3300 t/d回轉窯穩態熱分析及優化

申金永，姚秀麗，劉世民

3300 t/d回轉窯穩態熱分析及優化

申金永1，姚秀麗1，劉世民2

應用數值模擬的方法，對中材建設有限公司在阿爾巴尼亞竣工的TITAN項目，建立了3300 t/d、? 4.4m×65 m新型干法水泥生產線回轉窯系統窯皮、耐火磚、澆注料以及筒體等各部分的數學模型，并對它們相互間的熱傳遞過程進行了模擬研究。結果表明，回轉窯窯皮越厚，筒體表面溫度越低，散失的熱量越少；2號輪帶兩側筒體表面溫度比3號輪帶的高，為防止輪帶變形及更大的熱膨脹，應適當增加該處冷卻風機的風量；2號輪帶附近靠向窯尾一側的筒體表面溫度較高，建議增加兩臺冷卻風機；當正常連續生產中窯皮厚度相對穩定時，可以適當減少冷卻風機的個數，降低電耗，若停開4臺筒體冷卻風機，可每天節省用電720 kWh。

回轉窯；輪帶；筒體；冷卻風機；數值模擬

1 引言

回轉窯作為水泥生產過程中核心的熱工設備，經預熱分解的物料從窯尾煙室落入回轉窯內，伴隨著窯體的旋轉連續向窯頭運動，并進行一系列復雜的物理化學反應。燃料燃燒放熱為物料反應提供熱量，耐火磚防止熱量散失使物料反應正常連續進行，這樣，整個回轉窯由于熱量傳遞而處于高溫灼熱狀態。為了防止回轉窯的熱脹冷縮，筒體表面溫度一般不高于400℃。目前，對筒體多采用冷卻風機直接風冷，但冷卻風機的風量和數量一般都會有很大富余，增加了生產成本，同時冷卻風機位置的不同，對于冷卻效果也產生了很大的影響。

窯筒體表面溫度間接反映窯內物料的反應及其與氣流的熱傳遞情況，雖然目前用一些設備，如紅外線筒體掃描測量、回轉窯滑環式測溫系統、窯頭紅外比色測溫儀、計算機圖像處理[1]等，能夠測量筒體表面的溫度曲線，但由于一些物理上的限制不能將窯內的溫度情況直觀地測定和很好地展現出來，應用數值模擬方法來得到回轉窯內的溫度場，可以突破上述限制，且用于指導實踐。

目前，已有許多學者開展回轉窯相關數值模擬研究。建立了回轉窯窯壁非穩態數學模型，并對窯皮厚度進行了優化；運用有限元方法對10000t/d水泥回轉窯溫度場與熱應力場進行了分析，得到了回轉窯的溫度場和熱應力分布；研究了10000t/d回轉窯風機冷卻情況，并采用生產實踐與數值模擬相結合的方法，確定了鼓風冷卻方式[2-4]。本文依據回轉窯各溫度范圍內物料的物理、化學反應，以及物料和氣流在回轉窯窯長方向上的理論溫度曲線，得到了回轉窯內壁的等效溫度曲線，并對筒體冷卻風機、輪帶冷卻風機的風量選擇及個數進行了研究，以達到延長耐火磚使用壽命、提高回轉窯運轉率、降低電耗的目的。

2 回轉窯內部傳熱的基本理論

根據傳熱學理論[5-6]分析回轉窯內部發生的傳熱過程，實際以熱傳導、熱對流和熱輻射三種形式存在。

回轉窯內物料和氣流的溫度，從理論上來說，在回轉窯外殼圓周方向上為一定值。由于窯體的旋轉，窯內壁不斷與熱氣流和溫度相對較低的物料接觸，并進行熱交換。對于回轉窯內物料和氣流對窯內壁的傳熱作用，可以看成是物料對其不斷降溫，而氣流對窯內壁不斷加熱的過程。這樣，在回轉窯周向上窯內壁的溫度趨近于恒定，即

而對于窯筒體表面，主要以熱輻射和熱對流的形式向大氣散熱，可以按綜合換熱系數進行處理。正常連續生產時，整個回轉窯系統處于熱平衡狀態，流入系統的熱量基本等于流出的熱量，因此可以將回轉窯內部傳熱近似看成是穩態傳熱。

3 模擬方案

3.1 本模擬相關材料的物性參數

回轉窯用耐火磚、澆注料、鋼及窯皮的物理性質參數如表1所示。

3.2 模型的建立

結合新型干法水泥回轉窯的實際生產工藝，使用ANSYS軟件中的Plane 55單元，建立了含窯皮、耐火磚、澆注料以及筒體在內的數值模型。

圖1 為所建的包含窯皮、耐火磚及筒體在內的數值模型徑向剖面的示意圖。圖2為劃分網格后的回轉窯軸向剖面二維數值模型的示意圖（y方向上放大了10倍）。其中，以窯頭的中心位置為原點，窯長方向為x軸，窯徑向方向為y軸，對于厚度較小的筒體處，網格劃分較細。

3.3 邊界條件

3.3.1 在回轉窯內壁施加物料和氣流溫度邊界條件

圖3 給出了回轉窯內物料、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 在筒體表面施加綜合散熱系數邊界條件

回轉窯筒體表面以熱對流和輻射的方式向外界空氣傳熱。該項目所用筒體冷卻風機和輪帶冷卻風機的風量均為25000m3/h，但因出口截面積不同，風機出口處風速分別為28m/s和20m/s。不同溫差、不同風速下筒體表面的對流換熱系數如表2所示[7]。

4 模擬結果

4.1 初始窯皮厚度時的模擬結果

首先建立了初始窯皮厚度為200mm的模型，從模擬結果中讀取了筒體表面的溫度數據，并繪制成窯長方向的曲線如圖4所示，與圖5中從工廠實際生產線上采集的回轉窯筒體表面溫度曲線進行對比?？梢钥闯?，兩條曲線的走向基本一致，結果顯示回轉窯的1號和2號輪帶間的筒體表面溫度較高，其他位置的溫度較低，說明利用數值模擬方法所建立的模型及所得的模擬結果，和實測的溫度數據有較好的吻合性。

表1 本模擬相關材料的物性參數

圖1 回轉窯徑向剖面模型

圖2 劃分網格后的回轉窯軸向剖面模型

圖3 回轉窯內物料、氣流的理論溫度曲線以及它們綜合作用的等效溫度曲線

表2 不同溫差、不同風速下筒體表面的綜合散熱系數

圖4 初始窯皮（厚度200mm）時筒體表面溫度模擬曲線

圖5 工廠實測回轉窯筒體表面溫度圖

圖6 窯皮厚度不均一時窯內部溫度分布圖

4.2 窯皮厚度不均一時的模擬結果

實際生產中，回轉窯內的窯皮受物料的沖刷和氣流的熱沖擊而磨損，同時窯中各處液相量的不同，導致窯皮在回轉窯軸向上不同位置的厚度是不均勻的，為此，建立了窯皮厚度不均一時的模型，并進行了數值模擬。圖6為模擬得到的窯皮厚度不均一時窯內的溫度分布情況。為了清晰表達結果，該圖將y軸方向放大了10倍，圖中不同顏色代表不同的溫度，不同色標代表的溫度值示于圖6中。

從圖6可以看出，窯皮較厚的位置，筒體表面溫度較低。這是由于窯皮越厚，暴露于窯內高溫氣體與物料中的窯皮，通過傳導和對流方式吸收的熱量越多，使得窯筒體表面溫度較低。因此，從保護熱量的角度出發，實際生產中應使窯皮的厚度盡量厚一些。同時從放大圖（b）和（c）中可以看出，2號和3號輪帶兩側的溫度相對較高。這是由于回轉窯筒體（鋼）的導熱系數相對較大，熱量向外界傳遞的多；另外，2號輪帶處沒有窯皮的保護，使得更多的熱量傳到窯筒體表面，同時，本項目中所用燃料為石油焦，所含揮發分少，燃盡時間長，火焰長度較長，使得2號輪帶兩側筒體溫度較高。這也說明在此處使用輪帶冷卻風機是十分必要的，它可以防止輪帶因為溫度過高而產生較大的膨脹。建議使用火焰較長燃料的生產線，必須在2號輪帶處增加一臺輪帶冷卻風機，而且若此處沒有窯皮保護，所用的冷卻風機風量應該適當比3號輪帶大一些。

圖7 為窯皮厚度不均一時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，筒體表面溫度較高，窯皮較厚的位置，筒體表面溫度較低。同時，可以看出2號輪帶兩側的溫度比3號輪帶兩側的溫度高近100℃。這是因為2號輪帶兩側比3號輪帶兩側熱量傳遞得多，而本項目中兩個輪帶使用的冷卻風機風量相同，建議2號輪帶冷卻風機的風量比3號輪帶的要大一些，防止2號輪帶膨脹變形，影響正常生產。

2號輪帶靠向窯尾一側的輪帶因為沒有窯皮的保護，溫度較高，建議在此位置加兩臺冷卻風機，避免耐火磚因受高溫沖刷而嚴重損傷，同時可延長耐火磚的使用壽命，提高回轉窯的運轉率。

筒體和輪帶冷卻風機的冷卻作用，主要受風機風量大小和風機出口形狀及相應尺寸的影響。本文中研究了僅改變風機風量大小而其他條件不變的情況，而在該情況下，一定風量對應一定的風機出口速度。圖8給出了不同2號輪帶冷卻風機出口速度與該位置筒體表面溫度的關系。從中可以看出，筒體表面溫度與冷卻風機出口速度基本呈線性關系，冷卻風機出口速度越大，相應位置處筒體表面溫度越低。然而，風機出口速度不能太大，以防噪音污染，因此，本文中將2號筒體冷卻風機出口風速調整到35m/s，其效果如圖9中所示。

圖9 給出了在2號輪帶靠向窯尾一側加兩臺冷卻風機，并加大2號輪帶冷卻風機風量后的筒體表面溫度曲線，從該圖中能明顯看出，在2號輪帶靠向窯尾一側加兩臺冷卻風機，并加大2號輪帶冷卻風機風量后，該位置處筒體表面的溫度降低了5℃左右。

4.3 不同筒體冷卻風機數量時的模擬結果

隨著生產趨于正常，回轉窯內的窯皮厚度相對穩定，這樣，就不需要所有的筒體冷卻風機都對筒體進行冷卻，可停開部分冷卻風機。為此，建立了7臺筒體冷卻風機工作時的數值模型，并將結果與11臺筒體冷卻風機工作時的情況進行比較。

圖7 窯皮厚度不均一時筒體表面溫度曲線

圖8 不同2號輪帶冷卻風機出口速度與筒體表面溫度的關系

圖9 改變風機風量及增加風機時筒體表面溫度曲線

圖10 不同筒體冷卻風機數量時筒體表面溫度曲線

圖10 為筒體冷卻風機數量不同時，筒體表面溫度曲線。從中可以看出，用7臺筒體冷卻風機與用11臺相比，筒體表面的溫度隨風機數量減少，在窯長方向上9～23m的局部區域，溫度起伏周期變大，但溫度值范圍基本無變化，從耐火材料的使用性能考慮，這種局部區域周期變大對耐火材料不會產生任何影響，對筒體的熱交換能力亦無明顯影響。

5 結論

本文通過建立新型干法水泥回轉窯數值模型，利用ANSYS有限元分析軟件對回轉窯內部的傳熱情況進行了模擬，得到以下結論：

（1）根據實際工況參數、條件，用ANSYS軟件構造了二維模型，實現了對新型干法水泥回轉窯熱工過程的數值模擬，且模擬結果與實測窯體表面溫度參數吻合較好。

（2）窯皮厚度較厚時，熱量散失較少，有利于熟料的正常生產。因此，實際生產中要盡量維持較厚的窯皮，最好在200mm左右。

（3）2號輪帶兩側的溫度比3號輪帶兩側的溫度高，建議使用石油焦做燃料生產水泥熟料的生產線，2號輪帶冷卻風機的風量比3號輪帶的要大一些。2號輪帶靠向窯尾一側的筒體表面溫度較高，建議使用兩臺冷卻風機。

（4）當實際生產中窯皮厚度穩定時，可以適當減少筒體冷卻風機的數量，降低電耗，若停開4臺筒體冷卻風機，可每天節省用電720 kWh。

[1]王勇，萬忠炎.幾種不同類型的回轉窯溫度檢測方法[J].山東冶金，2008，（4）：68-69.

[2]肖友剛，劉義倫，馬愛純.回轉窯窯壁非穩態傳熱模型及窯皮厚度優化[J].中國有色金屬學報，2006，（6）：1115-1119.

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[5]張志宵，池涌，李水清等.回轉窯傳熱模型及數值模擬[J].化學工程，2003，（4）：27-31.

[6]王匯，羅申，溫治.回轉窯內流動傳熱和燃燒過程數學模型的研究現狀及其發展趨勢[J].礦冶，2006，（2）：28-34.

[7]王君偉，李祖尚.新型干法水泥工藝計算手冊[M].北京：中國建材工業出版社，2001.

Steady-state Thermal Analysis and Optimization of 3300 tpd Rotary Kiln

SHEN Jin-yong1,YAO Xiu-li1,LIU Shi-min2
（1CBMI CONSTRUCTION CO.LTD，Beijing 100176；,2State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology(Yanshan University）,Qinhuangdao 066004）

The numerical simulation was used to analyze Albania TITAN project,a 3300 t/d new dry-process cement clinker production line with a ? 4.4m×65m rotary kiln,which was completed by CBMI.Mathematical models were established for the kiln coating,refractory bricks,castables and kiln shell and heat transfer among these parts were simulated.The results show that a thicker kiln coating results in a lower temperature of the kiln shell and a less heat loss.The kiln shell surface temperature on both sides of tire No.2 is higher than that of tire No.3,therefore the air flow of cooling fans should be increased properly for tire No.2 to avoid tire deformation and severe thermal expansion.The kiln shell surface temperature near tire No.2 at the kiln inlet side is higher,thus adding two cooling fans is suggested.The number of cooling fans should be reduced appropriately to reduce the power consumption when the coating thickness remains stable during a period of normal and continuous production.It is found that 720 kWh of electricity can be saved per day when four shell cooling fans are turned off.

Rotary kiln;Tire;Kiln shell;Cooling fan;Numerical simulation

TQ172.622.29

A

1001-6171（2011）01-0036-05

通訊地址：1中材建設有限公司，北京 100176；2亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室（燕山大學），河北 秦皇島 066004；

2010-09-14； 編輯：呂 光