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第9期 高传峰等：熟料烧结回转窑传热传质数值模型 .1157. 壁面导热： 表2回转窑模拟计算参数 Qaw.w-G十Qw.w-G十Qw.W+s十Qaw,om-s=QcBr-A Table 2 Parmeters of the motary kih for numerical calculations (12) 参数 数值 参数 数值 外壁面与环境的换热： 窑长，Lm 90 生料温度，Ts水 333 窑外径，D1m 4.5 QcBw→A=Qc.Bw-A十QRBW.BW-A (13) 水分（质量分数）W0%36.18 窑倾角，Y() 3.5 窑产能，Ps(h-1) 61 式中：为反应个数；△H表示反应热焓值，kkg; 表示定压比热容，kkg.K;为反应生成气体 窑转速w/(mmn)2X2x1kg熟料的燃煤量kg0.154 种类 55m范围内，由于水分蒸发结束，物料温度仍然较 守恒方程中各项的计算表达式如下2-4) 低，烧结反应尚未发生，因此物料温度平稳快速上 (1)窑气与料层之间的对流传热QcGs、被覆 升；(3)在55~90m范围内，物料温度上升至1000K 盖窑内壁面与料层间的对流传热Qcws窑气与 左右，熟料烧结反应开始逐渐发生，伴随着碳酸钙分 未被覆盖窑内壁面之间的对流传热Qw.w-c和窑外 解反应吸热及烧结反应放热的发生，物料温度升高 壁与环境间的对流传热Qcw,w一A的计算式用如下 呈现先慢后快的情形，物料温度最高可达1638K 对流换热方程通式表示： 随后物料进入冷却带，温度降低至1287K出回 Q=h·A·△T (14) 转窑 式中，Qx、h、A和△Tx分别表示各对流相的对流换 从窑头进入的燃料和一、二次风经高温预热后 热量、对流换热系数[81B-,换热面积和换热温差。 燃烧，燃烧平均峰值温度达1692K,从图3中可以 (2)窑气与料层之间的辐射传热QcG~s、未被 看出：窑气、内壁面和物料温度上升基本规律相似， 覆盖窑内壁面与料层之间的辐射传热QsWs、被覆 而窑内壁面温度与物料温度上升趋势一致，说明窑 盖窑内壁面与料层间的辐射传热Qw.·c和窑外壁 气温度变化过程决定内壁面及物料变化过程，而内 与环境间的辐射换热Qw,w一A的计算式用如下辐 壁面温度变化受物料温度的影响较大：外壁面温度 射换热方程通式表示： 变化较为平稳，在燃烧带之前呈缓慢上升趋势，之后 Q=e·dA·△T (15) 随窑气、物料的温度降低而降低，比较图3中计算 式中，Qx、A、△T和6分别表示各辐射相的辐射换 结果和文献[7]中现场实际测量值可以看出，窑外 热量、换热面积、辐射换热相之间温度四次方之差和 壁面温度分布的计算值与测量值吻合较好， 斯提芬玻尔兹曼常数，5.67×108Wm2.K. 1800 一窑气温度 (3)窑壁面内的导热传热Qcaw的计算式： ··料层温度 1400- 一一内壁向温度 一·一外壁面温度 ·回转窑外壁面测试温度 兰 1000 (16) 更 式中：s为壁面材料的层数；入为材料导热系数，W· 600F 。 m·K;r为各层材料的外径，m --5-=2-、--…5」 3计算结果与分析 200 20 40 60 80 密长m 本文采用经典四级四阶龙格库塔法(R一K)对 图3回转窑窑气、料层、内壁面和外壁面的轴向温度分布 常微分方程组进行求解；采用非线性牛顿迭代对径 Fig 3 Axial temperature distributions of gas solid the inner wall and the outer wall of the mtary kih 向热平衡非线性代数方程组进行解算：对料层化学 反应所引起的传质过程采用了化学动力学方法计 图4为物料在窑内运动过程中水分、碳酸钙、二 算；回转窑计算主要参数如表2所示， 氧化硅、氧化铝和氧化铁的质量分数随窑长的变化 回转窑内物料、窑气和内、外壁面的温度分布的 情形.由图4可见：(1)在蒸发、烘干带主要是料浆 计算结果如图3所示，物料温度分布的计算结果表 中自由水分的蒸发，且蒸发速率随着物料温度的升 明：(1)在窑长0~38m范围内，物料温度上升缓慢， 高而变快，直至蒸发完全·(2)在预热、烧结带，从曲 主要是物料入窑时含有大量的水分，水分蒸发吸收 线碳酸钙的质量分数变化过程可以看到，该反应受 了大量的热量造成了上述情况的发生；(2)在38 温度的影响非常明显，一旦温度达到反应的要求，就第 9期 高传峰等： 熟料烧结回转窑传热传质数值模型 壁面导热： ＱＣＷＷ→Ｇ ＋ＱＲＷＷ→Ｇ ＋ＱＲＷＷ→Ｓ＋ＱＣＷＣＷ→Ｓ＝ＱＣＥＷ→Ａ （12） 外壁面与环境的换热： ＱＣＥＷ→Ａ ＝ＱＣＥＷＥＷ→Ａ ＋ＱＲＥＷＥＷ→Ａ （13） 式中：ｉ为反应个数；ΔＨ表示反应热焓值ｋＪ·ｋｇ －1； ｃｐ表示定压比热容ｋＪ·ｋｇ －1·Ｋ －1；ｊ为反应生成气体 种类． 守恒方程中各项的计算表达式如下 ［12－14］． （1） 窑气与料层之间的对流传热 ＱＣＧＧ→Ｓ、被覆 盖窑内壁面与料层间的对流传热 ＱＣＳＣＷ→Ｓ、窑气与 未被覆盖窑内壁面之间的对流传热 ＱＣＷＷ→Ｇ和窑外 壁与环境间的对流传热 ＱＣＥＷＥＷ→Ａ的计算式用如下 对流换热方程通式表示： ＱＸ ＝ｈＸ·ＡＸ·ΔＴＸ （14） 式中ＱＸ、ｈＸ、ＡＸ和 ΔＴＸ分别表示各对流相的对流换 热量、对流换热系数 ［813－14］、换热面积和换热温差． （2） 窑气与料层之间的辐射传热 ＱＲＧＧ→Ｓ、未被 覆盖窑内壁面与料层之间的辐射传热 ＱＲＳＷ→Ｓ、被覆 盖窑内壁面与料层间的辐射传热 ＱＲＷＷ→Ｇ和窑外壁 与环境间的辐射换热 ＱＲＥＷＥＷ→Ａ的计算式用如下辐 射换热方程通式表示： ＱＹ＝εＹ·δ·ＡＹ·ΔＴ 4 Ｙ （15） 式中ＱＹ、ＡＹ、ΔＴ 4 Ｙ和 δ分别表示各辐射相的辐射换 热量、换热面积、辐射换热相之间温度四次方之差和 斯提芬·玻尔兹曼常数5∙67×10 －8Ｗ·ｍ －2·Ｋ －4． （3） 窑壁面内的导热传热 ＱＣｄＥＷ→Ａ的计算式： ＱＣｄＥＷ→Ａ ＝（ＴＷ －ＴＥＷ ）／∑ ｓ ｌ＝1 1 2πλｌ ｌｎ ｒｉ＋1 ｒｉ （16） 式中：ｓ为壁面材料的层数；λ为材料导热系数Ｗ· ｍ －1·Ｋ －1；ｒ为各层材料的外径ｍ． 3 计算结果与分析 本文采用经典四级四阶龙格--库塔法 （Ｒ--Ｋ）对 常微分方程组进行求解；采用非线性牛顿迭代对径 向热平衡非线性代数方程组进行解算；对料层化学 反应所引起的传质过程采用了化学动力学方法计 算；回转窑计算主要参数如表 2所示． 回转窑内物料、窑气和内、外壁面的温度分布的 计算结果如图 3所示．物料温度分布的计算结果表 明：（1）在窑长 0～38ｍ范围内物料温度上升缓慢 主要是物料入窑时含有大量的水分水分蒸发吸收 了大量的热量造成了上述情况的发生；（2）在 38～ 表 2 回转窑模拟计算参数 Ｔａｂｌｅ2 Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｒｏｔａｒｙｋｉｌｎｆｏｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ 参数 数值 参数 数值 窑长Ｌ／ｍ 90 生料温度ＴＳ／Ｋ 333 窑外径Ｄ1／ｍ 4∙5 水分 （质量分数 ）Ｗ0／％ 36∙18 窑倾角γ／（°） 3∙5 窑产能ＰＳ／（ｔ·ｈ－1） 61 窑转速 ω／（ｒａｄ·ｍｉｎ－1） 2×2π 1ｋｇ熟料的燃煤量／ｋｇ 0∙154 55ｍ范围内由于水分蒸发结束物料温度仍然较 低烧结反应尚未发生因此物料温度平稳快速上 升；（3）在55～90ｍ范围内物料温度上升至1000Ｋ 左右熟料烧结反应开始逐渐发生伴随着碳酸钙分 解反应吸热及烧结反应放热的发生物料温度升高 呈现先慢后快的情形物料温度最高可达 1638Ｋ 随后物料进入冷却带温度降低至 1287Ｋ出回 转窑． 从窑头进入的燃料和一、二次风经高温预热后 燃烧燃烧平均峰值温度达 1692Ｋ．从图 3中可以 看出：窑气、内壁面和物料温度上升基本规律相似 而窑内壁面温度与物料温度上升趋势一致说明窑 气温度变化过程决定内壁面及物料变化过程而内 壁面温度变化受物料温度的影响较大；外壁面温度 变化较为平稳在燃烧带之前呈缓慢上升趋势之后 随窑气、物料的温度降低而降低．比较图 3中计算 结果和文献 ［7］中现场实际测量值可以看出窑外 壁面温度分布的计算值与测量值吻合较好． 图 3 回转窑窑气、料层、内壁面和外壁面的轴向温度分布 Ｆｉｇ．3 Ａｘｉａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｇａｓｓｏｌｉｄｔｈｅｉｎｎｅｒｗａｌｌ ａｎｄｔｈｅｏｕｔｅｒｗａｌｌｏｆｔｈｅｒｏｔａｒｙｋｉｌｎ 图 4为物料在窑内运动过程中水分、碳酸钙、二 氧化硅、氧化铝和氧化铁的质量分数随窑长的变化 情形．由图 4可见：（1）在蒸发、烘干带主要是料浆 中自由水分的蒸发且蒸发速率随着物料温度的升 高而变快直至蒸发完全．（2）在预热、烧结带从曲 线碳酸钙的质量分数变化过程可以看到该反应受 温度的影响非常明显一旦温度达到反应的要求就 ·1157·