氧化铝回转窑内物料流动与传热数值模拟.pdf

2 0 1 4 年第l o 期有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．1 0 ．0 0 7 氧化铝回转窑内物料流动与传热数值模拟 易正明1 ，杜炳旭1 ，曾壮壮1 ，马光柏2 ，周孑民 1 ．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，武汉4 3 0 0 8 1 ； 2 ．中南大学能源科学与工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要在分析氧化铝回转窑传热过程的基础上，运用多相流理论对回转窑内横截面物料流动与传热过程 进行数值模拟，研究了不同工况下横截面上的温度分布及流动情况。结果表明，截面上物料温度主要受 气体及窑壁传热影响，物料颗粒越小，其内部温度上升越快，流动带起的物料高度也越低，但截面上物料 内部温度分布基本趋于一致，并可忽略截面温差。 关键词氧化铝回转窑；多相流理论；数值模拟；温度分布；一维传热模型 中图分类号T F 8 0 6 ．1 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 i 0 0 0 2 7 - 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fF l o wa n dH e a tT r a n s f e ri nA l u m i n aR o t a r yK i l n Y IZ h e n g m i n 9 1 ，D UB i n g X U l ，Z E N GZ h u a n g z h u a n 9 1 ，M AG u a n g b a i 2 ，Z H O UJ i e m i n 2 1 ．K e yL a b o r a t o r yf o rF e r r o u sM e t a l l u r g ya n dR e s o u r c e sU t i l i z a t i o no fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do na n a l y s i so fh e a t t r a n s f e rp r o c e s s e si na l u m i n ar o t a r yk i l n ，f l o wa n dh e a t t r a n s f e r p r o c e s s e so fp a r t i c l e sw e r es i m u l a t e do nc r o s ss e c t i o ni nr o t a r yk i l nw i t ha p p l i c a t i o no fm u l t i p h a s ef l o w t h e o r y ．T e m p e r a t u r ea n df l o wd i s t r i b u t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e do nc r o s ss e c t i o nu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e si sm a i n l ya f f e c t e db yh e a t t r a n s f e rp r o c e s s e s o c c u r i n gi ng a sa n di n n e rw a l lo fk i l n ．T h es m a l l e rp a r t i c l ed i a m e t e ri s ，t h ef a s t e ri n t e r n a lt e m p e r a t u r e r i s e s ，a n dt h el o w e rh e i g h to fp a r t i c l eu n d e rf l o wi n f l u e n c ei s 。T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h ep a r t i c l e s t e n d st ob eu n i f o r m ．T h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ec a nb ei g n o r e da n dt h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r eo fp a r t i c l e s c a nb ec o n s i d e r e du n i f o r m ． K e yw o r d s a l u m i n ar o t a r yk i l n ；m u l t i p h a s ef l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；o n e d jm e n s i o n a 】h e att r a n s f e rr o o d e l 氧化铝回转窑是高度密闭复杂的冶金热工设 备，回转窑中气体、物料的温度是决定烧结状况的重 要因素，控制温度、优化工艺参数是保证熟料烧结质 量的重要措施n { ] 。根据物料在回转窑中流动与传 热情况，可将物料分为活动层和固定层[ 5 ] 。活动层 中的气体通过辐射和对流对物料进行传热，而物料 收稿日期2 0 1 4 0 6 0 7 基金项目湖北省教育厅科学研究计划项目 B 2 0 1 4 0 8 8 作者简介易正明 1 9 7 3 一 ，男，湖北监利人，博士，副教授 内部则是通过传导传热。固定层主要是颗粒之间的 热传导作用，但随着窑的旋转，活动层和固定层中的 物料也是交替变化的，使得物料的温度分布均 匀[ 5 _ 6 ] 。由于存在传导、对流和辐射这3 种传热方式 和多种边界，因此，建模时必须综合考虑各种因素的 影响。另外，回转窑内呈气固多相流动和不断旋转 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y [ ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第1 0 期 的状态，无法用简单的解析方法进行描述，加大了物 料温度分布计算时收敛的难度[ 7 删。本文基于多相 流理论，对回转窑以及窑内物料的传输过程进行抽 象简化[ 8 ] ，然后建立窑内物料的传热以及流动的数 学模型，分析窑内各截面的温度分布与物料流动情 况，以及颗粒直径对物料传热、流动的影响[ 1 ⋯。 l 多相流理论基础 1 ．1 多相流模型 氧化铝回转窑内物料的传热过程是典型的气体 与颗粒两相间的流动和传热过程，本文采用欧拉法， 将气体、颗粒都视为连续介质[ 1 “，并考虑气固两相 间的速度滑移和扩散以及质量、动量和能量的相互 作用，但忽略窑内气相组分变化和化学反应凹] 。回 转窑多流体模型的基本控制方程组如下口“” 连续性方程 凳 d t l 0 女 杀‘口e 1 0 e “一一s h 痈t 1 动量守恒方程 a T r a k p k u “ 蚓af m [ p k U k j U - - I z 、S 。u 刁63 喝u j 。 ] } 一m f B 。一娑1 E 而 “。 2 能量守恒方程 要c 呷如， 者c 呷灿㈨一去 m 如警 S 从 ／7 ／女h 女 3 式中， ；为k 相的体积分数慨为k 相的密度， “。为k 相沿i 方向上的即时速率，S b ，为k 相的质量 源项，痂。为k 相与其它相质量交换后的质量变化 率，而。‰为相间质量交换引起的动量变化，F 。为相 间作用力，r 。为任一瞬时量的扩散系数。 由于多相流动的模拟中需要考虑相间耦合作 用，根据单个颗粒对流体的作用机理，相间的相互作 用力F 可以分为相间曳力和非曳力∞] F F D F ＼D F D F } ， F 、， F w F P F T F I j F 8 4 式中F 。为曳力；F Ⅶ为非曳力；F 。、F hF h F w 、F 。、F ，、F 。分别为虚拟质量力、提升力、固相压 力、壁面润滑力、B e s s e t 力、湍流分散力以及S a f f m a n 力。 1 ．2 模型的抽象与简化 本文主要研究烧结过程物料的流动与传热[ 6 l ， 因此对回转窑设备及其传输过程进行合理的抽象和 简化。8 ’1 2 ’14 一，并引入如下假设 1 与回转窑的大直径相比，耐火砖壁面的不平 整可以忽略，所以将回转窑各截面直径视为一致。 2 假设窑内颗粒直径相同，不考虑由于颗粒运 动引起的形状及聚散状态的改变，料床高度在各截 面上一致，忽略物性参数的变化。 3 生产中液相主要是窑尾烘干带的水分以及烧 结带的固相熔融，因此忽略其它各带的液相，只考虑 气固两相流动。 4 回转窑正常运行时，根据计算的窑筒体温度 分布曲线定义各截面内壁温度的分布。 5 主要研究回转窑内流动与传热，忽略烧结过 程中发生的化学反应。 2 网格划分及边界条件 2 ．1 网格划分 由于氧化铝回转窑进出口为标准圆形，条件相 同，计算采用直角坐标系，坐标原点位于氧化铝回转 窑横截面的圆心。将回转窑的内衬按相同材质和同 一厚度进行计算“”．其结构参数和物性参数[ 8 j 主 要有回转窑内径D 一41 0 0m m 、颗粒直径d 一1 0 m m 、窑体转速”一2r ／m i n 、料床厚度H 一5 0 0m m 、 颗粒动力黏度“。一0 ．2P a S 、颗粒体积分数a 一一 0 ．7 。 网格是模型的几何表达形式，也是模拟与分析 的载体，对计算精度和效率的影响很大。由于颗粒 在窑体的倾斜度和自转作用下处于运动状态，通过 测试与计算，为节省时间和空间，同时保证计算精 度，选用非结构化网格划分方法．网格数为25 4 6 个，数值计算的解析区域为窑的横截面，解析区域网 格划分示意图如图1 所示。 黛麓 懑麟” N 嘲翼骥黟” 毗 龄相州 示胡分m徽姆网d图鲫F 万方数据 2 0 1 4 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 9 2 ．2 边界条件 选择第一类边界条件，在正常生产情况下，计算 回转窑不同截面上物料温度分布的初始温度条件 为预热带入口处气体温度T 。一9 7 3K 、物料温度 T 。一3 9 3K 、内壁面平均温度丁。一7 2 3K ，不同计算 时间段的温度边界条件和物性参数如表1 所示。 表1边界条件及物性参数 T a b l el B o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dp h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r s 3 模拟计算及结果分析 模拟计算从预热带人口开始，主要为预热带和 分解带，并在此基础上，通过改变颗粒直径和改变运 动时间进行不同条件下物料温度分布的计算比较分 析。计算中氧化铝回转窑内物料流动和传热过程用 多流体模型进行解析，为了使方程封闭采用肛￡双 方程模型；忽略颗粒之间以及颗粒与壁面之间的摩 擦热；相间作用力主要考虑F 。、F 。、F ，；采用 G i d a s p o w 修正后的曳力模型和虚拟质量力模型，颗 粒间的作用采用固相压力模型[ 8 ’1 “1 6 ] 。 3 ．1 不同截面物料流动与温度分布 在人窑颗粒直径为1 0m m 、转速2r ／m i n 、料床 厚度5 0 0m m 的条件下，物料从开始运动6 0 0S 、 l2 0 0s 和l8 0 0S 时所到达截面上的温度分布如图 2 所示。 r ] L ．一 图2相同颗粒直径的物料在不同截面上的温度分布云图 F i g ．2T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nd i a g r a m so fp a r t i c l e sw i t hs a m ed i a m e t e ra td i f f e r e n tc r o s ss e c t i o n s 由图2 可知，在入窑物料颗粒直径一定时，由于 物料随时间推移向窑头移动 即从预热带运动至烧 成带 过程中，窑内气体温度不断上升，由于受到气 体及窑壁传热作用，物料内部温度逐渐上升，但同一 截面上物料内部温度基本一致，只有外表面与气体、 壁面接触的极少部分物料颗粒的温度比物料内部 高。从物料温度的整体分布来看，任意截面上温度 相近的区域占绝大部分，因此，可以认为．在物料入 窑条件相同的条件下，物料截面上的温度一致。 图3 为物料在窑内运动6 0 0S 、12 0 0S 和l8 0 0S 时截面的速度分布矢量图。 从图3 可见，颗粒直径一致时，在不同截面上， 即使温度不同，物料带起的高度也是基本相同的，物 料颗粒的运动速度也基本不变。由于物料温度的升 高主要是由于气体及窑壁对物料传热导致的，因此． 物料颗粒的运动对其影响不明显。 3 ．2 不同颗粒直径下物料流动及温度分布 在氧化铝回转窑转速为2r ／m i n 、料床厚度5 0 0 X X 川引驼孙H惦∽孙踟鲫㈨ ●●，●●●9 8 I - 6 6 ■■一。●●■■■-■ I＆●彦∥ 训划弛鹅惦∞w舯㈨㈤ ●●●●●●9 8 了6 6 ●■圈■■弭*■-__I X X 训州抛船惦㈤训㈣㈨⋯ ●●●●●●q 8 | n ●■戮■■墨舄避■■■ 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第1 0 期 m m 的条件下，分别计算入窑颗粒直径为5 、1 0 和1 5布情况和流动情况，结果如图4 所示。 m m 的均匀物料被加热到12 0 0S 时的截面温度分 ● x | m f a “ms X ／m b I2 1 ／t ls ‘ 2 图3相同颗粒直径的物料在不同截面上的速度矢量图 x | m f c l18 H ls F i g ．3V e l o c i t yv e c t o rd i a g r a m so fp a r t i c l e sw i t hs a m ed i a m e t e ra td i f f e r e n tC R O S Ss e c t i o n s 瓣； l2 S 】 12 1 1 j1 5 l l | I l l l l h I l 1 1 l q “} I Ol l l 3 9 l P 3 4 1 0 3 ．2 8 1 0 3 ．2 3 1 P ．1 7 l 3 1 2 l I P 0 6 】伊 0 1 l ∥ 5 l 】 户 ．9 6 l P ．4 0 1 图4 不同颗粒直径的物料在同一截面上的温度分布云图 c f f J 5 m m F i g ．4T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nd i a g r a m so ns a m ec r o s ss e c t i o nf o rp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r s 由图4 可知，入窑颗粒直径分别为5 、1 0 、1 5 m m 时，物料内部最低温度分别为9 1 2 、8 4 1 、7 6 4K 。 即物料内部温度随入窑物料颗粒直径的增大逐渐降 低。这是由于在相同的条件下，物料颗粒直径越小， 比表面积越大，换热速度也越大，物料温度上升速度 就越快。而不同颗粒直径条件下，物料内部温度的 U m f b ld I 1 m m 2 分布基本趋于均匀一致，只有所占区域极小的外表 面温度比中间的略高。 图5 为不同颗粒直径条件下的物料被加热 12 0 0s 时截面上的速度矢量图。从图5 可见，物料 被带起的高度以及相应的速度矢量都随颗粒直径的 增大而提高。 r ／m b 扛l 1 Ⅱ“ 图5不同颗粒直径的物料在同一截面上的速度矢量图 j ／m c d 1 5 m m F i g ．5V e l o c i t yv e c t o rd i a g r a m so ns a m ec r o s ss e c t i o nf o rp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r s p p p p p p p P p r p X U 3 一．4 8 ●2 q n 3 ■3 2 2●5 8 2 6 ●，，，●●●9 H 8 _ ●■爨■墨翻艇登■■■ j 。I ． 口■■ 万方数据 2 0 1 4 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 3 1 通过不同颗粒直径条件下的物料运动及温度分 布研究，可以得出，颗粒直径的变化对物料内部温度 分布的趋势影响很小；物料内部温度分布基本保持 均匀一致，基本不受颗粒直径的影响，即可以忽略截 面温差的影响。 4结论 1 窑内物料温度主要受气体及窑壁对物料的传 热影响，物料流动对其温度影响有限，人窑物料颗粒 直径一定时，不同时间截面物料流动情况基本一致， 物料内部温度随时间推移逐渐上升，但同一截面上 内部温度分布趋于均匀一致，截面温差较小。 2 随着入窑物料颗粒直径的减小，物料被带起 的高度降低，其相应的速度矢量也越小，物料内部温 度越高，但物料内部温度分布总体趋于均匀一致，截 面温差较小。 3 由于各工况截面物料内部温度分布趋于一 致，认为物料内部温度均匀一致，并可忽略截面温差 的影响，可以采用一维模型对回转窑传热进行在线 仿真计算。 参考文献 [ 1 ] 杨重愚．氧化铝生产工艺学[ M ] ．北京冶金工业出版 社，1 9 9 3 2 - 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