熟料窯內(nèi)流動、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、高溫傳熱和煤粉燃燒的數(shù)值和優(yōu)化研究，對強化熟料窯運行監(jiān)測，選擇合適的煤粉燃燒器，優(yōu)化操作制度，最終實現(xiàn)節(jié)能降耗有重要的意義。本研究以企業(yè)重點項目“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)的開發(fā)”為工程背景，針對熟料窯及其旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器在實際運行過程中普遍存在的不足，在對國內(nèi)外相關(guān)文獻大量查閱的基礎(chǔ)上，應(yīng)用傳熱、傳質(zhì)、動量傳輸和化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)理

2、論，通過現(xiàn)場熱工測試、冷態(tài)?；瘜嶒灪蛿?shù)值仿真技術(shù)，對熟料窯內(nèi)氣體和物料的流動，氣體、物料和壁面間的高溫傳熱和煤粉燃燒等進行了較全面的研究和模型分析。主要研究內(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)?；囼炑b置，并對模型窯內(nèi)冷態(tài)流場進行了測量和試驗研究。同時，采用國際先進的計算流體力學(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湍流模型對實驗條件下的模型窯內(nèi)流場進

3、行了模擬。模擬結(jié)果與測試結(jié)果符合較好，速度分布規(guī)律和趨勢與試驗研究結(jié)果一致，達到工程預(yù)測的精度要求。且該條件下兩種湍流模型計算結(jié)果基本一致。 (2)以現(xiàn)場一使用旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器，長90米，直徑4.5米的熟料窯為研究對象，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε氣相湍流模型，根據(jù)測試得到的邊界條件，建立了熟料窯內(nèi)流動過程數(shù)學(xué)模型，對熟料窯內(nèi)湍流冷射流運動規(guī)律進行了仿真研究，分析了主要參數(shù)對窯內(nèi)流場，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顆粒相隨機軌道模型、即混即燃氣相燃燒模型、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，對熟料窯內(nèi)速度場、壓力場、溫度場以及燃燒釋熱場進行了多場耦合仿真，并全面系統(tǒng)地研究了各種操作參數(shù)對窯內(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)。對該熟料窯進行了系統(tǒng)的熱工測試，計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果具有相同的規(guī)律。

5、 (4)提出一種計算鋁土礦燒結(jié)熟料窯內(nèi)的熱量及長度的經(jīng)驗計算新方法，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，還開發(fā)出一個包括氣體、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，由該模型可計算窯內(nèi)物料、煙氣、窯內(nèi)壁和外壁沿窯長的溫度分布曲線。兩種方法相得益彰，各有特點。 (5)建立熟料窯燒結(jié)帶壁面和耐火層溫度軟測量模型，分析了不同窯皮厚度時窯簡體外

6、壁、耐火內(nèi)襯和窯皮內(nèi)的溫度分布。運用噴射干燥模型，分析了不同窯尾負(fù)壓和物料粒徑對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。主要計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(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。運行實踐表明，所開發(fā)的模型應(yīng)用于熟料窯在線仿真及智能控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)熟料窯的計算機輔助決策和自動控制，達到了優(yōu)化操作、穩(wěn)定窯況、節(jié)能降耗的目的。本成果可在同類型熟料窯上推廣