水泥窯純低溫余熱發電蓖冷機開口位置選擇的數值模擬

任福忱

摘要：水泥窯純低溫余熱發電技術，其發電效率取決于：蓖冷機廢氣取熱效率;汽輪機內效率;發電效率;鍋爐效率等。其中水泥窯蓖冷機高、中溫開口位置的選擇優劣將直接決定其發電量高低的重要因素。本文結合國內典型5000噸/天水泥生產線上蓖冷機的工藝特點，建立蓖冷機三維仿真模型，研究水泥熟料與冷卻空氣之間的換熱、熟料的運動等過程，采用UDFs模擬并分析蓖冷機內部的速度場和溫度場分布。探討改變高溫取熱口和中溫取熱口的相對位置時對蓖冷機熱效率的影響。為提高第二代水泥窯純低溫余熱發電水平，具有一定的指導意義。

關鍵詞：蓖冷機;發電效率;氣固換熱;熱效率;數值模擬

蓖冷機是水泥生產工藝上重要的冷卻設備，但是一直以來對蓖冷機熱工特性的研究缺乏系統性的分析，以致對蓖冷機系統的操作和改進主要依靠經驗的方法，缺乏相應的理論指導。因此根據實際的生產設備，建立并求解蓖冷機冷卻過程學仿真模型，深入探究蓖冷機內的換熱過程，獲得蓖冷機的最優運行參數成為亟待解決的新課題。水泥窯廢熱的梯級利用是當前最有效和最經濟的利用方式，并逐漸成為該方向研究的重點。

利用流體計算軟件Fluent對蓖冷機進行數值模擬與研究，根據數值模擬的結果分析蓖冷機內部的溫度場和流場等，得到合理的余熱取風口位置，從而充分的使蓖冷機內部的余熱最大化。通過取熱口取熱溫度的變化，得到各個熱工參數對蓖冷機的余熱利用的影響，進而通過優化得到余熱利用量最大的同時，發電量也達到最大化。

一、數值模型及數值方法

（一）實驗模型結構及邊界條件

實驗模型，取一個典型蓖冷機為研究對象，對其進行建模來研究其內部的冷卻規律，蓖冷機的實際尺寸為：長39.4m，寬3.76m，蓖冷機內部熟料層的厚度為0.9m。蓖冷機的第一、二入口的體積流量總和為253200Nm/h折合質量流量為90.73kg/s，溫度為環境溫度300K;三段蓖床的蓖下壓力分別為：第一段5.6Mpa，第二段3.3Mpa;第三段1.2Mpa。蓖冷機的壁面溫度62℃，熟料的初始溫度為1137℃。

（二）網格劃分

采用非結構網格劃分，總網格數為525342個，網格在熟料層以上，采用交錯的網格布局，用于改進局部流動，如圖1所示。

（三）數學模型

（1）連續性方程;

（2）k-ε湍流模型;

（3）多孔介質模型動量方程;

（4）能量方程;

（5）壓力耦合采用SIMPLE算法;

（6）壓力插補格式采用PRESTO！格式;

（7）UDF及UDS說明;

采用UDFs編程實現熟料部分耦合氣固換熱模型以及熟料部分沿蓖冷機縱向的溫度變化。

二、數值計算結果與分析

（一）蓖冷機內部溫度分布

蓖冷機內部縱向截面的溫度分布見圖2所示。

氣體在熟料上層空間溫度分布和熟料內部溫度分布相似，分三個溫度區：1）高溫區（1200K以上）、中溫區（600K-1200K）、低溫區（600K以下），其中高溫區和低溫區的分布跨度較小，中溫區分布跨度較大，高溫區和中溫區以及中溫區和低溫區之間存在一個明顯的溫度躍階，主要是由于各個取風口抽風量不同造成的。

（二）篦冷機內部溫度分布

蓖冷機內部截面的流場分布見圖3所示。

從圖3中可以看出，蓖冷機的蓖下高壓氣體經過熟料后速度變的均勻，速度接近于零，經過蓖冷機空腔上方的取熱口抽力作用，空腔內的氣體速度變化較為明顯。因此蓖冷機內部的流線圖與實際的情況相符合。

三、結論

建立蓖冷機的三維仿真模型，并對模型進行仿真計算，驗證模型正確性，以尋求最大余熱回收量，從而使余熱發電量達到最優，得到的結論如下：

（一）蓖冷機的高溫取熱口的位置取在蓖冷機的長度方向的14.5m處，中溫取熱口的位置選取在蓖冷機長度方向的26.8m處時，蓖冷機的有效利用熱量達到最大值，高溫取熱口位置在蓖冷機第一段蓖篩的末段，取熱口對二三次風的影響較小，蓖冷機內的有效利用的熱量隨著高溫取熱口與中溫取熱口之間的距離增加，呈現先增加后減小的趨勢，當中溫取熱口的位置在蓖冷機的第二段蓖篩的末段，蓖冷機的有效利用的熱量達到最大。

（二）蓖冷機蓖下風室的冷空氣經過熟料后流線變得均勻，速度降為零左右，蓖冷機內部空腔的流場受到取熱口風機抽力的影響較大，在抽力較大的高溫出口，余風的速度最大能夠達到約29m/s。蓖冷機中的余熱利用集中在A-A截面與B-B截面之間，故其平均溫度也可以作為衡量取熱口位置的優劣性的一種方法。

參考文獻：

[1]劉彬，郝曉辰.蓖冷機熟料多通道冷卻氣固熱交換模型研究[J].硅酸鹽通報，2008（02）.

[2]高晶濤.Fuller 609s-819s/809s-1019s蓖冷機技術改造[D].長春理工大學，2006.