基于CFD 的球团矿变径回转窑数值模拟研究

（武汉科技大学资源与环境工程学院，冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081）

引 言

回转窑是最具代表性的窑炉设备之一，为了响应国家节能减排的号召，对回转窑提出了更高的要求，希望能够设计出能耗相对低且性能稳定的回转窑。变径回转窑是对传统直筒回转窑结构基础上的一次改进，其能集中热量保持更有效的节能，相同产量的变径回转窑比直筒回转窑造价更低更节省耐火材料[1]。由于涉及燃烧，高温和传热，研究回转窑内部情况不太容易[2]，对于变径回转窑结构方面的研究更少。随着计算机技术的迅速发展，CFD 可以通过三维建模，模拟回转窑内部的流场，温度场及传热过程。张志霄[3]，戴立红[4]，秦树辰[5]对回转窑传热模型以及内部燃烧温度场进行了探究。邹光明[6-7]对含钒页岩焙烧回转窑进行了仿真模拟，并对内部温度场和窑体热应力进行了分析。徐迅[8]分析了回转窑长径比对内部温度场的影响。廖斌[9]对回转窑内富氧燃烧进行了比较深入的研究，提出了一种更节能的燃烧方式。基于以上研究现状，本研究以酒钢钢铁公司实验用9 m 变径回转窑为对象，利用CFD 数值模拟技术[10]，对该类型的回转窑进一步结构优化，找到一种更节能的变径回转窑。

1 能量守恒方程和传热模型

1.1 能量守恒方程

能量守恒定律可以知，回转窑内单位时间能量的增加等于进入回转窑内燃料燃烧产生的净能量与作用力对回转窑做功之和。

式中：H 中显焓，J/Kg；

λ-导热率，W/(m/()；

Cp-质量分数加权比热，J/(kg·K)；

µt-湍流黏度，kg/(m·s)；

σH-焓的Prandtle 函数；

Qrad、QR、Sh-辐射换热、化学反应热和热汇项，W/m³。

1.2 热传导

回转窑内热传导体现为：窑内流体区域不同位置之间，流体区域与窑壁耐火材料之间以及耐火材料内部由于温差引起的能量交换。

式中：-热流密度，W/m2；

K/导热系数，W/(m/k)。

1.3 热对流

回转窑内热对流体现为：窑内流体区域由于强制对流引起的能量交换。

式中：-热流密度，W/m2；

h/对流换热系数，W/(m/k)；

TS1、TS2-同一流体域内不同部分流体的温度。

1.4 热辐射

回转窑内热辐射体现为：窑内高温气体或者窑壁高温耐火材料发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热能的换热过程。表面温度越高，单位时间内辐射的热量越多。可以用斯蒂芬·波尔曼方程来计算：

式中：q 中热流率；

δ-辐射率；

σ-斯蒂芬·波尔曼常数，约为5.67×10-8W/(m2·K4)；

A1-辐射面1 的面积；

F12-由辐射面1 到辐射面2 的形状系数；

T1、T2-辐射面1、辐射面2 的绝对温度；

2 实验验证

回转窑在实际工作过程中以0.35～ 4 r/min 的速度转动，根据转速由低到高，内部物料颗粒运动状态可分为：滑移，滑落和滚落。

当物料处于滑移运动状态时，混合效果很差，故工业上会尽量避免滑移状态出现。滚落是窑内物料最理想的运动状态。物料在重力作用以及窑壁摩擦力作用下，不断被带起，滑落，呈现出滚落的特点：物料自动分层，在靠近窑壁部分为固定层，颗粒间无相对运动，随窑体转动被带起，物料表面部分为活动层，颗粒由高出向地处滚落，混合效果好。

实验室6 m 直筒回转窑，单通道燃烧器，喷嘴距离窑头0.2 m，工作条件为焙烧含钒页岩。燃料为液化天然气，主要成分为甲烷。利用热电偶在回转窑稳定工作条件下，分别测量距离窑头0.6 m 轴中心的温度、距离窑头1.3 m 内壁处的温度、距离窑头3 m 外壁面处的温度。每隔15 min 测量一次，一共测360 min。数据见表1。

表1 回转窑工作实验测量结果Table 1 Measurement results of rotary kiln working test

Fluent 计算采用稳态计算，K-ε Realizable 湍流模型，P1 辐射模型，通用有限速率燃烧模型。燃料为甲烷，充分燃烧，甲烷摩尔分数0.06，过量空气系数1.25。燃料入口速度2 m/s，喷嘴直径0.06 m，出口直径0.12 m。9 m 回转窑燃料入口速度3 m/s，喷嘴直径0.09 m。球团矿的氧化、结晶的放热和吸热，忽略不计。物料填充量18%，考虑物料本身的传热，其比热容1000 J/(kg·K)，导热系数0.5 W/(m2·K)。回转窑窑壁耐火材料为粘土耐火砖，导热系数0.45 W/(m2·K)。其比热容随温度变化，经计算得该耐火砖比热容满足Cr=0.2955 t+817.29，t 为温度[7]。窑壁比热容500J/(kg·K)，导热系数16 W/(m2·K)，对外换热系数为6.2 W/(m2·K)，对外辐射率为0.09。

图1 温度曲线Fig.1 Temperature curve

表2 试验结果与测量结果对比Table 2 Testresults compared with the measured results

由表2 可知，三个测量点的模拟结果与试验结果相对误差均不超过5%，因此认为模拟结果可靠，可以用CFD 数值模拟的方法来研究回转窑内部燃烧的温度场。

3 温度场分析

3.1 寻找合适工况

模型为酒钢钢铁公司改进结构的9 m 变径回转窑，见图2。

图2 9 m 变径回转窑中心截面Fig.2 Center section of 9 m variable diameterrotary kiln

其中总长L=9 m，变径区间位于回转窑中部，L2=1 m，L1=4 m，内径D1=0.6 m，D2=0.4 m，窑壁厚度D=0.2 m。

表3 回转窑3 种工况Table 3 Three working conditions of rotary kiln

表3 为该回转窑实际工作时出现的3 种工况，分别对应燃料3 种不同的供给量。喷嘴直径0.09 m。过量空气系数为1.25，保证燃料充分燃烧。

喷嘴距离窑头0.7 m，燃烧器点火后，由于氧气含量充足，甲烷在火焰中心区域迅速充分燃烧，向外辐射、对流传热。

图3 3 种工况下回转窑内部燃烧温度场云Fig.3 Internal combustion temperature field of rotary kiln under three working conditions

图3可知，回转窑燃烧器喷嘴附近有一个低温区域，为燃料刚喷入窑内尚未达到着火点时的状态，该低温区域对燃烧器喷嘴起到保护作用。分析见图3，工况1 时燃料供给量最少，回转窑内部温度相对较低，导致煅烧段较短，不能满足球团矿焙烧要求；工况2 回转窑内部温度满足生产基本条件，煅烧段（1.2～ 3 m）、过渡段（3～ 6 m）、预热段（6～ 9 m）比例合适，满足球团矿焙烧要求；工况3 虽然也能满足球团矿焙烧要求，但是燃料消耗过量。综上，工况2 较适合该回转窑，在点火后，应尽量控制回转窑在工况2 下稳定工作。

3.2 变径与直筒回转窑对比

图4 9 m 变径与直筒回转窑内部燃烧温度场Fig.4 Internal combustion temperature field cloud diagram of 9 m variable diameter and straight rotary kiln

图5 9m 变径与直筒回转窑X 轴（中轴线）温度曲线Fig.5 X axis temperature curve (central axis) of 9 m variable diameter and straight rotary kiln

由图4、图5 可知，煅烧段火焰最高温度为1560 K，变径与直筒回转窑在煅烧段温度差别不明显，但在预热段(6～ 9 m)，变径回转窑内烟气温度高于直筒回转窑50 K 左右。说明变径回转窑在预热段更能集中热量，对球团矿氧化焙烧有利。另一方面也说明了，通过变径可以改善回转窑的热工性能，提高能源利用率。基于此，本文将进一步优化回转窑结构，通过改变变径区间的位置，找到在保证球团焙烧质量的情况下，结构更优的变径回转窑。

4 结构优化

4.1 改变变径区间位置

图6 不同变径区间位置模型Fig.6 Model diagram of different diameter variation intervals

5 个模型总长均为L=9 m，变径区间L2=1 m，变径区间位置分别距离窑头0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，内径D1=0.6 m 不变，窑壁厚度D=0.2 m。回转窑内部容积保持一定，经计算，D2 依次为0.50 m、0.49 m、0.47 m、0.45 m、0.40 m、0.32 m。

图7 X 轴温度曲线Fig.7 X axis temperature curve

图8 最高温度对比折线Fig.8 Line chart of the maximum temperature contrast

由图7 可知，不论变径区间位置如何变化，远离喷嘴的预热段，温度都相差不大，但靠近喷嘴的煅烧段却呈现有规律的差别。最高温度的位置均在距离窑头1.65 m 处。结合图8 可以看出，最高温度随着变径区间距离窑头的位置呈现先增大后减小的规律性变化。5 个模型中，当变径区间距离回转窑窑头1 m 时，煅烧段温度较高，高达1627 K，也高于相同容积的直筒回转窑的较高温度1608 K。

图9 X 轴向速度曲线Fig.9 X axis velocity curve

为探究该变径回转窑内部温度呈现此规律的原因，作出回转窑内部X 轴轴向速度曲线，见图13。可以看出，变径段位置越靠后，回转窑尾端气流流速越大，变径段位置越靠前，最高温度处（1.65 m）气流流速越大。气流从喷嘴喷射而出，流体速度整体上呈现逐渐减小的趋势，但是当流体运动到变径处时，由于回转窑内径减小，流速增大。因此，当变径段距离回转窑窑头1 m（距离喷嘴0.3 m）时，由于气流流速较快，刚喷出不久便达到变径位置，速度上升，甲烷燃烧的热量迅速在变径处开始集中，保证了煅烧段足够高的温度，保证了球团矿煅烧效果。同时，预热段最温度也在1100K 左右，满足生产要求。由于球团矿煅烧温度在1200～ 1300℃（1473 K～ 1573 K）便能满足球团矿焙烧条件，因此，若将燃料供给稍微降低，不仅不会影响球团矿焙烧和预热效果，而且更加节能。

4.2 实验模拟验证

图10 对比验证预测结果Fig.10 Compare and verify the predicted results

大胆猜测，变径区间越接近喷嘴处的变径回转窑，煅烧段温度越高。预测将变径位置设置在喷嘴处，该结构较优。由图10 不难看出，变径段距离窑头0.7 m 的变径回转窑在煅烧段温度略高于变径段距离窑头1 m 的变径回转窑，验证了预测的正确性。

4 节能效果

图11 温度曲线对比Fig.11 Temperature curve comparison

试验结果显示，将变径段距离窑头0.7 m 的变径回转窑在工况2 下减少燃料供给量5%的温度曲线几乎相同。将变径段距离窑头0.7 m 的变径回转窑，在工况2 下燃料共给量减小5%，并对比传统直筒回转窑工况2，发现，二者温度曲线几乎相同。说明该结构变径回转窑相对直筒回转窑节能5%，按10 万t/a 的生产量计算，该变径回转窑若投入生产每年可以节省天然气至少1.8 万m³。

5 结 论

（1）将变径位置设置在距离窑头0.7 m，该结构最优。原因是由于回转窑在变径处烟气流速更大，燃料燃烧的同时，热对流增强，热量能更快速的向后段扩散。

（2）通过变径可以改善回转窑的热工性能，相对于直筒回转窑更节省能耗。通过计算发现，该最优结构的变径回转窑相对直筒回转窑节能5%，按10 万t/a 的生产量计算，若投入生产每年可以节省天然气至少1.8 万m³。