喷入法喂料的氧化铝熟料窑的预热分解带较长,占全窑长的60%～65%<1>,是整个窑传 热的薄弱环节,也是制约熟料窑提高热效率、降低能耗的重要因素。要增强这个薄弱环节的传热, 必须提高窑尾烘干能力,减轻预热分解带的加热负担,延长物料在该带的停留时间<24>,使进 入烧成带前的物料温度较高,从而提高熟料的溶出率<5>。同时,提高窑尾烘干能力,还可降低 出窑烟气温度,减少热损失,提高熟料窑热效率。窑尾烟气温度和水蒸汽浓度分布是衡量喷射干燥 的重要指标,受料浆粒径和窑尾压力变化的影响较大。由于熟料窑高温封闭的工作环境,窑内各相 的热工参数很难进行检测,本文作者应用计算机仿真模拟,研究料浆粒径和窑尾压力变化对喷射干 燥段窑内温度、水蒸汽浓度分布等参数的影响规律,并对操作参数和工艺参数进行了优化。1 数 学模型1.1 解析域及网格划分以某厂d4.5m×90m氧化铝熟料窑为研究对象。距窑尾3 0m内为刮料器和扬料板区域,该段物料以雾状喷出,与高温烟气进行强烈的热交换,然后又受到 扬料板的作用,以料幕形式与烟气进行热交换,主要脱除料浆中的附着水和结晶水<6>,这一带 称为喷射干燥带。其烘干能力对整个窑的性能和指标非常重要,故以这一段为解析区域。考虑刮料 器、扬料板及返灰的影响,内径取4.1m,轴向长度方向取30m的窑体再加1.5m窑尾罩, 并考虑3.5%的倾斜。图1所示为熟料窑简图<7>。图1 熟料窑简图Fig.1 Plan sketchofaluminarotarykiln采用先进的多块网格结构及结构化非均匀 网格技术,轴向均匀划分为63个网格节点,径向在中心区域因喷枪直径较小,及物料强烈的湍流 作用,网格划分较密,其它区域考虑计算成本划分较疏,共6万多单元。横截面和纵截面网格划分 如图2所示。1.2 数学模型1)喷射干燥模型在喷射干燥模型<8>中,颗粒的总流动通过追 踪小量穿过连续流体的颗粒而建模,各颗粒穿过连续相时被独立地追踪。模型中颗粒包含了一个传 质分量和一个传热分量。颗粒是否低于沸点由Antonie方程决定并由式(1)给出pvap =exp(A-BT+C)(1)式中 A、B、C为常数。若蒸汽压pvap高于气相压力则颗 粒沸腾,反之则低于沸点。当颗粒超过沸点时,质量传递由对流传热支图2 解析域横截面和纵截 面网格划分Fig.2 Gridplotincrossandlongitudinalse ctionofcomputationalzone(a)—Gridplotincross section;(b)—Gridplotinlongitudinalsection配, 表达式如下:dmdt=-QcV(2)当颗粒低于沸点时,质量传递由以下公式给出:dmdt =πdρDShWcWGlg1-x1-xG(3)式中 T为颗粒温度;Qc为对流传热;V为 蒸发潜热;d是颗粒直径;ρ,D是连续相中质量分数的扩散系数;Sh是谢伍德准数;Wc和W G是水蒸汽和连续相中混合物的分子量,x和xG是液滴和汽相中的摩尔分数。当颗粒中所有水分 已经蒸发时,传质速度设置为0。2)边界条件入口速度:假定料浆流量76m3/h,约35. 34kg/s;烟气速度根据窑内烟气量及烟气温度计算,约13.32m/s。出口采用压力边 界条件,对于近壁面,沿流动方向采用壁面函数。生料浆初始温度为60℃,水分含量为36.0 %。具体工况计算参数如表1所示。2 计算结果与分析图3给出了窑内烟气温度分布计算结果。 由图·931·第14卷第1期 马爱纯,等:氧化铝熟料窑喷射干燥段 参数的仿真优化表1 工况计算参数表Table1 CalculatedconditionalparametersCasevgas/(m·s-1)tgas/℃Qslurry/(kg·s-1)dslurry/mmp/Pa113.32105035.340.1-300213.32105035.340.1- 200313.32105035.345.0-300413.32105035.341.0-300pispressureatkilnend;w(H2O)is36%.图3 喷射干燥段内烟气温 度分布Fig.3 Temperatureprofileoffumeinspraydrierzone(a)—dslurry=0.1mm,p=-300Pa(Case1);(b)—dslurry=0.1mm,p =-200Pa(Case2);(c)—dslurry=1mm,p =-300Pa(Case4)3(a)、(b)可知,物料平均粒径相同时,窑尾负压对喷射干燥 段内烟气温度分布有较大影响。负压越大,窑内烟气温度衰减越慢,出窑烟气温度越高;反之,则 窑内烟气温度衰减加快,出窑烟气温度降低。窑尾负压为-300Pa时,出窑烟气平均温度为2 48℃;负压为-200Pa时,出窑烟气温度降低到215℃左右。此外,当喷射干燥区域的入 口烟气温度相同时,窑尾负压大小对离开该段的固体物料颗粒的温度也有一定影响。负压较大时, 由于烟气温度衰减缓慢,所以物料加热速度较均匀;负压较小时,由于烟气温度衰减较快,物料开 始加热较慢,而后加热速度增快。图3(a)、(c)比较了料浆粒径对窑内烟气温度分布的影响 。物料平均粒径增加到1mm时,窑内烟气温度衰减较平均粒径为0.1mm时慢,窑尾烟气平均 温度上升到264℃左右。可见物料粒度增加,使换热面积减小,窑内换热效果变差,出窑烟气温 度将上升,而物料被加热的温度则降低,平均粒径为1mm的物料在喷射干燥段出口处只被加热到 240℃左右。由于物料温度较低,加重了预热分解带的负担,使预热分解带增长,烧成带相应缩 短,影响熟料的产量和质量。喷射干燥中另一个重要的指标是窑内水蒸汽的浓度分布。图4所示为 窑内水蒸汽浓度分布计算结果。与图3中的烟气温度分布相对应,水蒸汽浓度在靠近料浆喷嘴15 m处较高,其余区域很低,而且负压较高时,料浆中水分蒸发也较快,相应地,负压较低时,靠近 窑尾区域温度相对较低,水蒸汽蒸发区域增长。所以增大窑尾负压,可提高窑尾区域的温度,增强 窑尾烘干能力。在相同的窑尾负压下,增大料浆颗粒粒度,将使窑尾的烘干能力降低。如图4(c )所示,当生料浆颗粒粒度增加到1mm,窑内水蒸气浓度急剧减小,约为图4(a)中的一半。 图4 喷射干燥段内水蒸汽浓度分布Fig.4 Moisturecontentprofileinspraydrierzone(a)—dslurry=0.1mm,p=-300Pa(Case1);(b)—dslurry=0.1mm,p =-200Pa(Case2);(c)—dslurry=1mm,p =-300Pa(Case4)3 讨论根据以上计算结果可以看出,窑尾负压大小对窑内温度分布 和水蒸汽浓度分布影响很大。负压增大,窑内抽力增大,过剩空气增多,火焰被拉长,窑内烟气温 度衰减减慢,出窑烟气温度升高,余热损失也将增加,但窑尾的烘干能力增强;相反,负压减小, 可降低出窑烟气温度,减少余热损失,但燃烧带变短,窑内温度衰减加快,窑尾烘干能力下降,使 预热分解带的加热能力也降低。所以必须将窑尾负压控制在合适范围。生产中窑尾负压应在-20 0～-300Pa之间,并根据窑况进行调节。需要加长火焰、提高窑尾温度时可提高负压,相反 则减小负压。另外,生料浆的平均粒径大小对窑内温度、水蒸汽浓度分布有一定影响。小粒径有利 于降低窑尾烟气温度,减小物料离开烘干带时的含水量,加快物料的升温过程。计算结果显示,窑 尾负压相同(-300Pa)情况下,生料浆平均粒径由0.1mm增大到1mm时,窑尾烟气平 均温度由248℃上升到264℃,窑内烟气中水分浓度显著减小,表明料浆没有得到有效的烘干 ,加重了预热分解带的负担。所以料浆的平均粒径应不大于0.1mm。现场的料浆平均粒径一般 应控制在0.097～0.125mm(120～160目<10>)内。对该窑进行的热工综合 测试结果<9>表明,窑尾负压为-300Pa时,窑内过剩空气系数为1.38,窑尾烟气温度 为236℃,与仿真计算结果248℃相比,两者相差12℃,这主要是由于测试时测点位置在出 窑后10m处,烟气受到窑尾漏风的冷却而温度下降。当窑尾负压为-200Pa时,出窑烟气温 度的仿真计算结果为215℃,窑内过剩空气系数约为1.08左右。文献<1>认为,生产正常 时,合适的窑内空气过剩系数应为1.10。仿真计算结果与热工测试及工程实际基本一致。4 结论1)加强窑尾喷射干燥段的换热,减小烟气的出窑温度,能增强窑尾的烘干能力,强化预热分 解带的传热和分解过程,提高熟料窑的热效率和产量。2)生产中窑尾负压应在-200～-30 0Pa之间根据窑况进行调节。需要加长火焰、提高窑尾烘干能力时可提高负压,反之则减小负压 。3)缩小料浆粒径,有利于降低窑尾烟气温度,减小物料离开烘干带时的含水量,加快物料的升温。氧化铝熟料窑喷射干燥段参数的仿真优化@马爱纯$中南大学能源与动力工程学院!长沙410083
@周孑民$中南大学能源与动力工程学院!长沙410083
@李旺兴$中国铝业股份有限公司郑州轻金属研究院!郑州450041氧化铝熟料窑;;喷射干燥 ;;温度分布;;仿真优化以d4.5m×90m熟料窑的喷射干燥段为研究对象,建立了三维传 热、传质数学模型。应用数值方法,研究了不同窑尾压力和料浆粒径时,窑内温度分布和水蒸气的 浓度分布,并对操作参数和工艺参数进行了优化。结果表明:窑尾负压和生料浆的平均粒径对窑内 温度分布和水蒸汽浓度分布有较大影响;需要提高窑尾温度和窑尾烘干能力时可提高负压,反之则 减小负压;减小料浆粒径,有利于降低窑尾烟气温度,加快物料的升温过程;对直径为4.5m左右的大型回转窑,窑尾负压可根据窑况在-200～-300Pa之间
More abstracts about the 氧化铝熟料窑喷射干燥段参数的仿真优化