熟料窯內(nèi)流動(dòng)、傳熱和煤粉燃燒的數(shù)值模擬和優(yōu)化研究.pdf

1、熟料窯是燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的重要設(shè)備，能耗很高。熟料窯內(nèi)流體流動(dòng)、高溫傳熱和煤粉燃燒的數(shù)值和優(yōu)化研究，對(duì)強(qiáng)化熟料窯運(yùn)行監(jiān)測(cè)，選擇合適的煤粉燃燒器，優(yōu)化操作制度，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗有重要的意義。本研究以企業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目“熟料窯、燃燒器仿真與優(yōu)化的研究”和“熟料窯在線仿真及智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”為工程背景，針對(duì)熟料窯及其旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中普遍存在的不足，在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)大量查閱的基礎(chǔ)上，應(yīng)用傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳輸和化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)理

2、論，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)熱工測(cè)試、冷態(tài)?；瘜?shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)熟料窯內(nèi)氣體和物料的流動(dòng)，氣體、物料和壁面間的高溫傳熱和煤粉燃燒等進(jìn)行了較全面的研究和模型分析。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論有： (1)根據(jù)相似理論，制作了四風(fēng)道煤粉燃燒器和熟料窯系統(tǒng)的冷態(tài)?；囼?yàn)裝置，并對(duì)模型窯內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量和試驗(yàn)研究。同時(shí)，采用國(guó)際先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX4.3，并用Fortran自編程序，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε和RNG k-ε湍流模型對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下的模型窯內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)

3、行了模擬。模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果符合較好，速度分布規(guī)律和趨勢(shì)與試驗(yàn)研究結(jié)果一致，達(dá)到工程預(yù)測(cè)的精度要求。且該條件下兩種湍流模型計(jì)算結(jié)果基本一致。 (2)以現(xiàn)場(chǎng)一使用旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器，長(zhǎng)90米，直徑4.5米的熟料窯為研究對(duì)象，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε氣相湍流模型，根據(jù)測(cè)試得到的邊界條件，建立了熟料窯內(nèi)流動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，對(duì)熟料窯內(nèi)湍流冷射流運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了仿真研究，分析了主要參數(shù)對(duì)窯內(nèi)流場(chǎng)，尤其是回流區(qū)的影響，為熱態(tài)研究提供了很好的參考依據(jù)。

4、 (3)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε氣相湍流模型、Lagralngian顆粒相隨機(jī)軌道模型、即混即燃?xì)庀嗳紵Ｐ?、蒙特卡洛輻射模型以及混合有限差分格式、多塊非均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)與SIMPLEC算法，對(duì)熟料窯內(nèi)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及燃燒釋熱場(chǎng)進(jìn)行了多場(chǎng)耦合仿真，并全面系統(tǒng)地研究了各種操作參數(shù)對(duì)窯內(nèi)燃燒工況的定量影響規(guī)律，確定了燃燒器和熟料窯合理的操作制度和結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)該熟料窯進(jìn)行了系統(tǒng)的熱工測(cè)試，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果具有相同的規(guī)律。

5、 (4)提出一種計(jì)算鋁土礦燒結(jié)熟料窯內(nèi)的熱量及長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算新方法，得到了窯內(nèi)不同區(qū)域物料和氣體產(chǎn)物量、換熱量，各區(qū)域邊界上氣流和物料溫度等不連續(xù)的參數(shù)。同時(shí)，還開(kāi)發(fā)出一個(gè)包括氣體、物料的物理和化學(xué)反應(yīng)及與窯壁之間熱交換的諸多因素在內(nèi)的一維傳熱數(shù)學(xué)模型，由該模型可計(jì)算窯內(nèi)物料、煙氣、窯內(nèi)壁和外壁沿窯長(zhǎng)的溫度分布曲線。兩種方法相得益彰，各有特點(diǎn)。 (5)建立熟料窯燒結(jié)帶壁面和耐火層溫度軟測(cè)量模型，分析了不同窯皮厚度時(shí)窯簡(jiǎn)體外

6、壁、耐火內(nèi)襯和窯皮內(nèi)的溫度分布。運(yùn)用噴射干燥模型，分析了不同窯尾負(fù)壓和物料粒徑對(duì)干燥段物料和煙氣的溫度以及煙氣水蒸汽濃度分布的影響。主要計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果基本相符。提出了合適的窯皮厚度、窯尾負(fù)壓和物料粒徑。 本文的研究成果已在某氧化鋁廠一熟料窯上成功應(yīng)用。運(yùn)行實(shí)踐表明，所開(kāi)發(fā)的模型應(yīng)用于熟料窯在線仿真及智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)熟料窯的計(jì)算機(jī)輔助決策和自動(dòng)控制，達(dá)到了優(yōu)化操作、穩(wěn)定窯況、節(jié)能降耗的目的。本成果可在同類(lèi)型熟料窯上推廣