铁矿氧化球团回转窑三维温度场仿真模型

范晓慧，李俊，陈许玲，王祎，甘敏

(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：在分析烟气、窑壁和球团之间的传导、对流和辐射传热，煤粉的燃烧以及回转窑中球团的运动规律的基础上，应用轴向传热模型描述窑内烟气温度分布，应用横截面二维传热模型+轴向传热模型描述球团温度分布，建立回转窑三维温度场模型，开发三维温度场仿真系统，动态显示窑内烟气和球团的温度分布。研究结果表明：模型计算烟气温度命中率在90%以上。

关键词：铁矿氧化球团；回转窑；三维模型；温度分布

中图分类号：TF325.1          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)08-2896-04

Three-dimensional temperature field simulation model of rotary kiln for iron ore oxidized pellet

FAN Xiao-hui, LI Jun, CHEN Xu-ling, WANG Yi, GAN Min

(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on the analysis of conduction, convection and radiation heat transfer among the flue gas, kiln wall and the pellet bed, the coal combustion and the movement of pellets in rotary kiln, an axial heat transfer model was used to describe temperature distribution of the flue gas, and a cross-sectional heat transfer model combined with the axial heat transfer model was used to describe the temperature distribution of pellet bed. A three-dimensional temperature field model of rotary kiln was established. Then, the three-dimensional temperature field simulation system was developed. Temperature distribution of pellet and flue gas in rotary kiln was dynamically displayed by the system. The results show that the hit-ratio of flue gas temperature is more than 90%.

Key words: iron ore oxidized pellet; rotary kiln; three-dimensional model; temperature distribution

我国的钢铁工业发展迅速，2011年我国钢产量已达到6.83×10⁸ t。目前，高碱度烧结矿配加酸性球团矿和(或)块矿是国内外公认的合理炉料结构。与烧结相比，球团生产过程能耗低，产品的强度大、品位高，其产量从2005年的0.59×10⁸ t提高到2010年的1.4×10⁸ t，在高炉炉料中的比例从10%提高到15.45%。链篦机-回转窑氧化球团生产工艺具有原料适应性强、生产规模大、生产的产品质量均匀且强度高、可用煤作燃料等众多优点，在我国得到迅速发展，2010年其产能占球团生产总量的56.51%，单机规模最高达5×10⁶ t/a。链篦机-回转窑氧化球团生产中，球团矿质量与回转窑的温度有直接关系，然而，由于回转窑处于高温及旋转状态，在线直接测量温度很困难，因此，窑内温度分布的研究一直是回转窑研究的重点。国内外的学者已对此进行一系列的研究，如邱夏陶  等^[1-5]分别建立了回转窑温度场模型。但目前所取得的研究成果大多是一维模型，不能全面地反映窑内的温度分布。为此，本文作者建立回转窑三维温度场模型，预测回转窑窑内球团和气体温度分布，以便为指导回转窑生产提供理论依据。

1  回转窑三维温度场模型

1.1  传热和传质分析

回转窑内煤粉燃烧产生大量的热烟气，在烟气和球团逆向运动的过程中，烟气以对流和辐射的方式对球团和窑壁进行加热，窑内壁以辐射和传导的方式对球团进行加热，窑外壁则以对流和辐射的方式向环境的散热。同时，回转窑内球团也在不断的运动中，其在横截面内的运动分为表面活动层和固定层2个区 域^[6-9]，如图1所示。固定层中球团仅作圆周运动，球团之间并无相对运动，固定层球团的运动可表示为u=ωr^[10]；表面活动层内由于球团的随机滚落运动，球团混合现象较强烈，需采用质量守恒和动量守恒定律进行运动分析。

由于烟气的扩散速度快，温度在横截面内相对均匀，因此，可以用轴向传热模型来描述烟气在各个横截面的温度分布。而对于球团，由于表面活动层和固定层的存在，球团存在径向和轴向的温度梯度，可以用二维传热模型描述横截面的温度分布，再结合用轴向传热模型即可描述球团在各个横截面的温度分布，进而构成回转窑三维温度场模型。

图1  横截面球团流动示意图

Fig.1  Flow of pellets in cross-section

1.2  三维温度场模型

1.2.1  模型的建立

(1) 轴向传热模型。轴向传热模型是在假设过程为稳态，忽略各个横截面间的轴向传热，烟气、窑壁温度及黑度各处均匀，球团黑度各处均匀的基础上建立的。

将回转窑沿轴向分成n个区域，任一区域内存在烟气能量平衡、球团能量平衡、窑壁能量平衡，其平衡方程式分别如下：

       (1)

(2)

(3)

(2) 横截面球团的二维传热模型。在回转窑工艺中，由于球团产生沿轴向向前的运动主要发生在表面活动层，因此窑内轴向的能量传递也主要是由于表面活动层内球团的运动进行的。则表面活动层内球团的能量方程可表示为^[11]：

 (4)

固定层球团的能量方程可表示为：

    (5)

式中：为球团的轴向温度梯度，由于表面活动层内球团混合充分，可近似认为为一定值，可由一维模型计算中得到；式(4)中第3项代表由表面活动层内球团的运动带来的沿轴向的能量迁移；h^CV，h^R和h^CD分别表示对流传热系数、辐射传热系数和导热系数，W·m^-2·K^-1；A_ew，A_eb，A_cw和A_sh为单位窑长有效传热面积，m；C_p为等压比热容，J·kg^-1·K^-1；为质量流率，kg·s^-1；T为截面上平均热力学温度，K；z为轴向距离，m；u_x和u_y 分别为球团在x和y方向(如图1)的速度，m·s^-1；k_eff为球团的有效导热系数，W·m^-1·K^-1；下标b为球团，cb表示与窑壁接触的球团，cw表示被球团覆盖的窑壁面，eb表示裸露的球团表面，ew表示未被球团覆盖壁面，g表示烟气，w表示内壁面，sh表示外壁面，a表示周围环境。

1.2.2  模型系数的计算

(1) 球团、气体和窑壁间的对流传热系数：

    (6)

   (7)

(2) 球团、气体和窑壁间的辐射传热系数为：

     (8)

     (9)

   (10)

    (11)

(3) 球团和窑壁间的导热系数为：

     (12)     

(4) 窑外壁与环境之间的传热系数。窑外壁向周围环境的散热包括对流传热和辐射传热，总传热系数为2者之和，即：

            (13)

  (14)

     (15)

其中：D为窑的内径，m；D_e为当量直径，m；D_sh为窑外壁直径，m；η为填充率；u_g烟气速度，m·s^-1；ν_g为烟气的运动黏度，m²·s^-1；ω为窑转速，rad·s^-1；σ为波尔兹曼常数，W/(m²·K⁴)；ε_g，ε_b，ε_w和ε_sh分别为烟气、球团、窑内壁、窑外壁的黑度；ε_gw，ε_gb和ε_wb为系统有效黑度，计算方法见文献[3]；λ_b和λ_g分别为球团、烟气的导热系数，W·m^-1·K^-1；ρ_b 为球团的密度，kg·m^-3；C_b为球团的比热容，J·kg^-1·K^-1；τ为球团与窑壁接触的时间，s；R_p为球团直径，m；δ为气膜厚度，m；γ为计算气膜导热引入的调节系数^[12]；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；Δh的取值可由红外热像仪所获得的实际球团温度来确定，作为对传热系数的修正值。

(5) 煤粉燃烧放热量为^[13-14]：

             (16)

其中：L_i为区域i处火焰距喷嘴距离，m；L_f为火焰长度，m，其取值可参考文献[15]。

2  系统软件开发

采用Visual Studio.Net，Matlab以及OpenCV作为开发工具，结合ADO数据库技术，根据某球团厂实际生产情况开发铁矿氧化球团回转窑三维温度场仿真系统。

系统具有以下功能:

(1) 根据现场实际工况，在线计算轴向烟气、球团的温度分布，并在系统中进行动态显示；可以直观地了解窑内热工状况。

(2) 系统显示窑内主要横截面(窑头、窑中和窑尾)的温度分布，使操作人员能更直观地了解球团料层内部的温度变化。

本文利用2011年8月28日—9月3日在某氧化球团厂回转窑检测的窑头烟气的数据进行系统验证。运行结果表明：系统仿真计算的窑头烟气温度误差在7%以内时，命中率在90%以上(如表1所示)，因此，本系统能很好地反映窑内的温度分布。

表1  窑头烟气温度命中率统计

Table 1  Hit rate statistics of flue gas temperature at lower end of kiln

3  结论

(1) 回转窑窑内烟气和球团成逆向运动；在任一横截面内，烟气扩散快，混合充分；而对于球团，固定层中球团仅作圆周运动，球团之间并无相对运动，表面活动层内球团做随机滚落运动，球团混合比较  强烈。

(2) 根据烟气和球团在回转窑内不同的运动特点，用轴向传热模型来描述窑内烟气温度分布，用横截面二维传热模型和轴向传热模型描述球团的温度分布，建立回转窑三维温度场模型。

(3) 采用Visual Studio.Net，Matlab以及OpenCV混合编程的方式开发回转窑三维温度场仿真系统，应用现场实际生产数据验证，模型计算烟气温度命中率在90%以上，说明系统能很好地反映窑内的温度分布。

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(编辑 邓履翔)

收稿日期：2011-09-29；修回日期：2011-12-20

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-05-0690)

通信作者：范晓慧(1969-)，女，河北昌黎人，博士，教授，从事铁矿石造块及钢铁冶金数学模型等方面研究；电话：0731-88830542；E-mail：csufanxiaohui@126.com