姚 心， 楊培培，2

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.北京科技大學 能源與環(huán)境工程學院， 北京 100083)

0 引言

作為冶金和化工生產(chǎn)中熱工核心設備之一，回轉窯的技術性能和運轉情況在很大程度上影響著企業(yè)產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量和成本。回轉窯是一個封閉且高溫的設備，內部運行過程復雜，不僅存在熱傳導、對流及輻射三種熱交換方式，還同時發(fā)生物料的輸送、物料揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒等多種物理化學反應[1]?；剞D窯實際生產(chǎn)中存在窯體結構復雜、熱損失大及產(chǎn)品受熱不均勻等問題，利用仿真技術分析窯內物料的流動特性及氣固兩相換熱研究為實際生產(chǎn)的回轉窯優(yōu)化操作提供理論依據(jù)，對工程實踐應用具有重大的指導意義。目前，國內外學者通過適當?shù)暮喕僭O做了一系列的研究，為回轉窯操作參數(shù)優(yōu)化和結構改進提供了理論指導[1-3]。

車凱[1]建立了回轉窯一維傳熱數(shù)學模型和三維CFD模型，一維模型以窯外壁溫度為已知量預測了窯內溫度分布規(guī)律和窯皮附著情況；三維模型以一維模型結果中窯皮厚度為已知量，預測了窯內外溫度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)物料反應對窯內壁溫度分布影響較大。陳延信等人[2]以煤粉為燃料利用流體仿真軟件Fluent研究了回轉窯溫度場的分布，基于此進一步完善了窯內復雜的物理和化學反應過程。王春華等[3]對碳素煅燒回轉窯內氣體與物料間的傳熱進行分析，研究表明窯內溫度最高點處于大量揮發(fā)分燃燒的區(qū)域，引入二次風和三次風使窯內的煙氣溫度降低，但對料層影響不大。Wang等[4]運用Fluent軟件對水泥回轉窯和四通道煤粉燃燒器的溫度場、速度場、濃度場進行三維數(shù)值模擬研究，熟料反應熱在模型中被作為熱流項添加到物料和煙氣熱量傳遞模型，極大的促進了對窯內燃燒過程的深刻認識和燃燒器技術的發(fā)展。

國內外大量專家和學者的研究現(xiàn)狀表明，窯內發(fā)生極其復雜的化學及物理現(xiàn)象，但目前大部分研究工作不夠深入，建立的數(shù)學模型往往簡化假設較多，許多問題還不能從理論上給出很好的解釋，諸多問題難以從根本上解決，對實際工況的適用性較差。因此，本文結合實際生產(chǎn)，通過仿真對回轉窯內的燃燒和傳熱傳質過程進行機理研究，對保障回轉窯穩(wěn)定連續(xù)的運行，提高行業(yè)生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本和能耗污染具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 數(shù)學模型的建立

1.1 湍流流動方程

回轉窯中氣固流動是一種帶有化學反應的三維湍流流動，窯內煤粉燃燒的數(shù)值模擬需要綜合考慮所選湍流模型的可靠性和煤粉燃燒的穩(wěn)定性。鑒于回轉窯窯頭噴嘴出口附近存在旋流引起的強回流和氣固返混現(xiàn)象，本文采用標準k-ε模型來模擬窯內氣固兩相湍流流動。標準k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程如下所示：

(1)

(2)

式中ρ—流體的密度；

Gk—層流速度梯度產(chǎn)生的湍動能；

Gb—浮力作用產(chǎn)生的湍動能；

YM—可壓縮湍流中的脈動擴張；

湍流粘性系數(shù)的計算公式是μt=ρCμk2/ε。

1.2 煤粉燃燒過程

回轉窯內的煤粉燃燒計算是一個非常復雜的過程，主要涉及了煤粉噴射、煤粉濃淡分離、煤粉顆粒熱解、焦炭表面燃燒、煤粉顆粒分級燃燒和氣體、顆粒輻射等。為了保證窯內處于高溫狀態(tài)，一般采用適用于非預混燃燒、局部預混燃燒和預混燃燒的有限速率模型求解反應物和生成物輸運組分方程，化學反應機理由用戶定義。模型中反應率以源項形式存在，根據(jù)組分輸運方程中的Arrhenius方程或渦耗散模型計算。

煙氣反應方程主要是煤粉燃燒的反應方程。根據(jù)煤粉工業(yè)成分分析獲得的元素成分灰分分析，通過專業(yè)軟件擬合出燃燒兩步反應方程式的當量系數(shù)。

C2.19H9.15O0.57N0.37+3.09O2→
2.19CO+4.57H2O+0.186 5N2

(3)

CO+0.5O2→CO2

(4)

通過計算得到煤粉的HCV熱值為：24.37 MJ/kg，煤粉揮發(fā)物標準狀態(tài)焓為-467 461 kJ/kg·mol，煤粉燃燒反應熱為3.278 9×107J/kg，反應熱作為一個熱流項耦合到煙氣和物料熱量傳遞模型中。

1.3 輻射模型

實際物體的輻射力可以表示為：

E=εσT4

(5)

式中E—輻射力，W/m2；

ε—黑度；

σ—黑體輻射常數(shù)，W/(m2·K4)；

T—溫度，K。

回轉窯處于高溫運行，輻射換熱與溫度成四次方定律，是窯內主要的換熱方式，因此輻射模型的選擇對于窯內換熱過程的研究起著關鍵作用。選擇輻射模型時要考慮光學厚度?；剞D窯內煤粉燃燒過程要吸收輻射，屬于大光學厚度介質范疇，對于大光學厚度介質，可以采用P- 1模型和Rossland模型。Rossland模型通常推薦用于光學厚度大于3的情況；只能用于壓力求解器，不能用于密度求解器。而P- 1模型考慮了散射作用，計算代價小、精度相對較高，能考慮氣體和顆粒間的輻射換熱，對于光學深度較大的燃燒模型，模型更穩(wěn)定，故本文選取P1輻射模型計算輻射換熱。

2 回轉窯傳熱及燃燒過程數(shù)學模型的應用

圖1所示為回轉窯結構示意圖?；剞D窯由燃燒器噴入窯內的燃料和磁鐵礦排出的揮發(fā)分燃燒后產(chǎn)生高溫，在沿窯的長方向形成3個溫度帶，即預熱帶、燒成帶和冷卻帶。燒成帶的溫度既與燃料的噴入量及其熱值相關，也與噴入燃料和揮發(fā)分是否充分燃燒有關。燃料和揮發(fā)分的充分燃燒與空氣量密切相關，空氣量不足，燃燒不充分，溫度升不上去，空氣過量又會引起煙氣量增加。

圖1 回轉窯結構示意圖

回轉窯內傳熱過程復雜，存在物料、煙氣、窯壁之間的對流、導熱及輻射換熱，還包括非常復雜的湍流流動和燃燒化學反應過程，合理的溫度分布是回轉窯生產(chǎn)的重要保障。此外，回轉窯本身的回轉運行使內部的對流換熱系數(shù)與其他反應器不同。

以釩鈦磁鐵礦和鉛鋅礦為例，通過對回轉窯全面的仿真計算，為提高回轉窯熱效率、降低能耗、優(yōu)化設計提供理論支撐和技術指導。

3 釩鈦磁鐵礦回轉窯數(shù)值仿真

以實際運行的釩鈦磁鐵礦回轉窯為例，分析增加三次風及三次風風向對窯內溫度場、反應物和生成物的形成及物料分布的影響，為工藝方案和設備參數(shù)可行性論證提供技術指導。

將釩鈦磁鐵礦回轉窯窯頭到窯尾的區(qū)域作為數(shù)值模擬計算的求解區(qū)域，采用結構化網(wǎng)格劃分方法，設備現(xiàn)有結構三維網(wǎng)格如圖2所示，只有一次風和二次風。改進方案一：在窯體中間區(qū)域增加逆流方向布置的三次風口；改進方案二：在窯體中間區(qū)域增加逆流和順流雙向布置的三次風口。

圖2 回轉窯網(wǎng)格模型和一次風、二次風入口示意圖

3.1 方案一對窯內溫度分布的影響

圖4 窯內濃度場分布

圖3所示為增加三次風對回轉窯內溫度場分布影響。從圖中可以看出，對于只有一次和二次風的工況，火焰很短，窯頭溫度在1 130 ℃左右，從燒成帶到窯尾很長的一段距離，溫度下降很快，窯內溫度場不理想，窯尾預熱帶溫度在700 ℃左右，無法確保后段揮發(fā)分是否充分燃燒。當加入三次風時，火焰變長，形狀為良好的棒槌狀，三次風入口方向吹向窯頭的布置使窯內氣相流動擾動強烈，有利于空氣和揮發(fā)分的充分混合、燃燒。窯內高溫區(qū)域擴大，溫度分布更合理，煅燒帶明顯加長，燃燒帶及高溫帶位于二次風供風處和三次風供風處之間，其溫度大約在1 250 ℃以上。三次風供風處與窯尾之間的溫度窯升高到900 ℃以上，這表明預熱帶逸出的揮發(fā)分完全燃燒，放出大量的熱，顯著提高了回轉窯焙燒產(chǎn)品質量和生產(chǎn)能力。

圖3 窯內溫度場分布

3.2 方案一對化學反應的影響

從圖4可以看出，對于只有一次風和二次風的工況，窯體后段大量揮發(fā)分剩余，氧氣幾乎消耗完全，證明回轉窯內的燃料并沒有完全燃燒?？拷G尾后段剩余較多的可燃性氣體(如CO等)，窯尾負壓的存在將可燃性氣體燃氣抽入燃燒室內繼續(xù)進行燃燒，造成了極大的能源浪費，使回轉窯熱效率降低。圖4中加入三次風的工況中回轉窯后段的揮發(fā)分濃度明顯降低，這是因為三次風帶入的充足氧氣促使可燃性氣體在窯內充分燃燒，大大提高了回轉窯的熱效率和產(chǎn)品質量。此外，三次風的加入，使得回轉窯后段CO氣體濃度、CO2氣體濃度大大降低，氧氣濃度增加。

3.3 方案二對窯內溫度分布的影響

工況三同時加入了吹向窯頭和窯尾兩個方向的三次風，圖5窯內溫度場分布結果表明，燃燒火焰長度比只有一次風和二次風工況時大幅增加，擴大了高溫區(qū)的范圍，窯頭附近的溫度達到1 650 ℃的高溫。順流和逆流兩個方向的三次風的加入，使煤揮發(fā)物燃燒更為徹底，窯尾溫度達到1 180 ℃，造成極大的能源浪費。

圖6 窯內濃度場分布

圖5 窯內溫度場分布

3.4 方案二對化學反應的影響

由圖6可知，工況二和工況三增加三次風，促進了揮發(fā)分的燃燒，使得預熱帶和過渡帶CO濃度和煤揮發(fā)物濃度急劇降低。加入逆流和順流兩個方向的三次風與只加入逆流三次風相比，靠近窯頭段的CO濃度和煤揮發(fā)物濃度稍高一些。從圖6c和圖6d發(fā)現(xiàn)，靠近回轉窯窯頭處，由于煤粉大量燃燒，O2濃度急劇降低，CO2濃度迅速上升。三次風的加入使得三次風口至窯尾處CO2濃度降低，O2濃度升高。

由以上結果可知，加入三次風可以促進煤粉的充分燃燒、減少能耗；方案一相對于方案二可獲得更高的回轉窯運行熱效率。

4 鉛鋅礦回轉窯數(shù)值仿真

鉛鋅礦回轉窯結構簡單，但是內部物料與氣體間的換熱相當復雜，窯內包含大量的化學反應，包括碳酸鋅、碳酸鉛、碳酸鈣、碳酸鎂的分解，以及水分的蒸發(fā)、氧化鉛鋅的還原、鉛鋅的氧化、焦煤的燃燒等。本文針對某Φ6.2 m×85 m的大型鉛鋅礦回轉窯進行了數(shù)值仿真研究，探討了窯內溫度場分布、氣體反應物和生成物的質量分數(shù)等，為回轉窯的實際生產(chǎn)應用提供了理論指導。

窯內溫度分布如圖7所示，沿著氣流流動方向，窯內溫度經(jīng)歷了燃燒主導的急劇升溫過程，并在距窯頭45 m處達到最高(1 400 ℃以上)；經(jīng)過物料在燒成帶的大量吸熱后，溫度開始逐漸下降，在窯尾處顯著降低，約為800 ℃。溫度在300 ℃以上時，碳酸鋅分解，到500 ℃時基本分解完畢；超過500 ℃，碳酸鉛和碳酸鎂分解，到800 ℃基本分解完畢；到800 ℃時，氧化鉛開始揮發(fā)并和炭發(fā)生還原反應；超過900 ℃，碳酸鈣開始分解，氧化鋅開始還原。顯然，圖中所示溫度場分布滿足生產(chǎn)的工藝要求，可以得到質量優(yōu)良的產(chǎn)品。

圖7 窯內溫度分布云圖及沿窯長方向的變化

從圖8和圖9可知，沿著窯長方向初始位置CO2質量分數(shù)為零，此處煤粉開始揮發(fā)但未燃燒，O2濃度較大。隨著焦炭的著火燃燒，O2質量分數(shù)開始減少，CO2質量分數(shù)開始增加。距離窯頭約55 m處，劇烈的燃燒過程結束，O2和CO2質量分數(shù)達到平衡，基本保持不變，這表明焦炭燃燒完全，反應結束。

圖8 窯內氣體質量分數(shù)O2

圖9 窯內氣體質量分數(shù)CO2

5 結論

本文以釩鈦磁鐵礦和鉛鋅礦為例，將氣固兩相流動方程和能量方程耦合，建立了一套描述回轉窯內傳熱及燃燒過程的數(shù)學模型，包括多相流模型、湍流模型、燃燒模型、輻射換熱模型，并用數(shù)值計算的方法分析了窯內氣固兩相流之間的換熱過程和燃燒情況，為優(yōu)化回轉窯設計提供了理論依據(jù)。

(1)本文通過Fluent軟件對回轉窯內溫度場和氣體分布進行分析，較為直觀地了解各運行工況下窯內的溫度和氣體分布情況，為實際生產(chǎn)提供理論指導；

(2)釩鈦磁鐵礦方案一窯內高溫區(qū)域擴大，可燃氣體燃燒充分，大大提高了回轉窯的熱效率和產(chǎn)品質量，明顯優(yōu)于釩鈦磁鐵礦原始結構和方案二的工況；

(3)溫度分布是鉛鋅礦回轉窯鉛鋅等成分合理揮發(fā)，從而保證安全高效生產(chǎn)的關鍵。

本文的研究成果可應用在眾多同類型回轉窯，為操作參數(shù)優(yōu)化、改善產(chǎn)品質量、節(jié)能降耗提供了準確可靠的研究方法。