氧化铝回转窑喷雾干燥塔的数值仿真.pdf

1 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 1 年9 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．缸s I L1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 11 ．0 9 ．0 0 S 氧化铝回转窑喷雾干燥塔的数值仿真 罗宗山 长沙有色冶金设计研究院，长沙4 1 0 0 1 1 摘要建立了氧化铝回转窑喷雾干燥塔的3 D 数值模型，应用C F D 商业软件F l u e n t 对其进行仿真计算。分 析了塔内部温度、速度的分布及颗粒运动轨道与干燥速率。结果表明，干燥塔温度和速度分布较为合理， 干燥带集中发生在中上部；塔内液滴的干燥速度较快，干燥塔的设计能够满足工艺的要求。实际工业应用 表明，该工艺不但能降低建筑成本，也能够节约回转窑能耗。 关键词氧化铝l 回转窑l 喷雾干燥；烧结；F l u e n t 数值仿真 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 9 0 0 1 8 - 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fS p r a yD r y e rT o w e ri nA l u m i n a R o t a r yK i l nS i n t e r i n g L U OZ o n g - s h a n C h a n g s h aE n g i n e e r i n ga n dR e s e a r c hI n s t i t u t eo fN o n f e r r o u sM e t a l l u r g y ，c l 脚 l g s h4 1 0 0 1 1 ，C h i n a A b s t r a c t A3 一d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo fs p r a yd r y e rt o w e rw a sb u i l tw i t ht h eu s eo ft h eC F Dp a c k a g eF l u e n t ． T h ed i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y ，p a r t i c l e st r a c k sa n dd m n gs p e e di n s i d et h et o w e rw e r ea n a l y z e d ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l d si n s i d et h et o w e ra r ea p p l i c a b l e ，a n dt h em a i n d r y i n ga r e ai so nt h et o po ft h et o w e rw h e r et h ed r y i n gs p e e do fl i q u i dd r o p l e ti sv e r yf a s t ．I n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s s h o wt h a tt h i st e c h n o l o g yc a nr e d u c et h ec o n s t r u c t i o nc o s to fr o t a r yk i I na n de n e r g yc o n s u m p t i o n ． K e yw o r d s A l u m i n a ；R o t a r yk i l n ；S p r a yd r y e r ；S i n t e r i n g ；F l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 烧结法和烧结一拜尔混联法常采用的设备是回 转窑，投资占车间很大比例。目前的回转窑工艺会带 来一些问题当回转窑内热交换不完全时，处理湿生 料的热效率低；当气流与物料间的热交换不完全时， 物料在窑内停留时间会变长，从而导致窑身要变长， 窑的单位产能较低，而进一步加大窑的尺寸和功率不 但会增加设备投资，能耗相应会变大，而且未必能取 到很好作用[ 1 { ] 。 窑外喷雾干燥烧结工艺改变了回转窑的加料方 式睁引，通过使用圆盘给料机来实现回转窑的加料，取 代了传统回转窑的生料浆喷雾加料方式。如此可将 回转窑中的物料喷雾干燥带省去，只将干燥颗粒经过 预热便可进行烧结，可以避免喷雾干燥的一些弊端， 缩短回转窑的长度，减少回转窑辐射散热，并能充分 利用尾气中的热量。其主要流程如图1 所示。 本文对一种氧化铝熟料回转窑窑外喷雾干燥工 艺流程中的关键设备一干燥塔建立数学模型，并应用 F l u e n t 商业软件进行仿真计算，分析了温度、速度及 颗粒轨迹的分布。 1 干燥塔仿真模型 1 ．1 物理模型 在窑外喷雾烧结法中，干燥塔的作用是将料浆干 燥成细小颗粒。氧化铝料浆在常温条件下，以1 ．5 ～ 2 ．0M P a 的压力经过喷嘴并雾化成细小液滴，液滴再 以高速进人干燥塔中，在干燥塔顶部，热空气 4 0 0 ℃ 基金项目国家自然科学基金重点项目 6 0 6 3 4 0 2 0 l 国家自然科学基金面上项目 5 0 8 7 4 0 2 0 作者筒介罗宗1 1 1 1 9 7 8 - ，男．工程筹． 万方数据 有色金属 冶炼部分 f h 一 壤 苎堕堂 图1 回转窑窑外喷雾干燥烧结工艺流程 F i 昏1 F l o w c h a r to fp r o p o s e dr o t a r y l ‘i l I ls i n t e r i n g 左右 以1 6m ／s 左右的速度进人干燥塔，二者在干燥 中相遇．液滴经高温气体的加热，水分被蒸发，设干燥 的固态颗粒由干燥塔底部排出，其物理原理如| 冬I2 所 示。 干燥塔的物理模型基本参数为t 燥塔高度 1 6 ．61 T I ；下燥塔直径8m l 热空气入u 直径2m ；废气 出口直径1 ．2 5 m ；固体出I C l 尺寸0 ．5m 。 在应用F l u e n t 进行仿真前，须针对实际的物理 模型建立几何模型，本文应用G a m b i t 软件建妒的T 二 燥塔的3 D 几何模型并进行网格划分，最终的非结构 捌网格包含8 64 2 6 个节点，4 7 88 6 7 个单元．9 4 43 9 5 个面 1 冬| 3 。 图2 喷雾干燥塔原理图 l 恤2P r i n c i p l es c h e m a t i co fs p r a yd r y i n gt o w e r 1 ．2 数学求解模型 f 燥塔内7e 体和液滴的流动过秘 辑 制打槲1 1 re h 维连续性 张、离敞啊| 控制办稚和液滴轨迹h 样 图3 喷雾干燥塔网格图 F i g ．3 G r i dc h a r to fs p r a yd r y i n gt o w e r 构成”“。 1 ．3 模型求解 在{ 维E u l e r 坐标系下采用标准k 一￡双方程模 型求解动量、能缱方程；在L a g r a n g e 坐标系下采用 F l u n e t 软件中的D P M 模型和随机轨道理论追踪喷 雾液滴的运动；聚』HP S I “ P a r t i c l eS o u r c ei nC e l l 算法耦合计算连续卡| H 燥’￡体和离散牛l I 喷雾液滴问 动量、能缝和组分；蓐分方程的求解采川S I M P I ．E C 算法。 本文的流场研究做如F 假设1 忽略任何形式 的外界扰动，整个喷雾r 燥塔蹙均匀绝热，对流热交 换仪在烟气与氧化铝料浆液滴之间进行；2 气流流 动过程巾，忽略粘性力及雨力的影响；3 流体为不可 压缩流；4 氧化铝料浆液滴在喷嘴出处浓度分布 均匀，忽略液滴之问的相Ⅱ摩擦和碰撞；5 氧化铝料 浆液滴碰壁即贴壁流下，不再对2 t 棚造成影响。 2干燥塔仿真结果及讨论 奉文在应用F I u e n t 求解时，采用控制容积法求 解秤控制 ‘程，程序枉每次总迭代中会对每个自由 度进} i 收敛测髓。能馈方程收敛标准为1 06 ，其余 为1 01 。仿真计算l } i 符f I 【l I 度的收敛测最均能小 于1 05 ，计锋结果基本满足分析精度，可以认为达 到收敛标准。 根据现场的操作数抛．我们没定参数值为进【l 料浆压力1 ．6M P a 、进I I 热风温度6 5 0K 干进1 】热 风速度1 6m ／s 。通过对J 述】艺条件进行数值仿 真汁赞．褂到f 燥塔内部传热和传质状况如| 冬l4 ～7 所尔。嘲4 a 娃小f 燥塔内城低温度为3 9 9K ，最岛 温度为6 5 0K ，从I 铡4 b 町霸⋯，枉热卒oe 人l | 处，泓 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y i ．b g r i m mc n 2 0 1 1 年9 期 度最高，并随着热空气向下运动．温度逐渐降低；塔 内温度分布比较均匀，在靠近出口的一侧温度较高， 这是因为出口的管道挡住了这一侧的气流，塔中心 的温度要高于边部温度。睦| 5 显示在喷嘴和热牢气 入口处速度较大，塔内其他部分速度分布较均匀。 干燥塔内液滴的运动轨迹随着液滴在干燥塔内滞留 时间的跃短来跟踪描述 图6 。图7 显示的最大脱 水速率为1 ．9 6 1 0 2k g ／s 。 图4 干燥塔内温度分布 a 一纵截面图 Y O i b 一横截面 F i g ．4 r I e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d ed r y i n gt o w e r a 一v e r t i c a ls e c t i o n Y 0 ； b 一c r o s ss e c t i o n 图5 气体速度分布图 F i g ．5V e l o c i t yd i s t r i b u t i o nm a p 由F l u e n t 仿真结果可知料浆雾化后喷出时的 速度较快，在上升过程中速度逐渐降低，温度不断升 高，表明此时颗粒与热空气接触并开始干燥，T 二燥过 程主要发生在喷嘴以上的部分区域；雾滴在该工况 下干燥较快，尚未到达顶端便干燥完毕，表明干燥塔 的高度可以降低。在实际应用过程中，通过温度测 量及料浆的干燥情况等对干燥塔内的状态进行测 试，其结果与模拟结果大体相同。 图6 颗粒运动轨迹图 F i g ．6 P a r t i c l e st r a j e c t o r i e sm a p 3 结论 1 干燥塔温度和速度分布较为合理，干燥带集 中发生在中上部；塔内液滴的干燥速度较快，干燥塔 的设计能够满足工艺所需的要求。 2 工业应用表明干燥塔基本能较好完成生料干 燥造粒的要求。然而，由于现场各种因素的影响， 下转6 1 页 万方数据 有色金J 蓐 冶烁部分 h i t p ／／y s y l ．b g r i m m c n 参考文献 [ 1 ] 北京钢铁学院冶金史组．巾闰早期铜器的初步研究L JJ ． 考古学报．1 9 8 1 3 2 9 9 ． [ 2 3 孙淑云．西汉南越王蕈出土铜器、银器及铅器鉴定报告 [ c ] l i t 一州市文物考占研究所．西汉越王蔡，北京文物 出版社．1 9 9 1 3 9 7 4 1 0 [ 3 ] 张宝昌．有色金属及其热处理[ M ] ．西安西北T 业大 学出版社，1 9 9 3 13 9 ． [ 4 ] 孙淑云t 王克智．中国响铜器的试验研究[ c ] ／／北京科 技大学．中国冶金史论文集 二 ．北京人民教育出版 6 l 利，19 9 4 7 99 3 ． [ 5 ] 何懂坤，刘绍明．向阳汉代铜舟科学分析[ J ] 中腮文 物．2 1 1 0 4 9 2 [ 6 ] C h a s eWT ．中国青铜技术研究回顾与展望LJ ] ．莳龙 译，文物保护与考古科学，1 9 9 4 ，6 1 1 61 9 ． [ 7 ] 铸造有色合盒及其熔炼联合编写组．铸造有色合金及 其熔炼[ M ] ．北京国防工业出版社．1 9 8 0 1 4 71 4 9 ． [ 8 3 孙淑云太原晋国赵卿墓青铜器的分析鉴定[ c ] ／／太原 晋国赵卿墓．北京文物出版社，1 9 9 6 2 5 3 ． [ 9 ] 姚青芳几种典型腐蚀青铜器金相组织的分析[ C ] ／／文 物科技研究．第四辑，北京科学出版杜，2 0 0 6 2 3 ． 上接2 0 页 图7 雾滴蒸发速率图 F i g ．7D r o p l e t se v a p o r a t i o ns p e e dm a p 同体颗粒偶尔会凝聚成团．造成f { { 料I I 堵塞．或颗粒 术完全l 燥I i i i 附在塔啭I 形成“结疤”现象，影响f 燥塔正常运行。这些方面需从设计和操作条件进行 改进。 参考文献 [ 1 ] 毕涛文．氧化铝生产【艺[ M ] ．北京化学工业出版杜， 2 0 0 6 2 4 22 5 0 ． [ 2 ] 杨蘑愚．轻金属冶金学[ M ] ．北京冶金工业出版社． 1 9 9 1 [ 3 ] 张红亮．丁凤其．陈湘涛．等．基于喷雾干燥塔的氧化铝 熟料回转窑烧结新工艺[ J ] ．现代化工，2 0 0 8 ，2 8 2 6 6 6 8 [ 4 ] 张红亮氧化铝回转窑火焰图像识别，检索与聚类研究 [ I ] ．长沙中南大学博士学位论文．2 0 0 8 [ 5 ] 韩方亮，黎国华．许宁．浮法玻璃窑烟气处理系统流场数 值模拟[ J ] ．玻璃，2 0 0 6 ．3 3 6 15 - 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