向東湖，錢偉，邵俊華，許龍旭

1 前言

篦冷機(jī)是水泥生產(chǎn)線熱工系統(tǒng)中必不可少的組成部分，其主要目的是在冷卻熟料的同時(shí)回收熱量。目前關(guān)于篦冷機(jī)工藝特征的物理模型，多是基于高溫散料氣固錯(cuò)流換熱模型；就其內(nèi)部應(yīng)用的流體力學(xué)假設(shè)，多是基于將料層看為固定床或者移動(dòng)床，應(yīng)用滲流力學(xué)和多孔介質(zhì)的方法，將料層作為一種多孔介質(zhì)來進(jìn)行求解的。本文以我公司5500t/d熟料的新型四代篦冷機(jī)為研究對(duì)象，建立相應(yīng)方程，通過數(shù)值求解，希望對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)和操作提供一定的幫助。

2 基本方程

在假定篦冷機(jī)推動(dòng)速度恒定、日產(chǎn)量M穩(wěn)定的前提下，料層厚度h也是穩(wěn)定的，即單位時(shí)間內(nèi)出篦冷機(jī)的熟料質(zhì)量m是穩(wěn)定的。

式（1）中ρc為熟料密度；ε為熟料孔隙率；Δz為篦冷機(jī)寬度；Δh和n分別為在篦冷機(jī)高度方向劃分的單元高度和單元數(shù)目。

假定熟料通過篦縫的量忽略不計(jì)，則對(duì)每一個(gè)單元在單位時(shí)間內(nèi)熟料流量應(yīng)該是相等的，因此有：

考慮到對(duì)于篦冷機(jī)內(nèi)部，流速＜0.3Ma，可以忽略氣體流動(dòng)引起的壓縮效應(yīng)，但是由于溫度在料床中具有很大梯度，所以必須考慮由溫度引起的氣體的體積變化，因此可以使用Boussinesq模型用于描述氣體狀態(tài)，考慮溫度變化對(duì)流體密度的影響而忽略壓力的影響，即：

ρgin為網(wǎng)格單元進(jìn)口氣體密度，ρgout為網(wǎng)格單元出口氣體密度；Tgin為網(wǎng)格單元進(jìn)口氣體溫度；Tgout為網(wǎng)格單元出口氣體溫度。

因料層厚是恒定的，那么壓強(qiáng)差可通過Ergun公式求解。此公式對(duì)氣體粘性未予考慮。

氣體密度 ρa(bǔ)如下式所示：

其中：

每個(gè)網(wǎng)格能量守恒可通過下式表達(dá)：

其中，Qpj是通過篦冷機(jī)殼體的熱量耗散，可用下式表示：

其中，RTj是總的熱阻抗，通過下式確定：

另外，使用總的熱傳遞效率，熱量損失如下式所示：

通過熱輻射傳遞的熱量：

通過編程，對(duì)上述方程求解分析影響篦冷機(jī)氣固換熱過程的主要因素。

3 影響篦冷機(jī)氣固換熱過程的幾個(gè)因素

以5500t/d熟料篦冷機(jī)為對(duì)象，設(shè)定邊界條件如下：

冷卻空氣溫度30℃；熟料平均粒徑15mm；料層厚度750mm；熟料密度2900kg/m3；孔隙率0.5；出窯熟料溫度1370℃。

圖1 各層熟料溫度分布曲線

圖2 出熟料頂部風(fēng)溫曲線

3.1 供風(fēng)風(fēng)量的影響

如圖1和圖2所示，用篦下風(fēng)速表征各單元冷卻風(fēng)量的變化，用累計(jì)單位冷卻風(fēng)量表征消耗的風(fēng)量。

從圖1和圖2中可以看出，為了獲得更好的熱回收效率和增強(qiáng)熟料的驟冷效果，高溫區(qū)的風(fēng)速設(shè)置得比較高，當(dāng)然，過高的風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致二次風(fēng)溫降低，從而降低熱效率。隨著累計(jì)單位冷卻風(fēng)量的增加，風(fēng)溫和料溫都呈遞減趨勢(shì)，在低溫區(qū)，衰減趨于平緩。如圖1所示，在設(shè)置的邊界條件下，1.8m3（標(biāo)）的風(fēng)量足以將單位熟料冷卻到所要求的溫度范圍。

3.2 熟料粒徑的影響

改變邊界條件中的熟料平均粒徑，分別計(jì)算了不同粒徑的工況的情況下，出篦冷機(jī)熟料平均溫度的分布規(guī)律。

從圖3中不難看出，隨著粒徑的增加，出冷卻機(jī)熟料溫度則線性增加。熟料粒徑的增加意味著大塊熟料更難以冷透，只能在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行表面的換熱，因而熟料溫度并不能有效地降低，而粒徑越大，這種趨勢(shì)就越明顯，出冷卻機(jī)熟料溫度升高。

3.3 料層厚度對(duì)換熱的影響

對(duì)于料床的移動(dòng)速度來說，它影響了料層的厚度。改變邊界條件中的料層厚度，計(jì)算了不同料層厚度工況下幾項(xiàng)表征參數(shù)。

圖4給出了熟料厚度與出冷卻機(jī)氣體溫度之間的關(guān)系?？梢钥吹?，隨著料層厚度的增大，入窯氣體溫度對(duì)數(shù)增加。對(duì)于入窯氣體溫度變化，其對(duì)數(shù)增加趨勢(shì)是：在600mm以前，隨著高度的增加，入窯氣溫迅速升高；在600mm之后，相對(duì)來說增長(zhǎng)趨勢(shì)并不明顯，相對(duì)要緩慢一些，特別是在850mm以后，其增長(zhǎng)趨勢(shì)更慢。造成這種結(jié)果的一種看法是：在產(chǎn)量一定的前提下，推動(dòng)速度的減小增加了料層的高度，而推動(dòng)速度減小就意味著熟料在整個(gè)冷卻機(jī)內(nèi)部要停留更長(zhǎng)的時(shí)間，也就意味著有更多的時(shí)間與冷卻空氣之間進(jìn)行換熱。相對(duì)來說，換熱時(shí)間越長(zhǎng)，則熱量交換越充分，出冷卻機(jī)氣體溫度越高。同時(shí)可以注意到，入窯氣體溫度主要跟急冷區(qū)的換熱效果有關(guān)。

圖5 料層厚度與冷卻機(jī)熱效率的關(guān)系

圖6 料層厚度與出冷卻機(jī)熟料溫度的關(guān)系

圖7 出窯熟料溫度與出冷卻機(jī)熟料溫度的關(guān)系

圖8 冷卻風(fēng)溫與出冷卻機(jī)熟料溫度的關(guān)系

圖5給出了冷卻機(jī)熱效率與料層高度之間的變化關(guān)系。從中也可以很明顯地看到類似于前面討論到的規(guī)律。而且，從其曲線分布來看，似乎在600～850mm之間換熱效率與料層高度之間有相對(duì)較為合適的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因而，大多數(shù)選取600～800mm作為料層高度分布區(qū)域似與此有關(guān)。

圖6則給出了熟料高度與出冷卻機(jī)熟料溫度的關(guān)系。從中不難看出，依然呈現(xiàn)對(duì)數(shù)分布。同時(shí)，也可以看到，在料層厚度大于600mm之后，熟料溫度變化趨于平穩(wěn)。而此時(shí)熟料溫度大約在120℃以下。在料層厚度超過800mm以后，因?yàn)樵黾语L(fēng)機(jī)壓頭會(huì)帶來電耗的上升，因此不予推薦。

3.4 出窯熟料溫度對(duì)換熱的影響

改變邊界條件中的出窯熟料溫度，計(jì)算了不同溫度工況下出冷卻機(jī)熟料溫度。

從圖7中可以看到，出窯熟料溫度增加，出冷卻機(jī)熟料溫度也增加。計(jì)算表明出窯熟料每增加50℃，出冷卻機(jī)熟料溫度僅增加3～5℃。因此，出窯熟料的改變主要表現(xiàn)為對(duì)二、三次風(fēng)溫和余風(fēng)溫度的影響，而對(duì)出冷卻機(jī)熟料溫度的影響不大。

3.5 環(huán)境溫度對(duì)換熱的影響

從圖8可以看出，冷卻風(fēng)溫每增加10℃，出冷卻機(jī)熟料溫度增加10～12℃。由于冷卻風(fēng)溫的增加，使得風(fēng)料溫差減小，并且換熱系數(shù)也變小，從而對(duì)熟料的冷卻效果影響較大。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)量是影響熟料冷卻效果的主要因素，在風(fēng)量合理分配、粒徑均勻、料層控制合理的前提下，1.8m3（標(biāo)）/kg熟料的風(fēng)量足以將熟料冷卻。

（2）急冷區(qū)的篦下風(fēng)速對(duì)熟料的冷卻效果和熱回收都有影響,厚料層時(shí)一室風(fēng)速控制在1.6m（標(biāo)）/s左右，有利于熱回收和熟料冷卻。

（3）熟料料層高度對(duì)熱回收效率影響很大，為提高冷卻機(jī)熱回收率，應(yīng)適當(dāng)增加熟料料層厚度，對(duì)于新型篦冷機(jī)推薦在600～800mm范圍內(nèi)。

（4）熟料顆粒粒徑對(duì)熟料的冷卻影響較大,排出熟料溫度與粒徑大小呈線性增加。

（5）冷卻風(fēng)溫對(duì)熟料的冷卻效果影響較大，冷卻風(fēng)溫每增加10℃，出冷卻機(jī)熟料溫度增加10～12℃。出窯熟料溫度對(duì)熟料冷卻影響不大，出窯熟料溫度每增加50℃，冷卻后熟料溫度增加3～5℃。

[1]胡道和,徐德龍,蔡玉良.氣固過程工程學(xué)及其在水泥工業(yè)中的應(yīng)用[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2002.

[2]D.Touil,H.F Belabed,C.Frances,S.Belaadi.Heat exchange modeling of a grate clinker cooler and entropy production analysis.2005.■