篦冷機氣固換熱過程的影響因素淺析

向東湖，錢偉，邵俊華，許龍旭

1 前言

篦冷機是水泥生產線熱工系統(tǒng)中必不可少的組成部分，其主要目的是在冷卻熟料的同時回收熱量。目前關于篦冷機工藝特征的物理模型，多是基于高溫散料氣固錯流換熱模型；就其內部應用的流體力學假設，多是基于將料層看為固定床或者移動床，應用滲流力學和多孔介質的方法，將料層作為一種多孔介質來進行求解的。本文以我公司5500t/d熟料的新型四代篦冷機為研究對象，建立相應方程，通過數值求解，希望對實際的設計和操作提供一定的幫助。

2 基本方程

在假定篦冷機推動速度恒定、日產量M穩(wěn)定的前提下，料層厚度h也是穩(wěn)定的，即單位時間內出篦冷機的熟料質量m是穩(wěn)定的。

式（1）中ρc為熟料密度；ε為熟料孔隙率；Δz為篦冷機寬度；Δh和n分別為在篦冷機高度方向劃分的單元高度和單元數目。

假定熟料通過篦縫的量忽略不計，則對每一個單元在單位時間內熟料流量應該是相等的，因此有：

考慮到對于篦冷機內部，流速＜0.3Ma，可以忽略氣體流動引起的壓縮效應，但是由于溫度在料床中具有很大梯度，所以必須考慮由溫度引起的氣體的體積變化，因此可以使用Boussinesq模型用于描述氣體狀態(tài)，考慮溫度變化對流體密度的影響而忽略壓力的影響，即：

ρgin為網格單元進口氣體密度，ρgout為網格單元出口氣體密度；Tgin為網格單元進口氣體溫度；Tgout為網格單元出口氣體溫度。

因料層厚是恒定的，那么壓強差可通過Ergun公式求解。此公式對氣體粘性未予考慮。

氣體密度 ρa如下式所示：

其中：

每個網格能量守恒可通過下式表達：

其中，Qpj是通過篦冷機殼體的熱量耗散，可用下式表示：

其中，RTj是總的熱阻抗，通過下式確定：

另外，使用總的熱傳遞效率，熱量損失如下式所示：

通過熱輻射傳遞的熱量：

通過編程，對上述方程求解分析影響篦冷機氣固換熱過程的主要因素。

3 影響篦冷機氣固換熱過程的幾個因素

以5500t/d熟料篦冷機為對象，設定邊界條件如下：

冷卻空氣溫度30℃；熟料平均粒徑15mm；料層厚度750mm；熟料密度2900kg/m3；孔隙率0.5；出窯熟料溫度1370℃。

圖1 各層熟料溫度分布曲線

圖2 出熟料頂部風溫曲線

3.1 供風風量的影響

如圖1和圖2所示，用篦下風速表征各單元冷卻風量的變化，用累計單位冷卻風量表征消耗的風量。

從圖1和圖2中可以看出，為了獲得更好的熱回收效率和增強熟料的驟冷效果，高溫區(qū)的風速設置得比較高，當然，過高的風量會導致二次風溫降低，從而降低熱效率。隨著累計單位冷卻風量的增加，風溫和料溫都呈遞減趨勢，在低溫區(qū)，衰減趨于平緩。如圖1所示，在設置的邊界條件下，1.8m3（標）的風量足以將單位熟料冷卻到所要求的溫度范圍。

3.2 熟料粒徑的影響

改變邊界條件中的熟料平均粒徑，分別計算了不同粒徑的工況的情況下，出篦冷機熟料平均溫度的分布規(guī)律。

從圖3中不難看出，隨著粒徑的增加，出冷卻機熟料溫度則線性增加。熟料粒徑的增加意味著大塊熟料更難以冷透，只能在有限時間內進行表面的換熱，因而熟料溫度并不能有效地降低，而粒徑越大，這種趨勢就越明顯，出冷卻機熟料溫度升高。

3.3 料層厚度對換熱的影響

對于料床的移動速度來說，它影響了料層的厚度。改變邊界條件中的料層厚度，計算了不同料層厚度工況下幾項表征參數。

圖4給出了熟料厚度與出冷卻機氣體溫度之間的關系。可以看到，隨著料層厚度的增大，入窯氣體溫度對數增加。對于入窯氣體溫度變化，其對數增加趨勢是：在600mm以前，隨著高度的增加，入窯氣溫迅速升高；在600mm之后，相對來說增長趨勢并不明顯，相對要緩慢一些，特別是在850mm以后，其增長趨勢更慢。造成這種結果的一種看法是：在產量一定的前提下，推動速度的減小增加了料層的高度，而推動速度減小就意味著熟料在整個冷卻機內部要停留更長的時間，也就意味著有更多的時間與冷卻空氣之間進行換熱。相對來說，換熱時間越長，則熱量交換越充分，出冷卻機氣體溫度越高。同時可以注意到，入窯氣體溫度主要跟急冷區(qū)的換熱效果有關。

圖5 料層厚度與冷卻機熱效率的關系

圖6 料層厚度與出冷卻機熟料溫度的關系

圖7 出窯熟料溫度與出冷卻機熟料溫度的關系

圖8 冷卻風溫與出冷卻機熟料溫度的關系

圖5給出了冷卻機熱效率與料層高度之間的變化關系。從中也可以很明顯地看到類似于前面討論到的規(guī)律。而且，從其曲線分布來看，似乎在600～850mm之間換熱效率與料層高度之間有相對較為合適的對應關系。因而，大多數選取600～800mm作為料層高度分布區(qū)域似與此有關。

圖6則給出了熟料高度與出冷卻機熟料溫度的關系。從中不難看出，依然呈現對數分布。同時，也可以看到，在料層厚度大于600mm之后，熟料溫度變化趨于平穩(wěn)。而此時熟料溫度大約在120℃以下。在料層厚度超過800mm以后，因為增加風機壓頭會帶來電耗的上升，因此不予推薦。

3.4 出窯熟料溫度對換熱的影響

改變邊界條件中的出窯熟料溫度，計算了不同溫度工況下出冷卻機熟料溫度。

從圖7中可以看到，出窯熟料溫度增加，出冷卻機熟料溫度也增加。計算表明出窯熟料每增加50℃，出冷卻機熟料溫度僅增加3～5℃。因此，出窯熟料的改變主要表現為對二、三次風溫和余風溫度的影響，而對出冷卻機熟料溫度的影響不大。

3.5 環(huán)境溫度對換熱的影響

從圖8可以看出，冷卻風溫每增加10℃，出冷卻機熟料溫度增加10～12℃。由于冷卻風溫的增加，使得風料溫差減小，并且換熱系數也變小，從而對熟料的冷卻效果影響較大。

4 結論

（1）風量是影響熟料冷卻效果的主要因素，在風量合理分配、粒徑均勻、料層控制合理的前提下，1.8m3（標）/kg熟料的風量足以將熟料冷卻。

（2）急冷區(qū)的篦下風速對熟料的冷卻效果和熱回收都有影響,厚料層時一室風速控制在1.6m（標）/s左右，有利于熱回收和熟料冷卻。

（3）熟料料層高度對熱回收效率影響很大，為提高冷卻機熱回收率，應適當增加熟料料層厚度，對于新型篦冷機推薦在600～800mm范圍內。

（4）熟料顆粒粒徑對熟料的冷卻影響較大,排出熟料溫度與粒徑大小呈線性增加。

（5）冷卻風溫對熟料的冷卻效果影響較大，冷卻風溫每增加10℃，出冷卻機熟料溫度增加10～12℃。出窯熟料溫度對熟料冷卻影響不大，出窯熟料溫度每增加50℃，冷卻后熟料溫度增加3～5℃。

[1]胡道和,徐德龍,蔡玉良.氣固過程工程學及其在水泥工業(yè)中的應用[M].武漢：武漢理工大學出版社,2002.

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