T a b l e2S i m u l a t e dc o n d i t i o n s 2 ．1 内外风比例对温度分布的影响 不同内外风比例I ／R 时窑内轴线温度分布曲 线如图2 所示。 a O ～2m ； b 2 ～2 0m 图2内外风比例对窑内温度场的影响 F i g ．2 E f f e c to fr a t i ob e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a la i rv o l u m eo nt e m p e r a t u r ef i e l do fk i l n 由图2 a 可知，随着内外风比例增大，窑头2r f l 范围内中心轴线上温度降低，烧成带后移，这是由于 万方数据 2 0 1 6 年第2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 1 外风量的减小，减弱了燃烧器出口外风对高温二次 风的卷吸能力，延长了高温二次风对外风的热量传 递时间。当内外风比例为0 ．4 和1 ．2 时，距窑头 1 ．4m 范围内，中心轴线上温度呈直线上升趋势，而 内外风比例为0 ．6 和0 ．8 时，烟气则是先经历一段 恒温区域后上升，有利于保护窑头与燃烧器，延长使 用寿命，说明内外风比例过大或过小，都不利于窑头 温度的控制。 由图2 b 可知，当内外风比例为I ／R 0 ．4 时，温 度分布曲线呈单峰状，温度分布不均与，在距离窑头 2 ．1m 处窑内火焰温度达到最高温度21 6 7K ，按烧 成带窑气温度18 0 0K 算，熟料煅烧温度有效区间 长度为6 ．5m 。随着内外风比例增大，轴线最高温 度降低且向窑尾移动，内外风比例为0 ．6 、0 ．8 、1 ．2 时，中心轴线最高温度分别为20 3 1 、2 0 2 9 、19 9 9 K ，较内外风比例为0 ．4 工况时分别下降1 3 6 、1 3 8 、 1 6 8K ；同时有效区间长度分别为8 ．6 、8 ．8 5 、8 ．3 5 m ，较内外风比例为0 ．4 工况时分别增大2 ．1 、2 ．3 5 、 1 ．8 5m 。根据现场生产经验，当内外风比例为0 ．4 时，虽然达到氧化铝熟料烧成要求温度，但温度分布 不均匀，最高温度范围小，不利于熟料烧成和煤粉燃 ＼ 妇b I h k 长6 ’1 。．_ 十1 1 - 尽，容易造成较大的机械损失和化学不完全燃烧热 损失，这是由于内旋流风所占比例小，径向气流和煤 粉的混合强度较弱，煤粉的着火主要靠外风卷吸高 温二次风。当内外风比例I ／R 0 ．6 时，火焰高温 维持范围变宽，熟料煅烧温度有效区间长度为8 ．8 5 m ，温度分布均匀有利于熟料烧成，窑内温度分布能 适应窑头冷却带、燃烧带的温度要求，保证了熟料的 质量。当I ／R 一0 ．8 时，中心轴线上温度分布曲线 与I ／R 0 ．6 时基本吻合，此时旋流内风速度增加 2 5m ／s ，而高速外风仅降低9m ／s ，说明继续增强旋 流程度，对改善煤粉与气流的流动与燃烧作用较小。 当I ／R 1 ．2 时，轴线温度大大降低且最高温度向 窑尾移动，此时熟料烧成温度有效区间长度减小，最 高温度在距窑头5 ．6m 处，这是径向扰动过于强烈 所致，此时旋流的影响远远大于卷吸作用，煤粉点火 时间延长，使得火焰温度变低，燃烧带后移，冷却带 延长，易造成熟料“欠烧”。 2 ．2 内外风比例对轴向速度分布的影响 图3 为沿窑长方向不同范围内的各内外风比例 条件下的轴向速度分布曲线。 a 0 ～4m ； b 4 ～2 0m 图3内外风比例对轴向速度分布的影响 F i g ．3 E f f e c to fr a t i ob e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a la i rv o l u m eo na x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 如图3 所示，内外风比例对轴向速度的影响主 要体现在窑头8m 范围内。随着内外风比例的增 大，轴向速度衰减逐渐变慢，分布曲线更平缓。理论 分析认为，内外风比例增大，外风速度减小，外风与 相邻的二次风速度差减小，动量交换减弱。由图3 a 可知，燃烧器出口区域，距窑头0 ．5m 处速度最高， 随后速度骤减，具有很大的速度梯度。这是由于此 时气流由燃烧器进入回转窑，体积突扩，内旋流风带 动其他直流风和二次风一起旋转，角动量不断减小， 同时一次风开始卷吸大量二次风且伴随回流现象， 使一、二次风不断进行动量交换，有助于煤的燃烧和 燃尽。在窑头0 ．7m 以后，随着内外风比例的增 大，轴线轴向速度减小，这是由于随着内外风比例增 大，内风增大，外风减小，而外风是影响轴向速度分 布的主要原因，当内外风比例由0 ．4 增加到0 ．6 时， 内风增加1 5m ／s ，外风减小6 1m ／s ，外风减小幅度 较大。当内外风比例继续由0 ．6 增加到0 ．8 时，轴 线轴向速度分布曲线基本吻合，此时内风增加2 5 m ／s ，外风仅减小9m ／s ，对轴向速度影响可忽略，验 证了外风是影响轴向速度分布的主导因素，外风速 忸，，●一 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L ∞ ∞ 舳 踟 ∞ 2 l 1 一。∽．ⅢJ、越幽量铎 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第2 期 度增大，则轴向速度增大。如图3 b ，沿窑长8m 以 后不同内外风比例情况下的轴向速度基本吻合，这 是由于随着煤的燃烧与燃尽，与一、二次风动量传递 完成，大约在1 0m 后轴向速度就降低到4 0m ／s 以 下，湍流强度逐渐减弱。 图4 为不同内外风比例沿窑长方向最高温度截 面处的径向气体速度分布曲线。 径问‘≯标／m 图4 最高温度截面径向上速度分布 F i g ．4 R a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h e m a x i m u mt e m p e r a t u r ec r o s s - s e c t i o n 从图4 可见，沿径向各处气体速度呈单峰形状 分布，即以中心为对称的弧形分布。随着内外风比 例的增大，最高温度截面径向气体速度减小。理论 分析认为，内外风比例增大，导致内外风速差逐渐减 小，所形成的速差射流强度减弱，且对二次风的卷吸 能力降低，内外风比例的增大减弱了回流效果，造成 径向气体速度的减弱。当内外风比例I ／R 一1 ．2 时，内、外风形成的速差强度最弱，导致径向气体速 度最小。 3结论 1 试验条件下，内外风量的比值在0 ．6 ～o ．8 时 温度分布比较理想，高温有效区间长度达到8 ．6m 以上，煤粉燃烧效率高，有利于强化生产，提高熟料 产量与质量。 2 外风是影响轴向速度分布的主要因素，随着 内外风比例增大，轴向速度减小。当内外风比例由 0 ．6 增至0 ．8 时，内风增加2 5m ／s ，外风减小9m ／ S ，外风减小幅度较小，对轴向速度影响可忽略，轴向 速度分布曲线基本吻合；内风的增加虽然可增大旋 流强度，但窑内温度分布基本一致，继续增大内外风 比例对改善气流与煤粉的流动与燃烧作用较小。 3 轴向速度主要受外风影响，径向速度则由内、 外风形成的速差射流共同决定，内外风形成的速差 越大，径向速度越大，内外风比例增大时，内外风形 成的速差射流减小，径向速度减小。 参考文献 [ 1 ] 易正明，宋佳霖，马光柏，等．氧化铝回转窑熟料烧结过 程影响参数研究E J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 3 4 3 7 ． E 2 ] 易正明，杜炳旭，曾壮壮，等．氧化铝回转窑内物料流动 与传热数值模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 1 0 2 7 3 1 ． r 3 ] L O C K W 0 0 DFC ，M A H M U DT ，Y e h i aMA ． S i m u l a t i o no fp u l v e r i z e dc o a lt e s tf u r n a c ep e r f o r m a n c e E J ] ．F u e l ，1 9 9 8 ，7 7 1 2 1 3 2 9 1 3 3 7 ． [ 4 ] 马爱纯．熟料窑内流动、传热和煤粉燃烧的数值模拟和 优化研究E D ] ．长沙中南大学，2 0 0 7 ． [ 5 ] 秦中华．水泥回转窑四通道燃烧器N O x 生成与控制的 数值模拟I - 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