水泥窯純低溫余熱發(fā)電蓖冷機(jī)開口位置選擇的數(shù)值模擬

任福忱

摘要：水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，其發(fā)電效率取決于：蓖冷機(jī)廢氣取熱效率;汽輪機(jī)內(nèi)效率;發(fā)電效率;鍋爐效率等。其中水泥窯蓖冷機(jī)高、中溫開口位置的選擇優(yōu)劣將直接決定其發(fā)電量高低的重要因素。本文結(jié)合國內(nèi)典型5000噸/天水泥生產(chǎn)線上蓖冷機(jī)的工藝特點，建立蓖冷機(jī)三維仿真模型，研究水泥熟料與冷卻空氣之間的換熱、熟料的運(yùn)動等過程，采用UDFs模擬并分析蓖冷機(jī)內(nèi)部的速度場和溫度場分布。探討改變高溫取熱口和中溫取熱口的相對位置時對蓖冷機(jī)熱效率的影響。為提高第二代水泥窯純低溫余熱發(fā)電水平，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：蓖冷機(jī);發(fā)電效率;氣固換熱;熱效率;數(shù)值模擬

蓖冷機(jī)是水泥生產(chǎn)工藝上重要的冷卻設(shè)備，但是一直以來對蓖冷機(jī)熱工特性的研究缺乏系統(tǒng)性的分析，以致對蓖冷機(jī)系統(tǒng)的操作和改進(jìn)主要依靠經(jīng)驗的方法，缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)。因此根據(jù)實際的生產(chǎn)設(shè)備，建立并求解蓖冷機(jī)冷卻過程學(xué)仿真模型，深入探究蓖冷機(jī)內(nèi)的換熱過程，獲得蓖冷機(jī)的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)成為亟待解決的新課題。水泥窯廢熱的梯級利用是當(dāng)前最有效和最經(jīng)濟(jì)的利用方式，并逐漸成為該方向研究的重點。

利用流體計算軟件Fluent對蓖冷機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬與研究，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果分析蓖冷機(jī)內(nèi)部的溫度場和流場等，得到合理的余熱取風(fēng)口位置，從而充分的使蓖冷機(jī)內(nèi)部的余熱最大化。通過取熱口取熱溫度的變化，得到各個熱工參數(shù)對蓖冷機(jī)的余熱利用的影響，進(jìn)而通過優(yōu)化得到余熱利用量最大的同時，發(fā)電量也達(dá)到最大化。

一、數(shù)值模型及數(shù)值方法

（一）實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)及邊界條件

實驗?zāi)Ｐ停∫粋€典型蓖冷機(jī)為研究對象，對其進(jìn)行建模來研究其內(nèi)部的冷卻規(guī)律，蓖冷機(jī)的實際尺寸為：長39.4m，寬3.76m，蓖冷機(jī)內(nèi)部熟料層的厚度為0.9m。蓖冷機(jī)的第一、二入口的體積流量總和為253200Nm/h折合質(zhì)量流量為90.73kg/s，溫度為環(huán)境溫度300K;三段蓖床的蓖下壓力分別為：第一段5.6Mpa，第二段3.3Mpa;第三段1.2Mpa。蓖冷機(jī)的壁面溫度62℃，熟料的初始溫度為1137℃。

（二）網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為525342個，網(wǎng)格在熟料層以上，采用交錯的網(wǎng)格布局，用于改進(jìn)局部流動，如圖1所示。

（三）數(shù)學(xué)模型

（1）連續(xù)性方程;

（2）k-ε湍流模型;

（3）多孔介質(zhì)模型動量方程;

（4）能量方程;

（5）壓力耦合采用SIMPLE算法;

（6）壓力插補(bǔ)格式采用PRESTO！格式;

（7）UDF及UDS說明;

采用UDFs編程實現(xiàn)熟料部分耦合氣固換熱模型以及熟料部分沿蓖冷機(jī)縱向的溫度變化。

二、數(shù)值計算結(jié)果與分析

（一）蓖冷機(jī)內(nèi)部溫度分布

蓖冷機(jī)內(nèi)部縱向截面的溫度分布見圖2所示。

氣體在熟料上層空間溫度分布和熟料內(nèi)部溫度分布相似，分三個溫度區(qū)：1）高溫區(qū)（1200K以上）、中溫區(qū)（600K-1200K）、低溫區(qū)（600K以下），其中高溫區(qū)和低溫區(qū)的分布跨度較小，中溫區(qū)分布跨度較大，高溫區(qū)和中溫區(qū)以及中溫區(qū)和低溫區(qū)之間存在一個明顯的溫度躍階，主要是由于各個取風(fēng)口抽風(fēng)量不同造成的。

（二）篦冷機(jī)內(nèi)部溫度分布

蓖冷機(jī)內(nèi)部截面的流場分布見圖3所示。

從圖3中可以看出，蓖冷機(jī)的蓖下高壓氣體經(jīng)過熟料后速度變的均勻，速度接近于零，經(jīng)過蓖冷機(jī)空腔上方的取熱口抽力作用，空腔內(nèi)的氣體速度變化較為明顯。因此蓖冷機(jī)內(nèi)部的流線圖與實際的情況相符合。

三、結(jié)論

建立蓖冷機(jī)的三維仿真模型，并對模型進(jìn)行仿真計算，驗證模型正確性，以尋求最大余熱回收量，從而使余熱發(fā)電量達(dá)到最優(yōu)，得到的結(jié)論如下：

（一）蓖冷機(jī)的高溫取熱口的位置取在蓖冷機(jī)的長度方向的14.5m處，中溫取熱口的位置選取在蓖冷機(jī)長度方向的26.8m處時，蓖冷機(jī)的有效利用熱量達(dá)到最大值，高溫取熱口位置在蓖冷機(jī)第一段蓖篩的末段，取熱口對二三次風(fēng)的影響較小，蓖冷機(jī)內(nèi)的有效利用的熱量隨著高溫取熱口與中溫取熱口之間的距離增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)中溫取熱口的位置在蓖冷機(jī)的第二段蓖篩的末段，蓖冷機(jī)的有效利用的熱量達(dá)到最大。

（二）蓖冷機(jī)蓖下風(fēng)室的冷空氣經(jīng)過熟料后流線變得均勻，速度降為零左右，蓖冷機(jī)內(nèi)部空腔的流場受到取熱口風(fēng)機(jī)抽力的影響較大，在抽力較大的高溫出口，余風(fēng)的速度最大能夠達(dá)到約29m/s。蓖冷機(jī)中的余熱利用集中在A-A截面與B-B截面之間，故其平均溫度也可以作為衡量取熱口位置的優(yōu)劣性的一種方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉彬，郝曉辰.蓖冷機(jī)熟料多通道冷卻氣固熱交換模型研究[J].硅酸鹽通報，2008（02）.

[2]高晶濤.Fuller 609s-819s/809s-1019s蓖冷機(jī)技術(shù)改造[D].長春理工大學(xué)，2006.