鉻鐵礦回轉窯氧體積分數分布的模擬仿真

李景冠，張林進，陳川輝，葉旭初

（南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室，江蘇南京210009）

鉻鐵礦回轉窯氧體積分數分布的模擬仿真

李景冠，張林進，陳川輝，葉旭初

（南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室，江蘇南京210009）

摘 要：針對鉻鐵礦氧化焙燒過程中氧對窯內溫度分布的影響和對提高鉻氧化率的重要作用，利用數值仿真（CFD）方法研究了回轉窯內氧體積分數的分布情況。主要分析了空氣焙燒過程中回轉窯內氧體積分數分布的一般規律，討論了空氣過剩系數和一、二次風中氧體積分數的變化對焙燒溫度、氧體積分數的影響。結果表明，空氣過剩系數為1.7時，窯內壁附近氧體積分數沿窯長方向不斷減小，在高溫氧化帶之后窯內氧分布趨于均勻，窯尾煙氣中氧體積分數約為7.5%；空氣過剩系數為1.7左右時較為合理；隨著一、二次風中氧體積分數的增加，窯內溫度先是明顯升高，后略有降低。

關鍵詞：鉻鐵礦；回轉窯；模擬仿真

回轉窯是鉻鐵礦氧化焙燒工藝的關鍵設備。窯內氧體積分數是影響鉻鐵礦氧化的重要因素［1］。氧既可保證燃料充分燃燒，又有利于鉻鐵礦氧化。盡管鉻鐵礦氧化需要的氧含量不多，但氧體積分數在整個焙燒過程中對鉻氧化率的影響較大［2］。通過對回轉窯內氧體積分數分布規律的研究，可以探索氧對焙燒及鉻鐵礦氧化的影響，進一步提高對鉻鐵礦焙燒工藝的認識。目前國內外有許多關于回轉窯的研究［3-5］，但針對鉻鐵礦焙燒回轉窯的研究較少。筆者通過對鉻鐵礦回轉窯氧體積分數分布的模擬仿真，旨在為鉻鐵礦焙燒工藝的發展提供參考。

1 數學模型的建立

實驗中模擬的回轉窯以天然氣作為燃料。窯長為32m，內半徑為0.95m，燃燒器的主要操作參數如表1所示。

表1 燃燒器操作參數

2 數學模型

選擇標準k-ε模型對回轉窯內的氣體流動、傳熱傳質和燃燒過程進行模擬。燃燒反應采用非預混燃燒模型［6］。采用離散坐標P1輻射模型來描述窯內的氣體與窯壁之間的輻射傳熱過程［7］。因為研究的主要對象為窯內煙氣，在對結果影響不大的情況下，數值模擬過程中忽略了回轉窯的轉動過程，以及生料在回轉窯中的運動和存在方式。文獻［8］證明，鉻鐵礦生料在窯內化學反應過程中，放熱和吸熱反應的總熱效應近似為零。將生料因溫度升高所需的吸熱、生料反應吸收的O2和放出的CO2以面積平均的方式在窯內壁的源項中計算。窯內煙氣中O2及CO2等組分的質量守恒方程如式1所示［11］：

式中：cs為組分S的體積濃度，ρ為質量濃度，Ds為擴散系數，Ss為系統內單位時間內單位體積通過化學反應產生的該組分的質量。

3 結果及討論

3.1 溫度場

空氣過剩系數為1.7時，中心截面（X=0）上回轉窯內溫度場分布如圖1所示。根據窯內各區域對物料的不同作用，按溫度可大致分為冷卻帶、高溫氧化帶、碳酸鹽分解帶和干燥預熱帶［10］，其中高溫氧化帶是鉻鐵礦氧化的主要區域。從圖1可見，窯內煙氣溫度分布比較規整，從左到右呈逐級遞減的趨勢。

圖1 縱截面X=0處空氣焙燒時窯內溫度分布

3.2 氧體積分數

鉻鐵礦的氧化反應主要發生在窯壁處，窯壁處的氧體積分數的分布更為關鍵。空氣過剩系數為1.7時，中心截面上各特征線上的氧體積分數曲線見圖2。由圖2可知，在窯頭氣體入口處（Z=0～4m），因為燃料還沒有完全燃燒，窯壁處（Y=0.94m）氧體積分數較大；在高溫氧化帶（Z=8～20m），窯壁處氧體積分數減小比較明顯，主要是受到燃料燃燒的影響，同時生料反應也會產生大量CO2并消耗少量O2，使得窯壁處氧體積分數從窯頭至窯尾不斷減小；在碳酸鹽分解帶和干燥預熱帶處（Z=20～32m），窯壁處氧體積分數變化較小；窯內部其他3條特征線上的氧體積分數，因受到燃料燃燒、氧擴散、煙氣速度等因素的影響不同而變化各異，在24m處氧體積分數趨于穩定，最終窯內部煙氣中的氧體積分數約為7.5%，與空氣過剩系數為1.7時理論計算結論一致［10］。

圖2 各特征線上的氧體積分數曲線

3.3 空氣過剩系數

模擬計算過程中，通過調整二次風的流量使空氣過剩系數（a）分別為1.3、1.7、2.3、3。圖3為空氣過剩系數對窯壁處特征線上的氧體積分數的影響。從圖3可以看出，空氣過剩系數的提高使窯壁處的氧體積分數顯著增大。圖4為空氣過剩系數對窯壁處溫度分布的影響。由圖4可以看出，隨著空氣過剩系數的提高，窯壁處的溫度依次明顯降低。

圖3 空氣過剩系數對窯壁處特征線上的氧體積分數的影響

圖4 空氣過剩系數對 窯壁處溫度分布的影響

結合圖3、4可知，空氣過剩系數為3時，窯壁處氧體積分數較大，但溫度較低，達不到理想的焙燒溫度，而且較大空氣過剩系數也會導致燃料熱效率低；空氣過剩系數為1.3時，窯內氧體積分數低，且溫度過高會使液相增多，將阻礙氧向物料的擴散，不利于氧化反應。因而合理的空氣過剩系數應為1.7左右，與現行的鉻鐵礦焙燒工藝要求相符［10］。

3.4 風中氧含量

控制一、二次風中的氧體積分數分別為21%、30%、40%、74%。窯內壁處特征線上的氧體積分數分布如圖5所示。從圖5可以看出，風中的氧體積分數越大，窯內氧體積分數越高。風中的氧體積分數不同時，窯內各氧體積分數曲線的形狀非常相似。這是因為燃料及鉻鐵礦耗氧量不變的情況下，窯內氧體積分數的變化相同。

圖5 風中氧體積分數對窯壁處特征線上氧體積分數的影響

圖6為風中氧體積分數對窯壁處特征線上的溫度分布的影響。從圖6中可以看出，風中氧體積分數為21%、30%、40%時，煙氣高溫點隨氧體積分數的提高而升高，且氧體積分數在21%～30%時對窯內煙氣溫度的影響較大；風中氧體積分數為30%、40%、74%時，煙氣高溫點較高，高溫點靠前，溫度分布相似，這是因為氧體積分數較大時，火焰燃燒較為集中，而且足夠的氧可以使火焰向四周拓展；風中氧體積分數大于40%時，因為高溫時（1 000～1 200℃）O2比N2的定容比熱容高約5%［11］，因而此時煙氣吸熱較多，所以φ（風氧）=74%時煙氣高溫點和溫度比φ（風氧）=40%時低。

圖6 風中氧體積分數對窯壁處特征線上的溫度分布的影響

4 結論

1）窯內煙氣溫度分布比較規整，在窯長方向呈逐級遞減的趨勢，其中高于1 100℃的區域較長，高溫氧化帶位于窯內8～20m處，窯尾出口溫度約為700℃。

2）在回轉窯內，氧由窯壁處向內部進行擴散，在20m以后，窯內氧體積分數趨于穩定。當空氣過剩系數為1.7時，窯尾煙氣中的氧體積分數約為7.5%。

3）較大的空氣過剩系數可以提高窯內氧體積分數，但降低了燃料熱效率。空氣焙燒時需要較大的空氣過剩系數來保證窯內有足夠的氧進行氧化反應，合理的空氣剩系數應為1.7左右。

4）一、二次風中氧體積分數在21%～40%時，風中氧體積分數的提高使窯內煙氣高溫點升高，且在φ（風氧）=21%～30%時對窯內溫度分布影響較大，φ（風氧）＞40%后窯內煙氣溫度略有降低。φ（風氧）= 30%～74%時，窯內溫度分布相似。

參考文獻：

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聯系方式：li0676@163.com

中圖分類號：TQ136.11

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4990(2012)02-0033-03

收稿日期：2011-08-20

作者簡介：李景冠（1979— ），男，碩士，主要從事無機材料生產工藝的研究，已公開發表文章1篇。

Numericalsimulation ofoxygen volume fraction in chrom ite roasting process

Li Jingguan，Zhang Linjin，Chen Chuanhui，Ye Xuchu
（State Key Laboratory ofMaterials-Oriented ChemicalEngineering，NanjingUniversity of Technology，Nanjing210009，China）

Abstract：Oxygen volume fraction distribution in rotary kiln was studied by numerical simulation（CFD）technology for the importance ofoxygen on temperature distribution and increasing chromite oxidation rate during roasting process.The general law of oxygen volume fraction distribution in the air roasting processwas analyzed，then the effectof excess-air coefficient，different oxygen volume fractions of inlet wind on temperature distribution and oxygen volume fraction in rotary kiln was discussed.Result indicated that，when excess-air coefficientwas 1.7，oxygen volume fraction near wall continually reduced lengthwise along kiln；in this condition oxygen volume fraction of kiln tail gaswas about 7.5%and oxygen in rotary kiln tended to distribute evenly after high temperature oxidation area；the proper excess-air coefficient was about 1.7；with increasing oxygen volume fraction of inlet wind，kiln temperature would obviously rise in the beginning，then decreased slightly.

Keywords：chromite；rotary kiln；numericalsimulation