回转式螺旋气固换热装置内传热过程的数值模拟.pdf

‘6 6 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 4 年第1 1 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 4 ．11 ．0 1 7 回转式螺旋气固换热装置内传热过程的数值模拟 王亭亭，周扬民，罗思义，仪垂杰 青岛理工大学机械工程学院，山东青岛2 6 6 5 2 5 摘要采用自制回转窑换热装置对离心粒化后的高温炉渣颗粒进行余热回收，采用有限元分析软件及欧 拉双流体模型对装置内气固两相流场进行数值模拟，研究进风风速及回转窑转速对气固换热效率的影 响，并通过现场试验对模拟结果进行验证。结果表明，当回转体转速为1 6r ／m i n 、进风风速4 ．3 1m ／s 时，颗粒的离散效果较好，热风温度达10 5 0K ，此时的换热效果最好，数值模拟与试验结果高度吻合。 关键词回转窑；气固两相流；欧拉双流体模型；数值模拟 中图分类号T F 3 5 1文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 1 1 一0 0 6 6 一0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fH e a tT r a n s f e ri nR o t a r vK i l n W A N GT i n g t i n g ，Z H O UY a n g m i n ，L U OS i y i ，Y IC h u i j i e S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r j n g ，Q j n g d a oT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s j t y ，Q i n g d a o2 6 6 5 2 5 ，S h a n d o n g ，C h j n a A b s t r a c t S e l f m a d er o t a r yh e a t t r a n s f e rd e v i c ew a sa p p l i e dt or e c o v e rw a s t eh e a to fh i g ht e m p e r a t u r e c e n t r i f u g a ls l a gp a r t i c l e s ．G a s s o l i dp h a s ef l o ww a ss i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n dE u l e r m o d e l ．T h ee f f e c t so fi n l e ta i rv e l o c i t ya n dr o t a t i n gv e l o c i t yo fr o t a r yk i l no nh e a t t r a n s f e rr a t ew e r e i n v e s t i g a t e d ． T h es i m u l a t e dr e s u l tw a sv e r i f i e db yf i e l dt e s t ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u mh e a t t r a n s f e ra n dd i s p e r s i n ge f f e c ta r eo b t a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o n si n c l u d i n gr o t a t o rv e l o c i t yo f1 6r ／m i na n d i n l e ta i rv e l o c i t yo f4 ．31m ／sw i t hh o ta i rt e m p e r a t u r eo f10 5 0K ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sh i g h l y c o i n c i d et oe x p e r i m e n t a ls t u d y ． K e yw o r d s r o t a r yk i l n ；g a s s o l i dp h a s ef l o w ；E u l e rt w o f l u i dm o d e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 回转窑在冶金、化工和机械工程等领域应用广 泛[ 1 4 ] 。自制回转窑换热装置是一种带有螺旋结构 的新型回转式换热装置。分析装置内复杂的气固两 相传热过程是了解和掌握装置内温度分布的重要途 径之一，利用有限元分析软件进行数值模拟是实现 上述目的的有效手段。 高炉渣余热回收利用行业中，采用水冲渣方法 不仅浪费了水资源，而且产生大量污染环境的有害 气体。本文使用新型螺旋回转式气固换热装置进行 余热回收，首先14 5 0 ℃高温熔渣在粒化器的作用 下制取不同粒径的高炉渣颗粒；然后将高炉渣颗粒 与冷却风按一定的质量／体积比由给料器和冷却风 机加入到螺旋回转式换热装置中，二者在换热器内 按照预先设定好的螺旋路线以对流方式流动，此时 冷却风与固体颗粒充分混合并进行热量交换。 近年来，国内外很多学者利用有限元分析软件 对回转窑内传热过程进行了一系列的分析研究[ s ‘6 ] 。 通过对回转窑内传热过程进行研究，掌握窑内固体 颗粒的运动规律，则有利于更好地了解窑内复杂的 颗粒浓度和温度分布及各操作参数对回转窑内传热 效率产生的影响，从而促进回转窑工业生产的技术 进步。本文分别通过数值模拟和试验研究换热装置 收稿日期2 0 1 4 一0 8 1 1 基金项目国家自然科学基金重点项目资助 5 0 9 3 4 0 1 0 、青岛市科技计划项目 1 3 1 4 1 7 5 一j c h ，K J Z D l 2 5 5 一j c h 作者简介王亭亭 1 9 8 9 一 ，女，山东济宁人，硕士研究生． 万方数据 2 0 1 4 年第1 1 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 。6 7 。 内气固换热的效率及系统中设备运行的最佳参数。 1数学物理模型及计算方法 1 ．1 物理模型 为了方便计算，将回转式螺旋换热装置模型分 为三段，中间段为回转体，两端为静止部分，冷却风 入口与换热后的低温颗粒的出口在同侧，热风出口 与高温颗粒的进口在同侧，回转窑内径o ．4m ，长度 3 ．2 7m ，利用g a i m b i t 建立如图1 所示的回转式螺 旋气固换热装置的三维模型。 执⋯H ‘ 低温 粒出 高温夥 粒出U 图1回转式螺旋气固换热装置三维模型 F i g ．1 3 DM o d e lo fr o t a r yk i l nh e a te x c h a n g e r 1 ．2 数学模型 根据回转体螺旋式气固换热装置内气固两相流 流动的实际情况，选择气相为第一相，固体颗粒相为 第二相。 两相间的能量传递[ 7 ] Q 。。一矗。。 T p L 1 其中，Q 。为传递热量，T p 为固相温度，T 。为气 相温度， 。； 一九。 是气固相间的热量传递系数，该 系数与流场N “。有关 。 等产 2 其中，a 。为气体体积分数，口，为固体体积分数， d 。为固体的含湿量，忌，是固相的热导率。 当空隙率为o ．3 5 ～1 ．o 、雷诺数为1 0 5 时，利用 G u n n 模型[ 8 ] 描述努赛尔数N “。 №。 7 1 0 ar 5 口} 1 O ．7 尺毒 ’2P r “3 1 ．3 3 2 ．4 口r 1 ．2 口； R e ’7P r “3 3 其中，a ，为摩擦阻力因数，＆，为雷诺数，P r 为 普朗特数。 1 ．3 模拟条件及数值计算方法 1 ．3 ．1 网格划分及边界条件 装置两端的静止部分主要是换热介质的进出通 道，中间旋转部分是颗粒温度分布的重点研究区域， 因此将网格i n t e r v a ls i z e 分别设置为2 ．5 、1 。 数值求解的边界条件高温颗粒温度12 7 3K ， 颗粒密度22 0 0k g ／m 3 ，颗粒直径1 ．5 ～2 ．5m m ，质 量流量1 ．7 2k g ／s ；冷却风人口温度3 0 0K 。采用非 稳态计算的方式进行模拟。 1 ．3 ．2 数值求解方法 文中采用非结构网格，以四面体单元为主，六面 体、锥形和楔形网格单元为辅。对于流体相采用控 制流量体积法计算，对于流体相速度与压力的耦合 采用s I M P L E 算法求解。 2 计算结果及分析 对模拟结果 图2 分析可知，转速为9r ／m i n 时 图2 a ，风速由2 ．1 3m ／s 增加到4 ．3 lm ／s 时，回 转体中部以下部分出现冷却风的沟流，颗粒被扬起， 风速继续增加到6 ．5 3m ／s 时，回转体的上部呈现明 显的颗粒聚集现象，底部颗粒分布较均匀，此时颗粒 达到较好的离散运动状态。转速为1 6r ／m i n 时 图 2 b ，风速由2 ．1 3m ／s 增加到4 ．3 1m ／s 时，回转体 的中部呈现较好的颗粒离散状态，颗粒与空气间能 量传递效果较好，继续增加风速到6 ．5 3m ／s 时，回 转体底部的集聚现象有明显增加的趋势。转速为 2 1r ／m i n 时 图2 c ，风速从2 ．1 3m ／s 继续增加到 6 ．5 3m ／s 时，颗粒在回转体内均可达到较好的离散 运动状态，但是随着风速的增加颗粒与气体间的能 量传递效果变差。 随着高炉渣不断加入，装置的进料端形成一个 高温区域，高温区域的尾翼向进风口延伸，随着进风 量的增加，在风力和颗粒的相互作用下，该高温区逐 渐向进渣口移动，其中回转体转速为1 6r ／m i n 、风速 为4 ．3 1m ／s 时装置内温度分布达到最理想的状态。 由图3 可以看出，一开始出风口的温度都急剧 上升，到达一定的温度后随着进风量的增加，装置内 的温度都有所下降。随着回转体内风量和高温颗粒 流量逐渐趋于稳定，第一、二组的出风口温度逐渐呈 现抛物线上升的趋势，最后温度趋于平稳，最高可达 11 0 0K 。第三组温度上升速度较平稳，比前两种工 况的温度稍低，原因是由于回转体的转速大，高温颗 粒在回转体内的存留时间较短，且风量较大，冷却空 气没有与高温炉渣颗粒进行充分的换热，就经过出 风口排除。因此温度稍低一些。由此可知第二组 的换热效率较高，已达到预期的效果。 3验证试验 试验地点在青钢集团4 8 高炉附近，试验台采用 实验室已有设备。试验原料采用熔融态高炉渣，首 先将熔融的高炉渣引人到高温炉及粒化器中进行粒 万方数据 6 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 4 年第1 1 期 化，然后将粒化的高炉渣导人到回转式换热装置中 进行试验。 由试验曲线图 图4 可知，回转体转速为1 6 r ／m i n 、风速为4 ．3 1m ／s 时，出口空气温度能在较短 时间内达到理想温度，并且在后续换热中温度上下 浮动不大。 图2 不同转速下一截面的温度分布 F i g ．2T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nac r 惦S - s e c t i o n a lu n d e rd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d 时问 图3出风口温度随时间的变化曲线 F i g ．3T e m p e r a t u r eo fa i rI u t l e tV st i m e l | 寸M 几 图4出风口的平均温度随时间的变化曲线 F i g ．4A V e r a g et e n I p e r a t u r eo fa i ro u t l e tV st i m e 空气在出渣口接触高温炉渣颗粒时，温度骤升， 此时传热效率较高。随着空气与高炉渣热交换不断 进行，空气温度逐渐升高，最后趋于稳定状态。比较 试验与模拟所得到的温度曲线，最高温度值基本一 致，在8 0 0 ～10 0 0K 范围内，得到的温度曲线的形 状也基本相似。两种数据结果的相似性充分验证了 数值模拟的精确性，同时说明了利用回转式气固换 热装置进行高炉渣余热的回收是可行的。 4结论 1 转速为9r ／m i n 、风速为6 ．5 3m ／s ；转速为1 6 r ／m i n 、风速为4 ．3 1m ／s ；转速为2 1r ／m i n 、风速为 2 ．1 3m ／s 时回转体中的颗粒离散效果最好，此时， 颗粒与换热介质之间的接触最均匀，换热效率最高。 2 转速为1 6r ／m i n 、风速为4 ．3 1m ／s 时，回转 体中的温度分布最佳，出风口的温度最高，此时的气 固换热效率最理想，利用回转式换热装置对高温颗 粒的余热回收是可行的，试验数据与数值模拟结果 一致。 参考文献 [ 1 ] 罗宗山．喷雾干燥塔在氧化铝回转窑烧结中的应用与数 值仿真研究口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 l 9 1 8 2 0 ． [ 2 ] 易正明．氧化铝回转窑熟料烧结过程影响参数研究[ J ] ． 有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 3 4 3 7 ． [ 3 ] 姚增远．回转窑处理高炉瓦斯泥的结圈机理分析[ J ] ．有 色．金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 5 5 4 5 6 ． 万方数据 2 0 1 4 年第1 1 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 6 9 [ 4 ] 陶高驰，肖峰，蒋伟．国内采用回转窑生产镍铁的实践 口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 8 5 1 5 4 ． [ 5 ] 邱夏陶，韩小良．回转窑传热数学模型及其优化[ J ] ．钢 铁，1 9 9 4 ，2 9 6 6 6 7 0 ． [ 6 ] 马爱纯，周孑民，李旺兴．氧化铝熟料窑喷射干燥段参数 的仿真优化[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 4 ，1 4 1 1 3 8 一1 4 1 ． [ 7 ] 艾元方，高胜斌，戴天红，等．流化床气固传热模型[ J ] ． 锅炉技术，1 9 9 8 ，2 9 4 1 2 1 6 ． [ 8 ] G u n nDJ ． T r a n s f e ro fH e a to rM a s st oP a r t i c l e si n F i x e da n dF l u i d i z e dB e d s [ J ] ．I n t ．J ．H e a tM a s sT r a n s f e r ，1 9 7 8 ，2 1 4 6 7 4 7 6 ． 上接第6 2 页 [ 6 ] 周安梁，谢永金．贵冶铜阳极泥处理工艺与扩能改造 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 0 1 1 1 4 ． [ 7 ] 孙文达．分银渣中贵金属的回收[ J ] ．铜业工程，2 0 0 8 1 3 5 3 6 ． [ 8 ] 陆凤英，魏庭贤，沈雅君，等．分银渣综合利用新工艺扩 大试验[ J ] ．云南冶金，2 0 0 1 ，3 0 3 2 8 3 0 ． [ 9 ] 陈白珍，李义兵，龚竹青，等．分银渣综合提取工艺研究 [ J ] ．中国稀土学报，2 0 0 4 ，2 2 增刊1 5 4 2 5 4 5 ． [ 1 0 ] 胡少华．阳极泥中金银等有价金属的回收[ J ] ．江西有 色金属，1 9 9 9 ，1 3 3 3 7 3 9 ． [ 1 1 ] 王超，蒋训雄，蒋伟，等．从铜阳极泥分银渣中回收铋 和锑[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 9 1 6 1 8 ． 上接第6 5 页 [ 5 ] 覃宝桂，唐谟堂．次品氧化锌吸收法处理低浓度二氧化 硫烟气的工业试验[ J ] ．中国有色冶金，2 0 0 9 ，3 8 1 5 4 5 6 ． [ 6 ] 杨超．锌冶炼挥发窑烟气硫锌资源回收技术的工业化应 用[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 1 1 3 1 5 ． [ 7 ] 杨超，杨领．低品位氧化锌烟气脱硫结垢试验研究[ J ] ． 有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 2 1 3 ． [ 8 ] 钟竹前，梅光贵．化学位图在湿法冶金和废水净化中的 应用[ M ] ．长沙中南工业大学出版社，1 9 8 6 2 1 1 2 2 4 ． r 。’9 p p p p 9 p p 9 p p p 、P p p p 、P p 9 p p p p 9 9 9 p p p p 9 9 p p p p ≈ ≈ 2现货供应 ≈ 2混合澄清槽离心萃取器 ’ ≈ 2请联系大连市沙河口区精华萃取设备设计研发中心 2法人代表叶春林 电话1 3 7 0 4 1 1 3 6 7 7 ／0 4 1 1 8 8 1 2 4 2 2 7 邮箱s h o p 8 8 8 8 8 9 2 0 s o h u ．c o m 2 更多信息请登录M 聊c u i q u s h e b e i c 。m 和m 删L - 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