煅燒活性石灰用豎式預(yù)熱器偏心設(shè)計(jì)對氣流的影響

白 潔 劉云峰 姜 琳 符國勝

(中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽471039)

活性石灰回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)煅燒活性石灰是當(dāng)前鋼廠煉鋼所用活性石灰的主要生產(chǎn)方法。這種煅燒系統(tǒng)不僅能鍛燒出高質(zhì)量的活性石灰，還能選用粒度范圍較大的生產(chǎn)原料，從而提高了礦山原料的資源利用率［1－2］。而豎式預(yù)熱器是煅燒活性石灰系統(tǒng)的主要主機(jī)設(shè)備之一，其作用是回收高溫?zé)煔獾臒崃坎⑵溆糜谑沂系念A(yù)熱分解［3］。豎式預(yù)熱器在設(shè)計(jì)過程中，溜槽中心與預(yù)熱器中心是否應(yīng)該偏置一直都是困擾設(shè)計(jì)者的一個(gè)問題。從接觸到的國外的設(shè)計(jì)圖紙中，存在一個(gè)這樣的偏置設(shè)計(jì)，如圖1 所示。而在國內(nèi)眾多的設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家中，還沒有見 到類似的設(shè)計(jì)。因此這個(gè)偏置有什么作用?對預(yù)熱器工作產(chǎn)生什么樣的影響?目前都不是很清楚。因此本文采用了流體計(jì)算軟件對豎式預(yù)熱器的內(nèi)部流場在不同的偏置距離下進(jìn)行研究，得到不同的偏心設(shè)置下，對各個(gè)預(yù)熱倉室的氣流分配影響，了解了偏置距離對豎式預(yù)熱器內(nèi)部流場的影響，為預(yù)熱器的設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 預(yù)熱器結(jié)構(gòu)及偏心示意圖

1 計(jì)算方法

窯尾煙氣進(jìn)入豎式預(yù)熱器后，在預(yù)熱器內(nèi)部整體負(fù)壓的環(huán)境下向各個(gè)預(yù)熱倉室移動，進(jìn)入倉室后與低溫物料發(fā)生熱交換。在此假設(shè)進(jìn)入各個(gè)倉室的煙氣溫度分布均勻，物料與煙氣的換熱系數(shù)相同，因此只需要考察預(yù)熱器在不同的偏心距下進(jìn)入各個(gè)倉室的煙氣量就可以反映出進(jìn)入各個(gè)倉室熱量的變化，從而放映出偏心距設(shè)計(jì)對物料預(yù)熱效果的影響。

按照這種計(jì)算思路，首先對預(yù)熱器的偏置情況進(jìn)行劃分，可以分為以下7 種工況進(jìn)行計(jì)算，分別為:不偏心，偏心距100mm ～600mm，每遞增100mm 為一種工況。計(jì)算在完全相同的條件下進(jìn)行，同時(shí)為了避免不同狀況下計(jì)算通風(fēng)量數(shù)值差別的影響，考察采用每一種計(jì)算工況下各個(gè)倉室通過的氣體流量與總流量的百分比進(jìn)行表示，得出不同偏心距狀況下，預(yù)熱器內(nèi)部流場的分配。計(jì)算過程需要對倉室進(jìn)行編號，倉室編號原則如下:以窯中心線為基準(zhǔn)，以窯尾上方的預(yù)熱倉室開始對稱編號，從窯上方位置到廢氣總出口依次編為1、2、3、……7。預(yù)熱器的計(jì)算三維模型如圖2所示。

圖2 三維模型

2 計(jì)算模型

豎式預(yù)熱器倉室是預(yù)熱器工作的主要部位，系統(tǒng)工作時(shí)倉室內(nèi)堆滿石灰石物料，窯尾排出的高溫?zé)煔獯┻^倉室內(nèi)的石灰石料層時(shí)，與倉室內(nèi)的冷料進(jìn)行劇烈熱交換，廢氣的熱量被石灰石冷料吸收分解。但在采用軟件進(jìn)行模擬分析時(shí)，沒有辦法做到模擬真實(shí)物料，因此為了考慮實(shí)際物料的影響，對料層的處理采用多孔介質(zhì)模型替代分析。

多孔介質(zhì)模型的原理就是在動量方程中附加了一個(gè)動量損失源項(xiàng)Si。這個(gè)附加的動量損失源項(xiàng)Si由兩部分組成，一部分是黏性損失項(xiàng)(Darcy)，另一個(gè)是慣性損失項(xiàng):

式中 Si—X，Y，Z 各個(gè)方向上的動量源項(xiàng);

| υ| —冷卻風(fēng)速;

D 和C—指示矩陣。

這個(gè)附加的動量損失源項(xiàng)Si在多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，對計(jì)算域內(nèi)的壓力梯度有影響，形成一個(gè)與通過風(fēng)速成比例關(guān)系的壓降。對于各向同性的物質(zhì)，這個(gè)方程可以簡化為:

式中 α—滲透性系數(shù);

C2—慣性阻力系數(shù)。

其中:

式中 DP—物料顆粒的平均粒度;

ε—物料堆積的孔隙率。

其中DP的取值取物料粒度分布的平均值，活性石灰煅燒系統(tǒng)一般煅燒的物料直徑范圍為15mm ～45mm，因此此處DP的取值為30mm。物料堆積孔隙率ε 的取值，查閱文獻(xiàn)得知，有人測試過靜態(tài)物料顆粒的孔隙率約為0.3 左右，因此計(jì)算時(shí)對DP和ε 進(jìn)行的取值為:DP=30mm，ε=0.3。代入到上式中進(jìn)行計(jì)算，得到:

而粘性阻力系數(shù)為:

同理，慣性阻力系數(shù)為:

除了設(shè)置上述參數(shù)外，由于多孔介質(zhì)區(qū)域模擬的是物料堆積區(qū)域，實(shí)際中高溫氣流流過物料孔隙時(shí)，兩者要發(fā)生換熱反應(yīng)。因此在計(jì)算時(shí)，為了更加貼近實(shí)際情況，計(jì)算采用局部非熱平衡能量方程進(jìn)行求解，利用UDF 文件定義多孔介質(zhì)固相和氣相的能量源項(xiàng)，通過非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)UDF 產(chǎn)生溫度隨時(shí)間的變化，利用UDS 引入固相和氣相的能量雙方程，具體形式為:

動量方程:

氣體能量方程:

固體能量方程:

式中 ε—孔隙率;

ρ—密度;

υ—速度;

下角標(biāo)f—?dú)怏w，s—固體;

c—比熱容;

τ—時(shí)間;

Tf—?dú)怏w平均溫度;

Ts—固體平均溫度;

λ—?dú)夤虩釋?dǎo)率(下標(biāo)區(qū)分氣固相);

q—熱流密度(下標(biāo)區(qū)分氣固相);

hv—固相與流動介質(zhì)之間的單位體積的對流傳熱系數(shù)。

3 結(jié)果分析

按照上述的計(jì)算方法對已經(jīng)確定的7 種工況，在相同的條件下進(jìn)行計(jì)算。為了節(jié)省篇幅，計(jì)算結(jié)果圖片只展示未偏置的工況，其他工況下結(jié)果與此類似，不再給出，只給出計(jì)算結(jié)果。

圖3 預(yù)熱器內(nèi)部氣流分布圖

圖3 顯示的是沒有偏心設(shè)計(jì)時(shí)，整體預(yù)熱器的速度場分布以及各個(gè)切面的氣體流場分布結(jié)果。由圖3a)可以看出，高溫廢氣由窯尾進(jìn)入預(yù)熱器后，遵循流體的“附壁效應(yīng)”，優(yōu)先依附著壁面向上流動，壁面流動速度大于其他位置的流動速度，這種現(xiàn)象從圖3b)切片的速度云圖中可以清楚的看出。當(dāng)煙氣到達(dá)預(yù)熱器倉室下部時(shí)，倉室中堆滿物料，對氣流的運(yùn)動產(chǎn)生阻礙作用，氣流沿著吊掛磚下部空間四處分散流動，如圖3c)所示。最終煙氣在進(jìn)入預(yù)熱倉室前，有這樣一個(gè)均勻化的過程，從而使最終通過各個(gè)倉室的氣體流量趨于平均。為了更直觀的看出這個(gè)均勻化過程對最終的氣流分配產(chǎn)生的影響，把通過每個(gè)倉室的氣體流量與總流量進(jìn)行對比可以看出，比例值趨于平均值。

對其他六種工況進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算數(shù)據(jù)按照相同的方法進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)處理(單位:kg/s)

由上面表格中數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看到:隨著豎式預(yù)熱器偏心距的變化，通過預(yù)熱器的氣體總流量變化不大，各個(gè)工況下每個(gè)倉室通過的氣體流量與總流量之比變化不大，趨于平均，即說明豎式預(yù)熱器偏心設(shè)計(jì)對于通過各個(gè)倉室的氣體流量沒有影響，對預(yù)熱器預(yù)熱石灰石冷料的效果沒有影響。為了更直觀的看到各個(gè)工況下，每個(gè)倉室通過氣體流量的變化，可以把所有的后處理數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一個(gè)變化曲線中，結(jié)果曲線如圖4所示。

從這個(gè)變化曲線上可以看出:編號倉室1 到編號倉室7，通過的氣體流量逐漸增加，但變化數(shù)值不大，最大的比例差值在1%的范圍內(nèi)，且7 種工況下的曲線分布規(guī)律一致，這種變化曲線的走勢是和預(yù)熱倉室上部的廢氣管道布置有關(guān)，與偏心距設(shè)計(jì)沒有關(guān)系。

圖4 不同偏心距下預(yù)熱器內(nèi)部氣流分配

4 結(jié)論

1)高溫?zé)煔庠陬A(yù)熱倉室下部被原料阻礙，氣流在吊掛磚下部空間分散流動，使最終通過各個(gè)倉室的氣體流量趨于平均。2)單個(gè)計(jì)算工況下，各個(gè)倉室的流量分配變化與預(yù)熱倉室上部的廢氣管道布置有關(guān)，與偏心距設(shè)計(jì)沒有關(guān)系。全部7 種計(jì)算工況下各個(gè)倉室通過的氣體流量與總流量之比趨于平均值，說明豎式預(yù)熱器偏心設(shè)計(jì)對于通過各個(gè)倉室的氣體流量分配沒有影響，對預(yù)熱器預(yù)熱原料的效果沒有影響。

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