鐵礦氧化球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯三維溫度場(chǎng)仿真模型

范曉慧，李俊，陳許玲，王祎，甘敏

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

我國(guó)的鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，2011年我國(guó)鋼產(chǎn)量已達(dá)到6.83×108t。目前，高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)礦和(或)塊礦是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的合理爐料結(jié)構(gòu)。與燒結(jié)相比，球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程能耗低，產(chǎn)品的強(qiáng)度大、品位高，其產(chǎn)量從2005年的0.59×108t提高到2010年的1.4×108t，在高爐爐料中的比例從10%提高到15.45%。鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)生產(chǎn)工藝具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)規(guī)模大、生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量均勻且強(qiáng)度高、可用煤作燃料等眾多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)得到迅速發(fā)展，2010年其產(chǎn)能占球團(tuán)生產(chǎn)總量的56.51%，單機(jī)規(guī)模最高達(dá)5×106t/a。鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)生產(chǎn)中，球團(tuán)礦質(zhì)量與回轉(zhuǎn)窯的溫度有直接關(guān)系，然而，由于回轉(zhuǎn)窯處于高溫及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在線直接測(cè)量溫度很困難，因此，窯內(nèi)溫度分布的研究一直是回轉(zhuǎn)窯研究的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已對(duì)此進(jìn)行一系列的研究，如邱夏陶等[1-5]分別建立了回轉(zhuǎn)窯溫度場(chǎng)模型。但目前所取得的研究成果大多是一維模型，不能全面地反映窯內(nèi)的溫度分布。為此，本文作者建立回轉(zhuǎn)窯三維溫度場(chǎng)模型，預(yù)測(cè)回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)球團(tuán)和氣體溫度分布，以便為指導(dǎo)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 回轉(zhuǎn)窯三維溫度場(chǎng)模型

1.1 傳熱和傳質(zhì)分析

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉燃燒產(chǎn)生大量的熱煙氣，在煙氣和球團(tuán)逆向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，煙氣以對(duì)流和輻射的方式對(duì)球團(tuán)和窯壁進(jìn)行加熱，窯內(nèi)壁以輻射和傳導(dǎo)的方式對(duì)球團(tuán)進(jìn)行加熱，窯外壁則以對(duì)流和輻射的方式向環(huán)境的散熱。同時(shí)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)球團(tuán)也在不斷的運(yùn)動(dòng)中，其在橫截面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分為表面活動(dòng)層和固定層 2個(gè)區(qū)域[6-9]，如圖1所示。固定層中球團(tuán)僅作圓周運(yùn)動(dòng)，球團(tuán)之間并無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，固定層球團(tuán)的運(yùn)動(dòng)可表示為u=ωr[10]；表面活動(dòng)層內(nèi)由于球團(tuán)的隨機(jī)滾落運(yùn)動(dòng)，球團(tuán)混合現(xiàn)象較強(qiáng)烈，需采用質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

由于煙氣的擴(kuò)散速度快，溫度在橫截面內(nèi)相對(duì)均勻，因此，可以用軸向傳熱模型來(lái)描述煙氣在各個(gè)橫截面的溫度分布。而對(duì)于球團(tuán)，由于表面活動(dòng)層和固定層的存在，球團(tuán)存在徑向和軸向的溫度梯度，可以用二維傳熱模型描述橫截面的溫度分布，再結(jié)合用軸向傳熱模型即可描述球團(tuán)在各個(gè)橫截面的溫度分布，進(jìn)而構(gòu)成回轉(zhuǎn)窯三維溫度場(chǎng)模型。

圖1 橫截面球團(tuán)流動(dòng)示意圖Fig.1 Flow of pellets in cross-section

1.2 三維溫度場(chǎng)模型

1.2.1 模型的建立

(1) 軸向傳熱模型。軸向傳熱模型是在假設(shè)過(guò)程為穩(wěn)態(tài)，忽略各個(gè)橫截面間的軸向傳熱，煙氣、窯壁溫度及黑度各處均勻，球團(tuán)黑度各處均勻的基礎(chǔ)上建立的。

將回轉(zhuǎn)窯沿軸向分成n個(gè)區(qū)域，任一區(qū)域內(nèi)存在煙氣能量平衡、球團(tuán)能量平衡、窯壁能量平衡，其平衡方程式分別如下：

(2) 橫截面球團(tuán)的二維傳熱模型。在回轉(zhuǎn)窯工藝中，由于球團(tuán)產(chǎn)生沿軸向向前的運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在表面活動(dòng)層，因此窯內(nèi)軸向的能量傳遞也主要是由于表面活動(dòng)層內(nèi)球團(tuán)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。則表面活動(dòng)層內(nèi)球團(tuán)的能量方程可表示為[11]：

固定層球團(tuán)的能量方程可表示為：

1.2.2 模型系數(shù)的計(jì)算

(2) 球團(tuán)、氣體和窯壁間的輻射傳熱系數(shù)為：

(3) 球團(tuán)和窯壁間的導(dǎo)熱系數(shù)為：

(4) 窯外壁與環(huán)境之間的傳熱系數(shù)。窯外壁向周?chē)h(huán)境的散熱包括對(duì)流傳熱和輻射傳熱，總傳熱系數(shù)為2者之和，即：

其中：D為窯的內(nèi)徑，m；De為當(dāng)量直徑，m；Dsh為窯外壁直徑，m；η為填充率；ug煙氣速度，m·s-1；νg為煙氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s-1；ω為窯轉(zhuǎn)速，rad·s-1；σ為波爾茲曼常數(shù)，W/(m2·K4)；εg，εb，εw和εsh分別為煙氣、球團(tuán)、窯內(nèi)壁、窯外壁的黑度；εgw，εgb和εwb為系統(tǒng)有效黑度，計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[3]；λb和λg分別為球團(tuán)、煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；ρb為球團(tuán)的密度，kg·m-3；Cb為球團(tuán)的比熱容，J·kg-1·K-1；τ為球團(tuán)與窯壁接觸的時(shí)間，s；Rp為球團(tuán)直徑，m；δ為氣膜厚度，m；γ為計(jì)算氣膜導(dǎo)熱引入的調(diào)節(jié)系數(shù)[12]；Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；Δh的取值可由紅外熱像儀所獲得的實(shí)際球團(tuán)溫度來(lái)確定，作為對(duì)傳熱系數(shù)的修正值。

(5) 煤粉燃燒放熱量為[13-14]：

其中：Li為區(qū)域i處火焰距噴嘴距離，m；Lf為火焰長(zhǎng)度，m，其取值可參考文獻(xiàn)[15]。

2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

采用Visual Studio.Net，Matlab以及OpenCV作為開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合 ADO數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，根據(jù)某球團(tuán)廠實(shí)際生產(chǎn)情況開(kāi)發(fā)鐵礦氧化球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯三維溫度場(chǎng)仿真系統(tǒng)。

系統(tǒng)具有以下功能:

(1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，在線計(jì)算軸向煙氣、球團(tuán)的溫度分布，并在系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示；可以直觀地了解窯內(nèi)熱工狀況。

(2) 系統(tǒng)顯示窯內(nèi)主要橫截面(窯頭、窯中和窯尾)的溫度分布，使操作人員能更直觀地了解球團(tuán)料層內(nèi)部的溫度變化。

本文利用2011年8月28日—9月3日在某氧化球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯檢測(cè)的窯頭煙氣的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)仿真計(jì)算的窯頭煙氣溫度誤差在7%以內(nèi)時(shí)，命中率在90%以上(如表1所示)，因此，本系統(tǒng)能很好地反映窯內(nèi)的溫度分布。

表1 窯頭煙氣溫度命中率統(tǒng)計(jì)Table 1 Hit rate statistics of flue gas temperature at lower end of kiln

3 結(jié)論

(1) 回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)煙氣和球團(tuán)成逆向運(yùn)動(dòng)；在任一橫截面內(nèi)，煙氣擴(kuò)散快，混合充分；而對(duì)于球團(tuán)，固定層中球團(tuán)僅作圓周運(yùn)動(dòng)，球團(tuán)之間并無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表面活動(dòng)層內(nèi)球團(tuán)做隨機(jī)滾落運(yùn)動(dòng)，球團(tuán)混合比較強(qiáng)烈。

(2) 根據(jù)煙氣和球團(tuán)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，用軸向傳熱模型來(lái)描述窯內(nèi)煙氣溫度分布，用橫截面二維傳熱模型和軸向傳熱模型描述球團(tuán)的溫度分布，建立回轉(zhuǎn)窯三維溫度場(chǎng)模型。

(3) 采用Visual Studio.Net，Matlab以及OpenCV混合編程的方式開(kāi)發(fā)回轉(zhuǎn)窯三維溫度場(chǎng)仿真系統(tǒng)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，模型計(jì)算煙氣溫度命中率在90%以上，說(shuō)明系統(tǒng)能很好地反映窯內(nèi)的溫度分布。

[1]邱夏陶, 韓小良. 回轉(zhuǎn)窯傳熱數(shù)學(xué)模型及其優(yōu)化[J]. 鋼鐵,1994, 26(6): 66-70.QIU Xia-tao, HAN Xiao-liang. Mathematical model of heat transfer and optimum for rotary kiln[J]. Iron and Steel, 1994,26(6): 66-70.

[2]Martins M A, Oliveira L S. Modeling and simulation of petroleum coke calcination in rotary kilns[J]. Fuel, 2001, 80(11):1611-1622.

[3]馬愛(ài)純, 周孑民, 孫志強(qiáng), 等. 氧化鋁熟料窯內(nèi)一維傳熱模型[J]. 冶金能源, 2004, 23(1): 23-26.MA Ai-chun, ZHOU Jie-min, SUN Zhi-qiang, et al. A one-dimensional thermal model for the alumina clinker kiln[J].Energy for Metallurgical Industry, 2004, 23(1): 23-26.

[4]易正明. 氧化鋁回轉(zhuǎn)窯熱工分析與控制應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院, 2007: 60-93.YI Zheng-ming. Application and study on thermal analysis and control of alumina rotary kiln[D]. Changsha: Central South University. School of Energy Science and Engineering, 2007:60-93.

[5]王春華, 陳文仲, 賈馮睿, 等. 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱及燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬[J]. 化工學(xué)報(bào), 2010, 61(6): 1379-1384.WANG Chun-hua, CHEN Wen-zhong, JIA Feng-rui, et al.Numerical simulation of heat transfer and combustion in carbon rotary kiln[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2010, 61(6): 1379-1384.

[6]Dhanjal S K, Barr P V, Watkinson A P. The rotary kiln: An investigation of bed heat transfer in the transverse plane[J].Metallurgical and Materials Transactions B, 2004, 35(6):1059-1070.

[7]劉剛, 池涌, 蔣旭光, 等. 顆粒物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性模型[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2007, 41 (7): 1195-1200.LIU Gang, CHI Yong, JIANG Xu-guang, et al. Model of axial transport of particles in rotary kiln[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2007, 41(7): 1195-1200.

[8]王春華, 陳文仲, 梁增英, 等. 炭素回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)形式的確定[J]. 工業(yè)爐, 2008, 30(4): 34-36.WANG Chun-hua, CHEN Wen-zhong, LIANG Zeng-ying, et al.Determination of solid particles motion types in rotary kilns[J].Industrial Furnace, 2008, 30(4): 34-36.

[9]李少華, 張軒, 張立棟, 等. 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)顆粒軸向混合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)粉體技術(shù), 2011, 17(2): 23-26.LI Shao-hua, ZHANG Xuan, ZHANG Li-dong, et al. Numerical simulation of particles axial mixing in rotary kiln[J]. China Power Science and Technology, 2011, 17(2): 23-26.

[10]Boateng A A, Barr P V. A thermal model for the rotary kiln including heat transfer within the bed[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1996, 39(10): 2131-2147.

[11]張志霄. 廢輪胎回轉(zhuǎn)窯熱解特性及應(yīng)用研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué)熱能工程研究所, 2004: 116-117.ZHANG Zhi-xiao. Investigation of waste tire pyrolysis in rotary kiln and the application project[D]. Hangzhou: Zhejiang University. Institute for Thermal Power Engineering, 2004:116-117.

[12]Martin H. Theories of heat transfer coefficient heating wall and particle[J]. Drying Tech, 1982,15(2): 179-183.

[13]劉方, 宋正昶, 楊麗, 等. 水泥回轉(zhuǎn)窯溫度分布研究[J]. 冶金能源, 2009, 28(5): 21-25.LIU Fang, SONG Zheng-chang, YANG Li, et al. Study of the temperature distribution in cement rotary kilns[J]. Energy for Metallurgical Industry, 2009, 28(5): 21-25.

[14]雷先明, 肖友剛, 蔣壽生. 耦合工況下回轉(zhuǎn)窯熱工過(guò)程綜合數(shù)學(xué)模型[J]. 化學(xué)工程, 2009, 37(10): 18-21.LEI Xian-ming, XIAO You-gang, JIANG Shou-sheng.Integrated mathematical model of thermal processes of rotary kiln under coupling condition[J]. Chemical Engineering(China),2009, 37(10): 18-21.

[15]Beer J M, Chigier N A. Combustion Aerodynamics[M]. London:Applied Science Publishers, 1972: 39-48.