1、引言
回轉(zhuǎn)窯作為水泥生產(chǎn)過(guò)程中核心的熱工設(shè)備，經(jīng)預(yù)熱分解的物料從窯尾煙室落入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，伴隨著窯體的旋轉(zhuǎn)連續(xù)向窯頭運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。燃料燃燒放熱為物料反應(yīng)提供熱量，耐火磚防止熱量散失使物料反應(yīng)正常連續(xù)進(jìn)行，這樣，整個(gè)回轉(zhuǎn)窯由于熱量傳遞而處于高溫灼熱狀態(tài)。為了防止回轉(zhuǎn)窯的熱脹冷縮，簡(jiǎn)體表面溫度一般不高于400℃。目前，對(duì)簡(jiǎn)體多采用冷卻風(fēng)機(jī)直接風(fēng)冷，但冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和數(shù)量一般都會(huì)有很大富余，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)冷卻風(fēng)機(jī)位置的不同，對(duì)于冷卻效果也產(chǎn)生了很大的影響。
窯簡(jiǎn)體表面溫度間接反映窯內(nèi)物料的反應(yīng)及其與氣流的熱傳遞情況，雖然目前用一些設(shè)備，如紅外線筒體掃描測(cè)量、回轉(zhuǎn)窯滑環(huán)式測(cè)溫系統(tǒng)、窯頭紅外比色測(cè)溫儀、計(jì)算機(jī)圖像處理等，能夠測(cè)量簡(jiǎn)體表面的溫度曲線，但由于一些物理上的限制不能將窯內(nèi)的溫度情況直觀地測(cè)定和很好地展現(xiàn)出來(lái)，應(yīng)用數(shù)值模擬方法來(lái)得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場(chǎng)，可以突破上述限制，且用于指導(dǎo)實(shí)踐。
目前，已有許多學(xué)者開(kāi)展回轉(zhuǎn)窯相關(guān)數(shù)值模擬研究。建立了回轉(zhuǎn)窯窯壁非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)窯皮厚度進(jìn)行了優(yōu)化；運(yùn)用有限元方法對(duì)10000t/d水泥回轉(zhuǎn)窯溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了回轉(zhuǎn)窯的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分布；研究了10000t/d回轉(zhuǎn)窯風(fēng)機(jī)冷卻情況，并采用生產(chǎn)實(shí)踐與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定了鼓風(fēng)冷卻方式。本文依據(jù)回轉(zhuǎn)窯各溫度范圍內(nèi)物料的物理、化學(xué)反應(yīng)，以及物料和氣流在回轉(zhuǎn)窯窯長(zhǎng)方向上的理論溫度曲線，得到了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁的等效溫度曲線，并對(duì)簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)、輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選擇及個(gè)數(shù)進(jìn)行了研究，以達(dá)到延長(zhǎng)耐火磚使用壽命、提高回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率、降低電耗的目的。
2、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱的基本理論
根據(jù)傳熱學(xué)理論分析回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部發(fā)生的傳熱過(guò)程，實(shí)際以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種形式存在。
回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和氣流的溫度，從理論上來(lái)說(shuō)，在回轉(zhuǎn)窯外殼圓周方向上為一定值。由于窯體的旋轉(zhuǎn)，窯內(nèi)壁不斷與熱氣流和溫度相對(duì)較低的物料接觸，并進(jìn)行熱交換。對(duì)于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和氣流對(duì)窯內(nèi)壁的傳熱作用，可以看成是物料對(duì)其不斷降溫，而氣流對(duì)窯內(nèi)壁不斷加熱的過(guò)程。這樣，在回轉(zhuǎn)窯周向上窯內(nèi)壁的溫度趨近于恒定，即
而對(duì)于窯簡(jiǎn)體表面，主要以熱輻射和熱對(duì)流的形式向大氣散熱，可以按綜合換熱系數(shù)進(jìn)行處理。正常連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，整個(gè)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，流入系統(tǒng)的熱量基本等于流出的熱量，因此可以將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱近似看成是穩(wěn)態(tài)傳熱。
3模擬方案
3.1本模擬相關(guān)材料的物性參數(shù)
回轉(zhuǎn)窯用耐火磚、澆注料、鋼及窯皮的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。
3.2模型的建立
結(jié)合新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際生產(chǎn)工藝，使用ANSYS軟件中的Plane 55單元，建立了含窯皮、耐火磚、澆注料以及簡(jiǎn)體在內(nèi)的數(shù)值模型。
圖1為所建的包含窯皮、耐火磚及簡(jiǎn)體在內(nèi)的數(shù)值模型徑向剖面的示意圖。圖2為劃分網(wǎng)格后的回轉(zhuǎn)窯軸向剖面二維數(shù)值模型的示意圖（y方向上放大了10倍）。其中，以窯頭的中心位置為原點(diǎn)，窯長(zhǎng)方向?yàn)閤軸，窯徑向方向?yàn)閥軸，對(duì)于厚度較小的簡(jiǎn)體處，網(wǎng)格劃分較細(xì)。
3.3邊界條件
3.3.1在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁施加物料和氣流溫度邊界條件
圖3給出了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料、氣流的理論溫度曲線以及它們綜合作用的等效溫度曲線。
3.3.2在簡(jiǎn)體表面施加綜合散熱系數(shù)邊界條件
回轉(zhuǎn)窯筒體表面以熱對(duì)流和輻射的方式向外界空氣侍熱。該項(xiàng)目所用簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)和輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量均為25000rri3{}1，但因出口截面積不同，風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速分別為28m/s和20m/s。不同溫差、不同風(fēng)速下筒體表面的對(duì)流換熱系數(shù)如表2所示。
4模擬結(jié)果
4.1初始窯皮厚度時(shí)的模擬結(jié)果
首先建立了初始窯皮厚度為200mm的模型，從模擬結(jié)果中讀取了簡(jiǎn)體表面的溫度數(shù)據(jù)，并繪制成窯長(zhǎng)方向的曲線如圖4所示，與圖5中從工廠實(shí)際生產(chǎn)線上采集的回轉(zhuǎn)窯簡(jiǎn)體表面溫度曲線進(jìn)行對(duì)比�？梢钥闯�，兩條曲線的走向基本一致，結(jié)果顯示回轉(zhuǎn)窯的1號(hào)和2號(hào)輪帶間的簡(jiǎn)體表面溫度較高，其他位置的溫度較低，說(shuō)明
圖(b)和(c)中可以看出，2號(hào)和3號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度相對(duì)較高。這是由于回轉(zhuǎn)窯簡(jiǎn)體（鋼）的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，熱量向外界傳遞的多；另外，2號(hào)輪帶處沒(méi)有窯皮的保護(hù)，使得更多的熱量傳到窯簡(jiǎn)體表面，同時(shí)，本項(xiàng)目中所用燃料為石油焦，所含揮發(fā)分少，燃盡時(shí)間長(zhǎng)，火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使得2號(hào)輪帶兩側(cè)簡(jiǎn)體溫度較高。這也說(shuō)明在此處使用輪帶冷卻風(fēng)機(jī)是十分必要的，它可以防止輪帶因?yàn)闇囟冗^(guò)高而產(chǎn)生較大的膨脹。建議使用火焰較長(zhǎng)燃料的生產(chǎn)線，必須在2號(hào)輪帶處增加一臺(tái)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)，而且若此處沒(méi)有窯皮保護(hù)，所用的冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量應(yīng)該適當(dāng)比3號(hào)輪帶大一些。
圖7為窯皮厚度不均一時(shí)筒體表面的溫度曲線，可以更加明顯地看出窯皮較薄的位置，簡(jiǎn)體表面溫度較高，窯皮較厚的位置，筒體表面溫度較低。同時(shí)，可以看出2號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度比3號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度高近100℃。這是因?yàn)?號(hào)輪帶兩側(cè)比3號(hào)輪帶兩側(cè)熱量傳遞得多，而本項(xiàng)目中兩個(gè)輪帶使用的冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量相同，建議2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量比3號(hào)輪帶的要大一些，防止2號(hào)輪帶膨脹變形，影響正常生產(chǎn)。
2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)的輪帶因?yàn)闆](méi)有窯皮的保護(hù)，溫度較高，建議在此位置加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，避免耐火磚因受高溫沖刷而嚴(yán)重?fù)p飭，同時(shí)可延長(zhǎng)耐火磚的使用壽命，提高回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率。
簡(jiǎn)體和輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的冷卻作用，主要受風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小和風(fēng)機(jī)出口形狀及相應(yīng)尺寸的影響。本文中研了僅改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小而其他條件不變的情況，而在該情況下，一定風(fēng)量對(duì)應(yīng)一定的風(fēng)機(jī)出口速度。圖8給出了不同2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)出口速度與該位置筒體表面溫度的關(guān)系。從中可以看出，簡(jiǎn)體表面溫度與冷卻風(fēng)機(jī)出口速度基本呈線性關(guān)系，冷卻風(fēng)機(jī)出口速度越大，相應(yīng)位置處簡(jiǎn)體表面溫度越低。然而，風(fēng)機(jī)出口速度不能太大，以防噪音污染，因此，本文中將2號(hào)筒體冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速調(diào)整到35m/s．其效果如圖9中所示。
圖9給出了在2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，并加大2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量后的簡(jiǎn)體表面溫度曲線，從該圖中能明顯看出，在2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，并加大2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量后，該位置處簡(jiǎn)體表面的溫度降低了5℃左右。
4.3不同簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)數(shù)量時(shí)的模擬結(jié)果
隨著生產(chǎn)趨于正常，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的窯皮厚度相對(duì)穩(wěn)定，這樣，就不需要所有的簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)都對(duì)簡(jiǎn)體進(jìn)行冷卻，可停開(kāi)部分冷卻風(fēng)機(jī)。為此，建立了7臺(tái)簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)工作時(shí)的數(shù)值模型，并將結(jié)果與II臺(tái)簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)工作時(shí)的情況進(jìn)行比較。
圖10力簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)數(shù)量不同時(shí)，簡(jiǎn)體表面溫度曲線。從中可以看出，用7臺(tái)簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)與用11臺(tái)相比，簡(jiǎn)體表面的溫度隨風(fēng)機(jī)數(shù)量減少，在窯長(zhǎng)方向上9～23m的局部區(qū)域，溫度起伏周期變大，但溫度值范圍基本無(wú)變化，從耐火材料的使用性能考慮，這種局部區(qū)域周期變大對(duì)耐火材料不會(huì)產(chǎn)生任何影響，對(duì)簡(jiǎn)體的熱交換能力亦無(wú)明顯影響。
5結(jié)論
本文通過(guò)建立新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯數(shù)值模型，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的傳熱情況進(jìn)行了模擬，得到以下結(jié)論：
(1)根據(jù)實(shí)際工況參數(shù)、條件，用ANSYS軟件構(gòu)造了二維模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯熱工過(guò)程的數(shù)值模擬，且模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)窯體表面溫度參數(shù)吻合較好。
(2)窯皮厚度較厚時(shí)，熱量散失較少，有利于熟料的正常生產(chǎn)。因此，實(shí)際生產(chǎn)中要盡量維持較厚的窯皮，最好在200mm左右。
(3)2號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度比3號(hào)輪帶兩側(cè)的溫度高，建議使用石油焦傲燃料生產(chǎn)水泥熟料的生產(chǎn)線．2號(hào)輪帶冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量比3號(hào)輪帶的要大一些。2號(hào)輪帶靠向窯尾一側(cè)的簡(jiǎn)體表面溫度較高，建議使用兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)。
(4)當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)中窯皮厚度穩(wěn)定時(shí)，可以適當(dāng)減少簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)的數(shù)量，降低電耗，若停開(kāi)4臺(tái)簡(jiǎn)體冷卻風(fēng)機(jī)，可每天節(jié)省用電720 kWh。
三門(mén)峽富通新能源銷(xiāo)售回轉(zhuǎn)窯、球磨機(jī)、滾筒烘干機(jī)、氣流式烘干機(jī)等干燥機(jī)磨機(jī)設(shè)備。
