活性石灰预分解炉装置的研发

朱玲利，智西湖，乔 斌

（1.洛阳师范学院，洛阳 471000；2.矿山重型装备国家重点实验室（中信重工机械股份有限公司），洛阳 471000）

0 引言

石灰石在传统预热器中预分解率只有25%[1]，剩余75%在回转窑内分解。石灰石在回转窑内不断翻滚过程中受到高温烟气辐射换热，有利于石灰石的均匀煅烧。但筒体散热损失也非常大，单位产量热损失615kJ左右，占系统总热耗的13%。而预热器以低温烟气对流换热为主，单位产量热损失只有134kJ[2]。因此研发出一种能将石灰石预分解率提高至50%的预分解炉装置，降低回转窑筒体的热损失，且保证石灰石均匀煅烧是文章研究的重点。

1 预分解炉装置研发技术路线

中信重工股份有限责任公司（以下简称中信重工）在回转窑煅烧活性石灰系统多年研究的基础上，提出减少回转窑处使用的燃料量，同时研发带有燃烧室的预分解炉装置替代传统预热器，达到提高石灰石预分解率，降低系统总热耗目的。预分解炉研发的技术路线如图1所示。

2 预分解炉装置的研发

2.1 结构参数的理论计算

为了计算出预分解炉预热高度和石灰石的停留时间，需要研究烟气和石灰石的换热效率，即换热系数。相关研究表明[3]，预分解炉内主要换热形式是烟气和石灰石的对流换热，约占预分解炉总换热量的85%。因此推导出烟气和石灰石对流换热系数就能够掌握预分解炉内的换热规律。

图1 预分解炉装置研发技术路线图

2.1.1 对流换热系数的求解

烟气在预分解炉内和堆积石灰石的对流换热系数h是随着烟气流动不断变化的，因此需要求解出整个预分解炉内对流换热的平均值。

对流换热系数[4]：

目前学者[5]对炉体内堆积石灰石与烟气流动的数求解，简化为烟气径向流过单根圆柱体的模型，然后利用丘吉尔和朋斯登推荐的试验关联式。但是把炉内堆积石灰石简化成单根圆柱体的模型计算数误差明显非常大。笔者把预分解炉内的石灰石看作堆积床模型，并且引入科尔伯恩因子[6]作为中间变量，推导出了堆积床模型的数。该计算模型显然更为接近预分解炉工作的实际情况。

烟气流动的雷诺数[8]：

石灰石堆积床对流换热的特征长度[9]：

式中：ρ为石灰石堆密度， k g/m3。

表1[2] 烟气和石灰石参数表

表2[2] 烟气和石灰石参数表（续）

通过式（1）～式（4）计算得：

2.1.2 预分解炉的预热高度和石灰石停留时间

堆积床的平均传热速率[4]：

式中，A是参与换热石灰石总比表面积，m2；是烟气和石灰石的平均温差，K。

若近似把石灰石看作半径为dp/2的球体排列在单位体积内，其传热的比面积为[10]：

那么单位体积内石灰石换热比表面：

表3[11] 石灰系统中石灰石与烟气换热参数

石灰石在预分解炉内1秒的总换热量：

预分解炉单位体积内烟气和石灰石的传热速率：

预分解炉单位高度对流换热速率：

预分解炉总换热高度：

预分解炉要使得石灰石达到的50%预分解率，其预热高度应为5.96m，对比原有预热器4.15m的有效预热高度明显要加高。根据石灰石在预分解炉的流动速度：约4.44×10-4m/s计算，石灰石在预分解炉内停留时间约为3.725小时。

2.2 模拟煅烧石灰石试验研究

为了得到石灰石达到50%预分解率所需烟气温度和系统热耗等参数，利用矿山重型装备国家重点实验室——0.7m×0.7m×2.5m预分解炉和φ0.9×4.5m回转窑系统模拟煅烧石灰石。

图2 试验预分解炉系统

2.2.1 试验参数设定

表4是根据计算结果设定带预分解炉的试验系统工艺参数。

表4 试验参数

2.2.2 试验结果处理及结论

石灰石在试验预分解炉内经3.725小时的预热和分解后，通过取样孔取出两组试样，不经过冷却直接称重后，再放入已经升温到1200℃的马弗炉继续焙烧完全。经马弗炉内二次焙烧后的石灰石重新称重。

将两组试样试验的数据分别记录并计算如表5所示。

表5 试验结果

从试验结果看以看出，石灰石预分解率提高至50.8%。根据试验结果，将系统热耗重新计算分析如表6所示。

在石灰石模拟试验中，可以得到以下结论：1）石灰石在预热温度1150℃～1200℃，3.725小时的预热后，预分解率可以达到50%左右。2）石灰石预分解率达到50%以上后，通过调整回转窑规格和燃料分配整个系统的热耗大幅降低。

表6 热耗的理论计算结果

2.3 预分解炉结构设计与CAE模拟分析

理论计算和试验得到了预分解炉的高度、横截面积等关键结构参数，以及预热时间、预热温度等工艺参数。在原有预热器的基础上，通过三维设计软件Inventor设计出了预分解炉的结构模型如图3所示（去掉顶部料仓）。

图3 预分解炉仓体的三维模型

新的预分解炉结构实际换热效果如何，是否能够最佳达到理想换热效果，在理论计算和试验都无法验证。利用CFD进行数值模拟增逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段[12]，因此可以借助Fluent研究烟气在新结构的流动情况，寻求最佳换热效果的内部结构。

2.3.1 模型选择及边界条件

Realizable k-ε模型是标准k-ε二元方程模型的改进方案，能够应用于各种不同类型的流动模拟，包括射流和混合自动流动、管道内流动、边界层流动等[13]。在综合考虑稳定性、计算精度以及实际需要的前提下，选用Realizable k-ε模型分析预分解炉内部烟气流场。分析采用标准壁面函数，根据生产实际设定壁面的粗糙度0.5，其他边界条件选用表1的数据。压力—速度的耦合方程采用非交错网格的simple算法[14]。

2.3.2 模拟结果分析与设备优化

预分解炉单个仓体内烟气流线场如图4所示。

图4 预分解炉烟气流线场图

从图4可以看出，烟气在预分解炉内靠边流动的“边壁效应”非常明显，图示右侧基本上没有烟气流过，从而造成石灰石预热不均匀影响石灰石的煅烧质量。

为了使得预分解炉内烟气流动更加均匀，大量模拟分析后发现，烟气在进入预分解仓后有一个向前俯冲的趋势，为此在烟气俯冲处设计一个内凹结构，这样烟气就被均匀散射到整个预分解炉仓中。经过多次模拟分析后找到了最佳内凹角度和深度，优化后预分解炉烟气流线场如图5所示。

图5 优化后预分解炉烟气流线场

从图5可以看出，烟气在预分解炉内流动均匀性和图4相比较有很大的改善，石灰石在预分解炉内预热更加均匀。

3 结论

[1] 初建民,高士林.冶金石灰生产技术手册[M].北京:冶金工业出版社2009:1-2.

[2] 鲁俊.日产1000吨活性石灰热工计算书[R].洛阳:洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司,2004:11-12.

[3] 王雅娟.活性石灰传热基础理论研究[R].洛阳:洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司,2009:5-6.

[4] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2009:211-214,6-8.

[5] 廖志明.竖式预热器和冷却器热流场分析[D].河南科技大学.2010:20-22.

[6] Colburn A P. A method of correlating forced convection heat transfer data and comparison with fluid friction[J].Trans AIChE,1933,29:174-180.

[7] 朱玲利,乔斌,等.活性石灰预热器对流换热的计算[J].冶金设备.2012,200(6):6-8.

[8] 弗兰克,P. 英克鲁佩勒,等.传热和传质基本原理[M].北京:化学工业出版社2009:284.

[9] 金涌,祝京旭,等主编.流态化工程原理[M].北京:清华大学出版社,2001:317-318.

[10] J.贝尔.多孔介质流体力学[M].北京:中国建筑工业出版社,1983:36.

[11] 乔斌.高预分解率预分解炉活性石灰回转窑系统的研发[R].洛阳:洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司,2012:3-10.

[12] 王涛,陈庆光,等.基于数值模拟的对旋风机功率匹配研究[J].机械设计与制造.2010,(3):207-208.

[13] Shih T H et al.A New k-εEddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows [J].Computer Fluids,1995,24(3):227-238.

[14] 江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社2008:35-41.