活性石灰預分解爐裝置的研發

朱玲利，智西湖，喬 斌

（1.洛陽師范學院，洛陽 471000；2.礦山重型裝備國家重點實驗室（中信重工機械股份有限公司），洛陽 471000）

0 引言

石灰石在傳統預熱器中預分解率只有25%[1]，剩余75%在回轉窯內分解。石灰石在回轉窯內不斷翻滾過程中受到高溫煙氣輻射換熱，有利于石灰石的均勻煅燒。但筒體散熱損失也非常大，單位產量熱損失615kJ左右，占系統總熱耗的13%。而預熱器以低溫煙氣對流換熱為主，單位產量熱損失只有134kJ[2]。因此研發出一種能將石灰石預分解率提高至50%的預分解爐裝置，降低回轉窯筒體的熱損失，且保證石灰石均勻煅燒是文章研究的重點。

1 預分解爐裝置研發技術路線

中信重工股份有限責任公司（以下簡稱中信重工）在回轉窯煅燒活性石灰系統多年研究的基礎上，提出減少回轉窯處使用的燃料量，同時研發帶有燃燒室的預分解爐裝置替代傳統預熱器，達到提高石灰石預分解率，降低系統總熱耗目的。預分解爐研發的技術路線如圖1所示。

2 預分解爐裝置的研發

2.1 結構參數的理論計算

為了計算出預分解爐預熱高度和石灰石的停留時間，需要研究煙氣和石灰石的換熱效率，即換熱系數。相關研究表明[3]，預分解爐內主要換熱形式是煙氣和石灰石的對流換熱，約占預分解爐總換熱量的85%。因此推導出煙氣和石灰石對流換熱系數就能夠掌握預分解爐內的換熱規律。

圖1 預分解爐裝置研發技術路線圖

2.1.1 對流換熱系數的求解

煙氣在預分解爐內和堆積石灰石的對流換熱系數h是隨著煙氣流動不斷變化的，因此需要求解出整個預分解爐內對流換熱的平均值。

對流換熱系數[4]：

目前學者[5]對爐體內堆積石灰石與煙氣流動的數求解，簡化為煙氣徑向流過單根圓柱體的模型，然后利用丘吉爾和朋斯登推薦的試驗關聯式。但是把爐內堆積石灰石簡化成單根圓柱體的模型計算數誤差明顯非常大。筆者把預分解爐內的石灰石看作堆積床模型，并且引入科爾伯恩因子[6]作為中間變量，推導出了堆積床模型的數。該計算模型顯然更為接近預分解爐工作的實際情況。

煙氣流動的雷諾數[8]：

石灰石堆積床對流換熱的特征長度[9]：

式中：ρ為石灰石堆密度， k g/m3。

表1[2] 煙氣和石灰石參數表

表2[2] 煙氣和石灰石參數表（續）

通過式（1）～式（4）計算得：

2.1.2 預分解爐的預熱高度和石灰石停留時間

堆積床的平均傳熱速率[4]：

式中，A是參與換熱石灰石總比表面積，m2；是煙氣和石灰石的平均溫差，K。

若近似把石灰石看作半徑為dp/2的球體排列在單位體積內，其傳熱的比面積為[10]：

那么單位體積內石灰石換熱比表面：

表3[11] 石灰系統中石灰石與煙氣換熱參數

石灰石在預分解爐內1秒的總換熱量：

預分解爐單位體積內煙氣和石灰石的傳熱速率：

預分解爐單位高度對流換熱速率：

預分解爐總換熱高度：

預分解爐要使得石灰石達到的50%預分解率，其預熱高度應為5.96m，對比原有預熱器4.15m的有效預熱高度明顯要加高。根據石灰石在預分解爐的流動速度：約4.44×10-4m/s計算，石灰石在預分解爐內停留時間約為3.725小時。

2.2 模擬煅燒石灰石試驗研究

為了得到石灰石達到50%預分解率所需煙氣溫度和系統熱耗等參數，利用礦山重型裝備國家重點實驗室——0.7m×0.7m×2.5m預分解爐和φ0.9×4.5m回轉窯系統模擬煅燒石灰石。

圖2 試驗預分解爐系統

2.2.1 試驗參數設定

表4是根據計算結果設定帶預分解爐的試驗系統工藝參數。

表4 試驗參數

2.2.2 試驗結果處理及結論

石灰石在試驗預分解爐內經3.725小時的預熱和分解后，通過取樣孔取出兩組試樣，不經過冷卻直接稱重后，再放入已經升溫到1200℃的馬弗爐繼續焙燒完全。經馬弗爐內二次焙燒后的石灰石重新稱重。

將兩組試樣試驗的數據分別記錄并計算如表5所示。

表5 試驗結果

從試驗結果看以看出，石灰石預分解率提高至50.8%。根據試驗結果，將系統熱耗重新計算分析如表6所示。

在石灰石模擬試驗中，可以得到以下結論：1）石灰石在預熱溫度1150℃～1200℃，3.725小時的預熱后，預分解率可以達到50%左右。2）石灰石預分解率達到50%以上后，通過調整回轉窯規格和燃料分配整個系統的熱耗大幅降低。

表6 熱耗的理論計算結果

2.3 預分解爐結構設計與CAE模擬分析

理論計算和試驗得到了預分解爐的高度、橫截面積等關鍵結構參數，以及預熱時間、預熱溫度等工藝參數。在原有預熱器的基礎上，通過三維設計軟件Inventor設計出了預分解爐的結構模型如圖3所示（去掉頂部料倉）。

圖3 預分解爐倉體的三維模型

新的預分解爐結構實際換熱效果如何，是否能夠最佳達到理想換熱效果，在理論計算和試驗都無法驗證。利用CFD進行數值模擬增逐步成為了解流體機械內部流動狀況的重要手段[12]，因此可以借助Fluent研究煙氣在新結構的流動情況，尋求最佳換熱效果的內部結構。

2.3.1 模型選擇及邊界條件

Realizable k-ε模型是標準k-ε二元方程模型的改進方案，能夠應用于各種不同類型的流動模擬，包括射流和混合自動流動、管道內流動、邊界層流動等[13]。在綜合考慮穩定性、計算精度以及實際需要的前提下，選用Realizable k-ε模型分析預分解爐內部煙氣流場。分析采用標準壁面函數，根據生產實際設定壁面的粗糙度0.5，其他邊界條件選用表1的數據。壓力—速度的耦合方程采用非交錯網格的simple算法[14]。

2.3.2 模擬結果分析與設備優化

預分解爐單個倉體內煙氣流線場如圖4所示。

圖4 預分解爐煙氣流線場圖

從圖4可以看出，煙氣在預分解爐內靠邊流動的“邊壁效應”非常明顯，圖示右側基本上沒有煙氣流過，從而造成石灰石預熱不均勻影響石灰石的煅燒質量。

為了使得預分解爐內煙氣流動更加均勻，大量模擬分析后發現，煙氣在進入預分解倉后有一個向前俯沖的趨勢，為此在煙氣俯沖處設計一個內凹結構，這樣煙氣就被均勻散射到整個預分解爐倉中。經過多次模擬分析后找到了最佳內凹角度和深度，優化后預分解爐煙氣流線場如圖5所示。

圖5 優化后預分解爐煙氣流線場

從圖5可以看出，煙氣在預分解爐內流動均勻性和圖4相比較有很大的改善，石灰石在預分解爐內預熱更加均勻。

3 結論

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