瀝青焦回轉窯爐內傳熱特性的數值模擬

羅雪嬌,靳世平,譚　凱,劉小康(華中科技大學能源與動力工程學院,武漢 430074)

瀝青焦回轉窯爐內傳熱特性的數值模擬

羅雪嬌,靳世平,譚凱,劉小康
(華中科技大學能源與動力工程學院,武漢 430074)

回轉窯內的燃燒和傳熱情況對回轉窯窯壁耐火材料的使用壽命有很大影響。針對某瀝青焦回轉窯的結構和燃燒特性，考慮了窯內的對流、輻射換熱以及揮發分燃燒伴隨的吸熱和放熱過程，利用Fluent和Matlab建立三維模型進行耦合計算。結果表明，回轉窯中存在兩處高溫區，其中窯頭附近的高溫區是煤氣燃燒產生的，但其位于冷卻帶上，溫度不會顯著升高；而大量的揮發分氣體在煅燒帶附近燃燒，該區域內煙氣溫度可達1500℃，該部分窯襯易被燒壞。

瀝青焦回轉窯；數值模擬；揮發分；窯壁溫度

回轉窯是延遲法生產瀝青焦過程中的主要煅燒設備，具有結構簡單、生產能力大、機械化、自動化程度高等特點。實際生產中，從焦化塔卸出的生焦需送入回轉窯內經過高溫煅燒，除去水分和揮發分，成為合格的瀝青焦產品[1]。但在回轉窯的使用中，經常發生耐火材料燒損等導致的停窯大修，嚴重影響瀝青焦的安全、連續、穩定生產[2]，造成經濟損失。因此，對回轉窯內燃燒與傳熱情況的研究對實際生產具有指導意義。

回轉窯內的傳熱過程十分復雜，不僅包含熱傳導、對流和輻射三種傳熱方式，而且存在物料輸送、揮發分的析出、可燃分的燃燒等物理化學反應過程。本研究采用數值模擬和測試相結合的方法，建立三維模型研究回轉窯的爐內燃燒和傳熱特性，解決生產控制和爐襯材料選擇問題。

1　數值模擬方法

1.1研究對象

以某鋼廠回轉窯作為研究對象，其具體設計參數和運行參數見表1與表2。

表1　回轉窯結構參數

表2　主要運行參數

1.2回轉窯模擬的假設條件和求解方法

為了簡化計算過程，根據回轉窯的傳熱過程做如下假設：

（1）本研究針對處于穩態運行狀態下的回轉窯，不考慮回轉窯轉動的影響；

（2）窯壁、料床表面均為灰體表面，氣體為灰體介質；

（3）物料充分混和，在回轉窯的任一軸向截面位置的物料、氣體和窯壁溫度都是均勻分布的；

（4）窯壁材料的導熱率不隨溫度變化而變化；

（5）忽略物料熱解過程的吸放熱。

利用Fluent軟件模擬窯內氣體空間中的氣體流動、傳熱、揮發分和燒損焦炭的燃燒等過程。采用物質輸送和有限速率化學反應模型模擬回轉窯內的燃燒狀況，湍流模型選擇k-ε雙方程模型，湍流模型輻射模型采用DO輻射模型。運用Matlab軟件求解料床和窯壁的溫度分布，作為Fluent計算的邊界條件，迭代求解。

1.3邊界條件的設置

一、二次風口、燃氣入口采用速度入口，由現場生產供給的風量和一、二次風口可面積計算一、二次風的速度。揮發分入口為質量流量入口，其與溫度的關系式可根據揮發分析出速率測試結果擬合得到。出口邊界條件為充分發展的出口類型。窯壁的換熱采用薄壁熱阻模型，需給定環境空氣的溫度、其與邊界間的傳熱系數和窯外壁的發射率。

2 　結果與分析

圖1為窯內氣相空間軸截面的溫度分布，在距離窯尾12-30m處煙氣溫度超過了1400℃，這一區域為煅燒帶[3]，長度為18m。在距窯頭2-8m處，也存在一個小范圍高溫區，由于該位置瀝青焦中的可燃性揮發分基本逸出完全，高溫是煤氣和碳粒燒損引起的，該區域為冷卻帶。

圖2顯示了窯內各層的軸向溫度分布，在距窯尾0~6m段，物料中水分大量蒸發吸熱，料層溫度增加比較緩慢；隨后在6~23m段物料中的揮發分不斷逸出進入氣相中,與送入窯內的空氣燃燒產生大量熱量，使料層的溫度逐漸升高。在距窯尾23m處，窯內煙氣、物料、內壁溫度曲線相交，此處熱量傳遞過程發生逆轉，由物料層受熱變成物料層傳熱給窯內壁和煙氣。因此，從23m處開始料層溫度反而降低。將窯外壁溫度的模擬結果與實測值對比，模擬所得的溫度分布在高溫段(主要是煅燒帶)和低溫段(窯內其他部位)比實測值偏高。其中最大誤差出現在窯尾部分，僅為10%，平均誤差為5%，證明了該數值模擬方法的可行性。

3 　結論

（1）回轉窯靠近窯頭的部分和煅燒帶分別存在一個高溫區，由于靠近窯頭部分為冷卻帶，窯壁不斷加熱物料，該處的窯壁溫度沒有顯著升高；

（2）距窯尾15-35m處為煅燒帶，該處窯壁的溫度和窯內煙氣溫度接近，達到了1500℃，容易發生損壞。因此，可根據窯內各帶的溫度和熱負荷，選用不同的耐火材料，提高窯壁的使用壽命；

（3）窯外壁的計算結果與測試結果吻合較好，說明該模擬方法適用于瀝青焦回轉窯的傳熱特性研究，對回轉窯的設計和改造有指導意義。

[1]蔡闖,陳瑩,彭莉等.煤系針狀焦生產工藝的研究[J].燃料與化工,2013,44(03):9-11.

[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[N].中國有色金屬學報,2006(06):1115-1119.

[3]肖國俊.石油焦煅燒回轉窯綜合傳熱數學模型與數值模擬[N].華中科技大學.2007.