碳素回轉窯余熱流體熱能轉換分析及建模

徐慶新，王植槐

(中國鋁業貴州分公司， 貴州 貴陽 550014)

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碳素回轉窯余熱流體熱能轉換分析及建模

徐慶新，王植槐

(中國鋁業貴州分公司， 貴州 貴陽 550014)

為了能有效地降低回轉窯廢氣中有害物質含量及增大回轉窯內壁的傳熱系數，本文基于碳素回轉窯余熱流體熱能轉換的機理分析，提出了采用熱管換熱來吸收煙氣中的熱能；通過對煙氣成分探究，進一步降低了煙氣粉塵含量。在此基礎上，建立了余熱流體模型及回轉窯模型，著重分析計算了換熱效率、熱能損失以及余熱回收過程中的線路設計，溫度降低后的煙氣達到了排放廢氣標準要求。研究表明，設計余熱回收系統裝置，對企業降低能耗減少污染廢氣排放是有益的。

回轉窯；模型；余熱；熱管

當前，回轉窯已廣泛用于化工、鍋爐、環保等行業，是進行余熱流場熱能轉換的關鍵技術。由于工業鍋爐裝置的排煙溫度較高，鍋爐的吸熱效率相對較低，此時排煙溫度是400 ℃以上的工況。所以，這對經濟產生負面影響，同時也限制了增壓鍋爐技術的應用和發展。考慮到鍋爐的經濟性，設置了熱交換器進行余熱回收利用，無疑是提高鍋爐經濟性的有利途徑[1-4]。研究設計余熱回收裝置，探索余熱回收后裝置的節能效益，對國家能源戰略都有重要的參考價值。吳靜，李選友[5]通過構建大顆粒低填充率外熱式回轉窯傳熱系數模型，提出了回轉窯內壁與物料顆粒間換熱的基本構成，有效地提高余熱回收效率。

本文主要以碳素回轉窯內余熱流體中能量轉換為研究對象，從傳熱機理分析出發，結合能量中余熱在窯內的運動特點，建立了余熱回收裝置計算模型，計算出參數，對系統進行排煙阻力分析，探求余熱回收裝置的效率，為余熱回收的工程應用提供技術支撐。

1 回轉窯余熱轉換原理

圖1為余熱回收裝置原理圖。通過設定：煙氣流量為500 m3/h；排煙溫度為180 ℃。 余熱煙氣回收利用系統工藝流程原理如圖1所示。余熱回收裝置的工作原理是：鼓風機向回轉窯(1號電爐)里面提供空氣助燃料充分燃燒，所產生的高溫廢氣由爐間排向熱交換器，其間廢氣通過除塵、去雜；同時，常溫空氣輸入熱交換器進行熱交換，把熱量帶出熱交換器，供托盤烘干器使用；另一方面，在熱交換器中的余熱煙氣粉塵從熱交換器中排出，進入收塵器(2號電爐)回收，在回轉窯(1號電爐)、熱交換器、收塵器中均涉及收塵器。

圖1 余熱回收裝置原理圖

余熱回收裝置的主要特點有：(1)空氣流動快，換熱效率良好，冷卻空氣可循環利用；(2)能夠延長煙氣排出的時間，可以充分回收煙氣中含有的雜質金屬及有害氣體；(3)生產的熱空氣，除了可用于托盤烘干器外，還能用于集中供暖、發電、冶金加工等過程中，互換性良好。

當余熱煙氣從回轉窯流到熱交換器，此過程中通過除塵器有部分雜質沉降下來；接下來，在熱交換器中，與熱管進行熱交換，同樣，此過程中也有部分粉塵會沉降，轉化為低溫煙氣(180℃)，進一步沉降雜質粉塵，得到能夠排往大氣中的合格煙氣。鼓風機提供壓力、增加空氣作用，引風機降壓便于排放。整個過程在封閉條件下進行，收集起來雜質粉塵含有相當部分金屬物質，可用于再次回收利用[6-8]。

1.1 余熱回收裝置系統熱交換器的設計

由于余熱回收的關鍵部件是熱交換器，熱交換器則利用熱管，從余熱回收的角度出發來看，能夠達到煙氣除塵、能量回收、潔凈排放尾氣等效果，如圖2所示。

圖2 熱交換器的原理圖

設定參數：煙氣流量Q=500 m3/h， 煙氣初始溫度T1=300 °C

煙氣成分(體積百分比%)：

XSO2=0.14，XN2=74.95，XO2=5.66，XCO2=8.90，XH2O=10.35，

X重金屬=0.60，X非重金屬=0.12，X非金屬=0.25，X其他=0.03.

對余熱回收的關鍵部分是流量、溫度可控，核心部分為熱交換器。通過利用物態參數模型，建立余熱流體模型。

圖3 p.V圖上一點代表的一個氣體平衡態

由圖3可知氣體物態方程

T=f(p，v)

由阿伏伽德羅定律可得平衡態時，理想氣體的物態方程為

pv=NKT

式中：N為體積v中的氣體分子數，K稱為波耳茲曼常數。

由于氣體分子數為N/V=n分子數密度，可得理想氣體物態方程為[9]：p=nKT

在標準大氣壓下，一般計算取n=2.69×1025m-3。

在本設計中，溫度取n=2.69×1025m-3，K=1.38×10-23J.K-1；則可得余熱煙氣的壓強為

p1=nKT1=2.69×1025×1.38×10-23×573.15=212.8kPa

經過熱交換器后的余熱煙氣溫度為180 ℃，可得此時的煙氣壓強為

p2=nKT2=2.69×1025×1.38×10-23×453.15=168.2kPa

所以，得整個系統的壓降為

Δ=p1-p2=212.8=168.2=44.7kPa。

煙氣密度的計算[9]

ρs=ρN×(273.15+ts)×p0或是ρs=ρN×273.15(Ba+ps)

式中：ρN(kg/Nm3)標準狀態下是濕煙氣密度，對于濕煙氣，通常ρN取1.34kg/Nm3；ts平均溫度是測量斷面內煙氣的溫度，℃；ps是煙氣靜壓，Pa；Ba為標準大氣壓力；p0是標準大氣壓，p0=101325Pa。

所以，換熱器前該余熱煙氣的密度

ρs=ρN×(237.15+t)×p0=1.34×273.15×(101325+212800)=1.15 (kg/m3)。

鍋爐工作時，由進氣管通入常溫空氣，常溫空氣在垂直管內被加熱，通過設置在裝置上端鍋筒頂部的均汽孔板輸出來。

余熱回收裝置主體部分的外形尺寸控制在長×寬×高=3500mm×2000mm×3500mm。

2 回轉窯內壁與外界傳熱系數模型的建立及參數計算

回轉窯主要傳熱是通過窯體壁面提供大量的熱，為了更理想的余熱有效的傳熱效果，可以認為氣膜與內壁面間沒有相對運動[10-12]。

2.1 熱管選擇和設計

(1)傳熱量Q

Q=WsC(T1-T2)式中：Ws為通過熱交換器的總流量，公斤/時(kg/h)

C為比熱容，余熱煙氣成分復雜，此處為定容比熱，可取C=1.18 kJ/(Nm3.K)

Q=1.3×1.18×(300-180)=184(千焦/時)(2)冷卻空氣量ω

ω=184/(80-25)=3.345 (kg/h)

(3)有效溫差ΔT，對數平均溫差ΔT1m

假定冷卻器的型式為殼側1程，管側1程的1-1熱交換器。

可求溫差修正系數Ft，可是因為在RA=10.0的點，從圖很難讀到，所以，計算EB、RB，用EB、RB代替圖中的EA、RA，讀取Ft。

EB=RA.EA=2.18×0.46=1.0

RB=1/RA=1/2.18=0.46

取溫差修正系數FT，FT=0.55

ΔT=FT.ΔT1m=0.55×83.33=45.8 (°C)

概略尺寸，假定總傳熱系數U=60(千卡/米2·時·℃)所需要的傳熱面積A

取外徑D0=19 mm，內徑Di=15 mm，長L=1.8 m

采用正三角形交叉排列，便于熱管布置的對稱性，熱管選擇166根。管子布置間距為Pt=25 mm=0.025 m，布置如圖4所示。

圖4 熱管管壁和布置關系圖

高溫端的溫差

Δth=(T1-t2)=(300-80)=220 (°C)

低溫段的溫差

Δtc=(T2-t1)=(180-25)=155 (°C)

Δtc/Δth=0.7

殼側界膜導熱系數h0，熱交換器中心線或者距中心線最近的管排上錯流流動的最小流道面

積Sc。

3 熱交換器材料校核及模型設計

由于余熱煙氣的最大壓強為P=212.8 kPa也就是說，熱交換器殼壁只要滿足在此壓強下能安全、穩定工作，材料45鋼符合要求。熱交換器分為兩部分來吸收熱能，第一部分和第二部分結構完全一樣，當在第一部分封閉面積內，殼壁能夠安全工作，在第二部分也能，因為余熱煙氣在熱交換器內是處于均勻態的，每處壓強壓力一樣，所以在熱交換器的吸收熱能部分里，主要校核第一部分的材料強度是否滿足即可，第二部分的溫度比第一部分低，因此不需要校核；同理，在熱交換器吸熱所對應的兩放熱部分里，同樣只需要校核第一部分的材料強度。但是，冷卻空氣的溫度相比余熱煙氣的低，冷卻空氣為了更好地吸收熱能，在流動狀態即速度上卻與余熱煙氣相互對應，總的來說，冷卻空氣的壓強沒有余熱煙氣大。所以，45鋼材的校核之需要校核熱交換器的吸熱第一部分。熱交換器的第一部分底部面積分為四部分，熱交換器吸熱部分高度為h0=900+25=925 mm，側邊相關尺寸如圖6所示。根據微積分計算方法，因為熱交換器的整個內表面受到壓強壓力的作用，可以看作其表面受到拉力(或是壓力)作用，并設為FN，對應受到的正應力為σ，則它的微內對應的微面積為dA，微面積對應的微內力為σdA，受力如圖5所示。微內力在整個內表面上組成一個內分布力系，它在空間中是一個平衡力系，其合力就是FN，固有靜力關系σ 。

FN=∫AσdA

為求出σ的分布情況，考察內表面的受力分布。在壓強的作用下，熱交換器內表面會出現一定幅度的變形，相當于拉伸變形，它是整個范圍的變形，變形后它的對稱性、殼體整體的形狀保持不變，為分析的簡便，可以假設：殼體各處材料均勻分布，壓力均勻分布在內表面上，每處受力情況一致，包含鎳焊接處，所以不管縱向、橫向殼體材料、受力情況，即處處力學性能都是樣的，正應力分布在內表面上，于是上式可寫成

FN=σ∫dA=σdA

圖5 殼體內表面受力示意圖

圖6 熱交換器第一部分尺寸分布示意圖

如果考慮二維情況，即內表面每點的應力情況，縱坐標用y、橫坐標用x表示，σ(x，y)表示該點應力大小，上式可寫成

根據以上分析，上式可變形為

由于殼體內表面相當被壓、外表面相當于被拉，因此中間必有一層線段的長度不變。這一層稱為中型層，如圖5所示。所有，該情況受力方式可看作為純彎曲。可得如下計算公式：[2]

式中：M為該處的力矩，

y為該處距離y軸的距離，

Iz為相對于z軸的轉矩。

可求得

由于

σ<σB，σ<σS，σ<σ-1，σ<τ-1，σ<[σ-1]

所以，選擇45號鋼作為殼體滿足各種強度極限，可安全使用。

4 結論

本文通過對回轉窯余熱回收裝置的模型進行參數分析，得到了以下結論：

1)利用無相變熱交換器設計方法進行熱力計算分析和設計，確定了余熱回收裝置主體部分的外形尺寸控制在長×寬×高 =3500 mm×2000 mm×3500 mm 。

2)應用積分思維進行受力分析，考察內表面的受力分布,通過積分變換，求解得到選擇45號鋼作為殼體滿足各種強度極限，可安全使用。

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Analysis and Modeling of the Heat Fluid Thermal Conversion of Carbon Rotary Kiln Waste

Xu Qingxin，Wang Zhihuai

(AluminumCorporationofChinaGuizhouBranch,Guiyang,Guizhou550014,China)

In order to effectively reduce the content of harmful substances in the exhaust gas of rotary kiln and increase the heat transfer coefficient of the inner wall of the rotary kiln, this paper proposes to use the heat pipe heat exchanger for absorbing the flue gas heat based on the analysis of the heat fluid energy conversion mechanism of carbon rotary kiln waste. The exhaust gas dust content is reduced by exploring the smoke constituents. Furthermore, the rotary kiln model and waste heat fluid model are established by analyzing and calculating the heat transfer efficiency, heat loss and the circuit design of the heat recovery process. The emission standards are reached after reducing the flue gas temperature. Researches show that the design of heat recovery system is beneficial for enterprises to reduce energy consumption and pollution emissions.

rotary kiln; model; waste heat; heat pipe

2016-08-16

徐慶新(1969- )，女，湖南湘鄉人，中國鋁業貴州分公司高級工程師。

王植槐(1966- )，男，湖南邵東人，中國鋁業貴州分公司高級工程師。

TF1

A

2095-4824(2016)06-0117-05