回转窑筒体传热数学模型及模拟仿真研究

王文煜 刘星安 尤 立 王雅娟

(洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南洛阳 417039)

回转窑筒体传热数学模型及模拟仿真研究

王文煜 刘星安 尤 立 王雅娟

(洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南洛阳 417039)

对回转窑烟气、窑皮、耐火砖及筒体进行了综合研究，建立了回转窑筒体散热数学模型，并模拟了窑内的温度场和烟气流速矢量分布，并对模拟结果和模型计算结果进行对比分析。模型可对窑类设计提供理论支持，并对用户实际生产操作进行指导，以达到优化生产的目的。

回转窑； 散热模型；模拟仿真

1 引言

传统的回转窑的设计一般以经验设计为主，而没有考虑正常使用中热工工况下的特征参数。本文拟通过建立一种回转窑的筒体散热数学模型，并将实例计算结果与模拟分析相比较，为回转窑设计和用户生产提供理论支持和操作指导。

2 回转窑筒体传热数学模型及模拟分析

2.1 数学模型的建立

回转窑筒体内砌有耐火砖，其表面有熟料和粉尘由液相变成固相而形成的窑皮。由于回转窑为稳态传热，则筒体向周围环境的对流换热量(Q1)等于窑内耐火砖内部的传导热量(Q2)，并与窑皮内部的传导热量(Q3)相等，与窑内高温烟气向窑皮的辐射和对流换热量(Q4)也相等，即：

回转窑筒体向周围环境的散热绝大部分为对流换热，根据牛顿冷却定律有：

式中，Q1为筒体散热量(kJ)，α1为对流换热系数(W/m2.℃)，t1为筒体表面温度(℃)，t0为环境温度(℃)，d1为筒体直径(m)，L为筒体长度(m)。

回转窑筒体、耐火砖及窑皮的导热可视为多层圆筒壁的导热，可表示为：

式中，Q2为耐火砖到筒体表面的传导热量(kJ)，1λ为筒体钢板导热系数(W/m.℃)，2λ为耐火砖导热系数(W/m.℃)，3λ为窑皮导热系数(W/m.℃)，1φ、2φ、3φ为弯曲修正系数，d1为筒体外径(m)，d2为耐火砖层外径(或筒体内径，m)，d3为耐火砖层内径(或窑皮外径，m)，d4为窑皮内径(m)，L为筒体长度(m)。t4为窑皮内表面温度(℃)。

窑内高温烟气对窑皮的传热量Q3包括辐射传热量和对流传热量，辐射传热量按下式计算：

式中，t5为窑内高温烟气温度(℃)。

联立以上各式，令T=t4+273，则

2.2 Φ5X60m回转窑的传热计算

以下根据建立的筒体传热数学模型对Φ5X60m回转窑进行筒体传热计算。

筒体钢板厚度0.046m，耐火砖厚度0.28m，窑皮厚度0.15m，窑内燃烧段高温烟气温度1750℃，环境温度20℃。窑皮导热系数2.8W/(m.℃)，耐火砖导热系数3.3W/(m.℃)，窑内气体流速V=10m/s ，已知窑内气体中CO2含量为15%，水蒸气含量为2%，则：⋅l=2000×(5-2×0.28-2×0.15)=8280Pa⋅m，查手册，水蒸气的辐射率=0.0491；⋅l=15000×(5-2×0.28-2×0.15)=62100Pa⋅m查表，CO2的辐射率=0.1309。而⋅L+⋅L=70380Pa⋅m，/(+)=0.1176，故Δε=0.0120。

则水蒸气与CO2总辐射系数Σε=0.168。

查表，窑内空气黏度μ=5.870×10-5Pa⋅s ，比热Cp=1151J/kg⋅℃，导热系数λg=0.1099W/m⋅℃，则

烟气雷诺数=ρ⋅Ug⋅(D-2δ)=1.2787×105μ

假设筒体表面温度300℃，环境温度20℃，环境风速2m/s，查表得回转窑筒体与环境的对流换热系数为α1=37.8W/(m2⋅℃)。代入可求得：A=5.8735，B=1.3808x10-9,C=1.8133x1013。则(5)式可变为：

解得T=1981K，即窑内窑皮温度t4=1708℃。代入(5)式，筒体总传热量Q3=10230382W；联立(1)、(2)式，解得筒体表面温度t1=303℃。

2.3 回转窑热流场模拟分析

以下是利用热流场模拟分析软件ANSYS FLUNT对Φ5X60m回转窑进行烟气流速和温度场分布的模拟分析。

图1 烟气流速矢量图

图2 回转窑内温度场示意图

由窑内烟气流速矢量图可看出，窑内烟气流速在燃烧器附近流速最高，达到约20m/s，煅烧带烟气流速约12m/s，窑尾烟气流速8m/s左右。从窑内烟气温度场模拟图可看出，自燃烧器开始将近20m的范围内，烟气温度较高，达到1750℃左右，随后逐渐降低，在煅烧带末端温度约为1450℃。从煅烧带到窑尾端温度逐渐降低。在窑头位置附近是窑内温度最低的区域，烟气温度约为800℃左右。窑内大部分区域烟气温度达到1100℃左右，在外侧筒体表面约300℃。烟气流速在此截面上大部分区域的流速在8～11m/s。这与数学模型的计算结果相符合。

3 结论

(1)通过建立的新型超短回转窑散热模型，描述了窑内烟气、窑皮、耐火砖等因素和筒体温度及散热量的关系；

(2)模拟分析了窑内的烟气流速场和温度场，并对窑横截面的温度场和烟气流速进行了分析对比，模拟分析结果和模型计算基本吻合，从而验证了散热模型。这可为实际生产操作提供可靠的理论支持和指导。

[1]孙晋涛. 硅酸盐工业基础[M] 武汉：武汉理工大学出版社，1992.

[2]杨世铭，陶文铨等. 传热学(第4版)[M] 北京：高等教育出版社，2012.

[3]GB/T26281-2010，水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法.

[4]朱红钧. FLUNT 15.0流场分析[M] 北京：人民邮电出版社，2015.

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1007-6344（2016）02-0008-02

王文煜(1967—)，男，工程师，主要从事回转窑设计工作。