基于CFD 的球團礦變徑回轉(zhuǎn)窯數(shù)值模擬研究

（武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081）

引 言

回轉(zhuǎn)窯是最具代表性的窯爐設(shè)備之一，為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，對回轉(zhuǎn)窯提出了更高的要求，希望能夠設(shè)計出能耗相對低且性能穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)窯。變徑回轉(zhuǎn)窯是對傳統(tǒng)直筒回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的一次改進，其能集中熱量保持更有效的節(jié)能，相同產(chǎn)量的變徑回轉(zhuǎn)窯比直筒回轉(zhuǎn)窯造價更低更節(jié)省耐火材料[1]。由于涉及燃燒，高溫和傳熱，研究回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部情況不太容易[2]，對于變徑回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)方面的研究更少。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，CFD 可以通過三維建模，模擬回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的流場，溫度場及傳熱過程。張志霄[3]，戴立紅[4]，秦樹辰[5]對回轉(zhuǎn)窯傳熱模型以及內(nèi)部燃燒溫度場進行了探究。鄒光明[6-7]對含釩頁巖焙燒回轉(zhuǎn)窯進行了仿真模擬，并對內(nèi)部溫度場和窯體熱應(yīng)力進行了分析。徐迅[8]分析了回轉(zhuǎn)窯長徑比對內(nèi)部溫度場的影響。廖斌[9]對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)富氧燃燒進行了比較深入的研究，提出了一種更節(jié)能的燃燒方式。基于以上研究現(xiàn)狀，本研究以酒鋼鋼鐵公司實驗用9 m 變徑回轉(zhuǎn)窯為對象，利用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)[10]，對該類型的回轉(zhuǎn)窯進一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，找到一種更節(jié)能的變徑回轉(zhuǎn)窯。

1 能量守恒方程和傳熱模型

1.1 能量守恒方程

能量守恒定律可以知，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)單位時間能量的增加等于進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的凈能量與作用力對回轉(zhuǎn)窯做功之和。

式中：H 中顯焓，J/Kg；

λ-導(dǎo)熱率，W/(m/()；

Cp-質(zhì)量分數(shù)加權(quán)比熱，J/(kg·K)；

μt-湍流黏度，kg/(m·s)；

σH-焓的Prandtle 函數(shù)；

Qrad、QR、Sh-輻射換熱、化學反應(yīng)熱和熱匯項，W/m3。

1.2 熱傳導(dǎo)

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱傳導(dǎo)體現(xiàn)為：窯內(nèi)流體區(qū)域不同位置之間，流體區(qū)域與窯壁耐火材料之間以及耐火材料內(nèi)部由于溫差引起的能量交換。

式中：-熱流密度，W/m2；

K/導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m/k)。

1.3 熱對流

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱對流體現(xiàn)為：窯內(nèi)流體區(qū)域由于強制對流引起的能量交換。

式中：-熱流密度，W/m2；

h/對流換熱系數(shù)，W/(m/k)；

TS1、TS2-同一流體域內(nèi)不同部分流體的溫度。

1.4 熱輻射

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱輻射體現(xiàn)為：窯內(nèi)高溫氣體或者窯壁高溫耐火材料發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膿Q熱過程。表面溫度越高，單位時間內(nèi)輻射的熱量越多。可以用斯蒂芬·波爾曼方程來計算：

式中：q 中熱流率；

δ-輻射率；

σ-斯蒂芬·波爾曼常數(shù)，約為5.67×10-8W/(m2·K4)；

A1-輻射面1 的面積；

F12-由輻射面1 到輻射面2 的形狀系數(shù)；

T1、T2-輻射面1、輻射面2 的絕對溫度；

2 實驗驗證

回轉(zhuǎn)窯在實際工作過程中以0.35～ 4 r/min 的速度轉(zhuǎn)動，根據(jù)轉(zhuǎn)速由低到高，內(nèi)部物料顆粒運動狀態(tài)可分為：滑移，滑落和滾落。

當物料處于滑移運動狀態(tài)時，混合效果很差，故工業(yè)上會盡量避免滑移狀態(tài)出現(xiàn)。滾落是窯內(nèi)物料最理想的運動狀態(tài)。物料在重力作用以及窯壁摩擦力作用下，不斷被帶起，滑落，呈現(xiàn)出滾落的特點：物料自動分層，在靠近窯壁部分為固定層，顆粒間無相對運動，隨窯體轉(zhuǎn)動被帶起，物料表面部分為活動層，顆粒由高出向地處滾落，混合效果好。

實驗室6 m 直筒回轉(zhuǎn)窯，單通道燃燒器，噴嘴距離窯頭0.2 m，工作條件為焙燒含釩頁巖。燃料為液化天然氣，主要成分為甲烷。利用熱電偶在回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)定工作條件下，分別測量距離窯頭0.6 m 軸中心的溫度、距離窯頭1.3 m 內(nèi)壁處的溫度、距離窯頭3 m 外壁面處的溫度。每隔15 min 測量一次，一共測360 min。數(shù)據(jù)見表1。

表1 回轉(zhuǎn)窯工作實驗測量結(jié)果Table 1 Measurement results of rotary kiln working test

Fluent 計算采用穩(wěn)態(tài)計算，K-ε Realizable 湍流模型，P1 輻射模型，通用有限速率燃燒模型。燃料為甲烷，充分燃燒，甲烷摩爾分數(shù)0.06，過量空氣系數(shù)1.25。燃料入口速度2 m/s，噴嘴直徑0.06 m，出口直徑0.12 m。9 m 回轉(zhuǎn)窯燃料入口速度3 m/s，噴嘴直徑0.09 m。球團礦的氧化、結(jié)晶的放熱和吸熱，忽略不計。物料填充量18%，考慮物料本身的傳熱，其比熱容1000 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.5 W/(m2·K)。回轉(zhuǎn)窯窯壁耐火材料為粘土耐火磚，導(dǎo)熱系數(shù)0.45 W/(m2·K)。其比熱容隨溫度變化，經(jīng)計算得該耐火磚比熱容滿足Cr=0.2955 t+817.29，t 為溫度[7]。窯壁比熱容500J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)16 W/(m2·K)，對外換熱系數(shù)為6.2 W/(m2·K)，對外輻射率為0.09。

圖1 溫度曲線Fig.1 Temperature curve

表2 試驗結(jié)果與測量結(jié)果對比Table 2 Testresults compared with the measured results

由表2 可知，三個測量點的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相對誤差均不超過5%，因此認為模擬結(jié)果可靠，可以用CFD 數(shù)值模擬的方法來研究回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部燃燒的溫度場。

3 溫度場分析

3.1 尋找合適工況

模型為酒鋼鋼鐵公司改進結(jié)構(gòu)的9 m 變徑回轉(zhuǎn)窯，見圖2。

圖2 9 m 變徑回轉(zhuǎn)窯中心截面Fig.2 Center section of 9 m variable diameterrotary kiln

其中總長L=9 m，變徑區(qū)間位于回轉(zhuǎn)窯中部，L2=1 m，L1=4 m，內(nèi)徑D1=0.6 m，D2=0.4 m，窯壁厚度D=0.2 m。

表3 回轉(zhuǎn)窯3 種工況Table 3 Three working conditions of rotary kiln

表3 為該回轉(zhuǎn)窯實際工作時出現(xiàn)的3 種工況，分別對應(yīng)燃料3 種不同的供給量。噴嘴直徑0.09 m。過量空氣系數(shù)為1.25，保證燃料充分燃燒。

噴嘴距離窯頭0.7 m，燃燒器點火后，由于氧氣含量充足，甲烷在火焰中心區(qū)域迅速充分燃燒，向外輻射、對流傳熱。

圖3 3 種工況下回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部燃燒溫度場云Fig.3 Internal combustion temperature field of rotary kiln under three working conditions

圖3可知，回轉(zhuǎn)窯燃燒器噴嘴附近有一個低溫區(qū)域，為燃料剛噴入窯內(nèi)尚未達到著火點時的狀態(tài)，該低溫區(qū)域?qū)θ紵鲊娮炱鸬奖Ｗo作用。分析見圖3，工況1 時燃料供給量最少，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度相對較低，導(dǎo)致煅燒段較短，不能滿足球團礦焙燒要求；工況2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度滿足生產(chǎn)基本條件，煅燒段（1.2～ 3 m）、過渡段（3～ 6 m）、預(yù)熱段（6～ 9 m）比例合適，滿足球團礦焙燒要求；工況3 雖然也能滿足球團礦焙燒要求，但是燃料消耗過量。綜上，工況2 較適合該回轉(zhuǎn)窯，在點火后，應(yīng)盡量控制回轉(zhuǎn)窯在工況2 下穩(wěn)定工作。

3.2 變徑與直筒回轉(zhuǎn)窯對比

圖4 9 m 變徑與直筒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部燃燒溫度場Fig.4 Internal combustion temperature field cloud diagram of 9 m variable diameter and straight rotary kiln

圖5 9m 變徑與直筒回轉(zhuǎn)窯X 軸（中軸線）溫度曲線Fig.5 X axis temperature curve (central axis) of 9 m variable diameter and straight rotary kiln

由圖4、圖5 可知，煅燒段火焰最高溫度為1560 K，變徑與直筒回轉(zhuǎn)窯在煅燒段溫度差別不明顯，但在預(yù)熱段(6～ 9 m)，變徑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煙氣溫度高于直筒回轉(zhuǎn)窯50 K 左右。說明變徑回轉(zhuǎn)窯在預(yù)熱段更能集中熱量，對球團礦氧化焙燒有利。另一方面也說明了，通過變徑可以改善回轉(zhuǎn)窯的熱工性能，提高能源利用率。基于此，本文將進一步優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)，通過改變變徑區(qū)間的位置，找到在保證球團焙燒質(zhì)量的情況下，結(jié)構(gòu)更優(yōu)的變徑回轉(zhuǎn)窯。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 改變變徑區(qū)間位置

圖6 不同變徑區(qū)間位置模型Fig.6 Model diagram of different diameter variation intervals

5 個模型總長均為L=9 m，變徑區(qū)間L2=1 m，變徑區(qū)間位置分別距離窯頭0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，內(nèi)徑D1=0.6 m 不變，窯壁厚度D=0.2 m。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部容積保持一定，經(jīng)計算，D2 依次為0.50 m、0.49 m、0.47 m、0.45 m、0.40 m、0.32 m。

圖7 X 軸溫度曲線Fig.7 X axis temperature curve

圖8 最高溫度對比折線Fig.8 Line chart of the maximum temperature contrast

由圖7 可知，不論變徑區(qū)間位置如何變化，遠離噴嘴的預(yù)熱段，溫度都相差不大，但靠近噴嘴的煅燒段卻呈現(xiàn)有規(guī)律的差別。最高溫度的位置均在距離窯頭1.65 m 處。結(jié)合圖8 可以看出，最高溫度隨著變徑區(qū)間距離窯頭的位置呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律性變化。5 個模型中，當變徑區(qū)間距離回轉(zhuǎn)窯窯頭1 m 時，煅燒段溫度較高，高達1627 K，也高于相同容積的直筒回轉(zhuǎn)窯的較高溫度1608 K。

圖9 X 軸向速度曲線Fig.9 X axis velocity curve

為探究該變徑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度呈現(xiàn)此規(guī)律的原因，作出回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部X 軸軸向速度曲線，見圖13。可以看出，變徑段位置越靠后，回轉(zhuǎn)窯尾端氣流流速越大，變徑段位置越靠前，最高溫度處（1.65 m）氣流流速越大。氣流從噴嘴噴射而出，流體速度整體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但是當流體運動到變徑處時，由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑減小，流速增大。因此，當變徑段距離回轉(zhuǎn)窯窯頭1 m（距離噴嘴0.3 m）時，由于氣流流速較快，剛噴出不久便達到變徑位置，速度上升，甲烷燃燒的熱量迅速在變徑處開始集中，保證了煅燒段足夠高的溫度，保證了球團礦煅燒效果。同時，預(yù)熱段最溫度也在1100K 左右，滿足生產(chǎn)要求。由于球團礦煅燒溫度在1200～ 1300℃（1473 K～ 1573 K）便能滿足球團礦焙燒條件，因此，若將燃料供給稍微降低，不僅不會影響球團礦焙燒和預(yù)熱效果，而且更加節(jié)能。

4.2 實驗?zāi)M驗證

圖10 對比驗證預(yù)測結(jié)果Fig.10 Compare and verify the predicted results

大膽猜測，變徑區(qū)間越接近噴嘴處的變徑回轉(zhuǎn)窯，煅燒段溫度越高。預(yù)測將變徑位置設(shè)置在噴嘴處，該結(jié)構(gòu)較優(yōu)。由圖10 不難看出，變徑段距離窯頭0.7 m 的變徑回轉(zhuǎn)窯在煅燒段溫度略高于變徑段距離窯頭1 m 的變徑回轉(zhuǎn)窯，驗證了預(yù)測的正確性。

4 節(jié)能效果

圖11 溫度曲線對比Fig.11 Temperature curve comparison

試驗結(jié)果顯示，將變徑段距離窯頭0.7 m 的變徑回轉(zhuǎn)窯在工況2 下減少燃料供給量5%的溫度曲線幾乎相同。將變徑段距離窯頭0.7 m 的變徑回轉(zhuǎn)窯，在工況2 下燃料共給量減小5%，并對比傳統(tǒng)直筒回轉(zhuǎn)窯工況2，發(fā)現(xiàn)，二者溫度曲線幾乎相同。說明該結(jié)構(gòu)變徑回轉(zhuǎn)窯相對直筒回轉(zhuǎn)窯節(jié)能5%，按10 萬t/a 的生產(chǎn)量計算，該變徑回轉(zhuǎn)窯若投入生產(chǎn)每年可以節(jié)省天然氣至少1.8 萬m3。

5 結(jié) 論

（1）將變徑位置設(shè)置在距離窯頭0.7 m，該結(jié)構(gòu)最優(yōu)。原因是由于回轉(zhuǎn)窯在變徑處煙氣流速更大，燃料燃燒的同時，熱對流增強，熱量能更快速的向后段擴散。

（2）通過變徑可以改善回轉(zhuǎn)窯的熱工性能，相對于直筒回轉(zhuǎn)窯更節(jié)省能耗。通過計算發(fā)現(xiàn)，該最優(yōu)結(jié)構(gòu)的變徑回轉(zhuǎn)窯相對直筒回轉(zhuǎn)窯節(jié)能5%，按10 萬t/a 的生產(chǎn)量計算，若投入生產(chǎn)每年可以節(jié)省天然氣至少1.8 萬m3。