回轉窯預熱段溫度優化及數值模擬

金欣瑋 ，薛長峰 ，邱海龍 ，張鳴鑫

(1.鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.鹽城工學院 數理學院，江蘇 鹽城 224051)

近年來，隨著水泥行業工藝設備的不斷發展，人們開始廣泛關注熟料煅燒流程中的高能耗和高排放問題?？梢酝ㄟ^研究回轉窯工況對窯內流場、溫度場以及煤粉燃燒等因素的影響，為混凝土廠節能減排提供指導意見［1］。由于回轉窯內部熱傳遞流程的復雜性，目前的檢測技術手段尚不成熟，難以精確獲取回轉窯內部流場和溫度場的分布數據。因此，需要研究和開發更為準確的檢測技術，而數值模擬能夠研究回轉窯內部的流場和溫度場分布情況，從而更有效地控制混凝土生產流程中的能耗和排放［2-3］，對于提高工程效率具有重要意義。

國內外學者針對回轉窯內部流場、溫度場的數值模擬進行了許多研究。Elattar等［4］建立了回轉窯二維模型，研究了回轉窯主要操作參數對不同燃料下火焰行為的影響；Manju等［5］將回轉窯內熟料看作假流體，對窯內氣流和熟料進行三維建模，建立了CFD模型，模擬了固體與固體之間的傳熱分布情況；Sadighi等［6］應用能量守恒和質量守恒定律，給出了一種新的數值模擬方法，通過測量過程變量和掃描殼體溫度建立了水泥回轉窯燒成帶涂層厚度的預測模型；劉彬等［7］利用FLUENT建立了回轉窯的數值模擬模型，研究了回轉窯傾斜角度和不同燃燒器參數對回轉窯內部流場分布的影響。

上述研究所建立的模型能夠較好地模擬回轉窯內物料燃燒的特性，但是未能綜合考慮回轉窯傾斜角度、高溫氣體進口速度、筒體轉速等參數的影響，使得窯內整體溫度場的數值模擬結果與實際情況存在較大差異。

本文建立回轉窯內部湍流流動、高溫氣體傳熱和氣固兩相的對流換熱數學模型，利用有限元方法，應用正交試驗，研究氣體進口速度、回轉窯抬起角度和回轉窯轉速等對窯內熱流場與溫度場分布的影響。

1 回轉窯預熱段模型

針對回轉窯內壁溫度和整體溫度分布不均性，設計回轉窯預熱段簡化模型如圖1所示?；剞D窯預熱段簡化模型有效長度600 mm，直徑為50 mm，內壁厚度為0.4 mm，回轉窯預熱段模型相關物料參數如表1所示。高溫氣體從回轉窯預熱段左側進入，經過內壁與從右側落入的碳酸鈣顆粒進行熱交換，預熱后的碳酸鈣顆粒由左側出口流出，達到熱量傳遞的目的。根據實際生產經驗將回轉窯預熱段高溫氣體進口溫度設置為1123 K（即窯內最高溫度），根據窯內最低溫度的高低可以判斷回轉窯預熱段模型傳熱效果的優劣。最低溫度值越高，與窯內最高溫度的溫差越小，窯內溫度分布越均勻。

表1 回轉窯預熱段模型相關物料參數Table 1 Related material parameters of preheating section model of rotary kiln

圖1 回轉窯預熱段簡化模型結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of simplified model of preheating section of rotary kiln

2 回轉窯傳熱數值模擬

2.1 條件假設

實際生產中回轉窯內的運動及反應狀況復雜，現對模擬過程做出如下假設：

（1） 模擬流體區域視為穩態流場，即將整個回轉窯內部視為運轉穩定的結構，運轉時其溫度、氣體流速與物料進口速度等參數無關；

（2） 回轉窯內部密封性完整，所有高溫氣體由右側出口排放出回轉窯預熱段，進入燃燒準備階段；

（3） 高溫氣體溫度達不到產生熱輻射所需的最低溫度；

（4） 氣體為不可壓縮流體；

（5） 不考慮回轉窯內的化學反應。

2.2 控制方程

2.2.1 質量守恒方程

式中：ρ為碳酸鈣密度，kg/m3；t為碳酸鈣物料在窯內的停留時間，s；x、y、z為三維坐標；u、v、w是坐標所對應的高溫氣體流速沿X、Y、Z坐標軸方向的分量。

2.2.2 能量守恒方程

式中：T為窯內溫度， K；λ為窯內壁熱導率，W/（m·K）；ST表示黏性耗散項。

2.2.3 對流換熱模型

高溫氣體、料層表面、未被物料覆蓋的內壁之間的對流換熱通過如下方程來表示：

單位長度內，窯內壁面與物料表面、高溫氣體與回轉窯內壁、高溫氣體與料床表面的換熱面積，由回轉窯內徑和抬起角度所決定，計算公式分別為：

式中：Dy為回轉窯內徑，m；β為回轉窯抬起角度，（°）。

2.3 初始條件和邊界條件

數據模擬時選用文獻［8］中提供的流體邊界條件和FLUENT軟件中提供的熱力學邊界條件，選用k-ε湍流模型［9］，并根據實際生產經驗和表1設定相關參數。其中，換熱方式為對流換熱，傳熱系數為1.15 W/（m2·K），來流溫度300 K，壁面厚度0.004 m，熱源功率為0。

2.4 網格劃分

為提高回轉窯預熱段模型計算的準確度和網格質量，利用FLUENT軟件自動生成結構性網格，網格單元數為445027，網格節點數為432936。

2.5 計算方法

利用ANSYS FLUENT 2022 R1數值軟件進行模擬仿真求解，采用有限元方法進行計算，其中涉及的數學模型有控制方程公式（1）～公式（8）、k-ε模型和離散項模型，選擇耦合算法對模型進行求解。模擬過程中，設定高溫氣體進口為速度進口，高溫氣體出口為壓力出口。在抬起角度為1°的情況下，設定回轉窯運行時間為300步長，步長為1 s，并且每個步長迭代10次。

2.6 仿真結果分析

將相關參數代入FLUENT求解，可以得到回轉窯預熱段內部溫度場分布如圖2所示。由圖2可知，回轉窯預熱段內溫度從左側高溫氣體進口開始沿著窯長方向逐漸降低，在右側碳酸鈣進口處溫度最低。這是由于從回轉窯預熱段左側進入的高溫氣體（1123 K）與從右側進入的室溫下的碳酸鈣物料（300 K）逆流接觸，高溫氣體將熱量傳遞給碳酸鈣物料和窯內壁，高溫氣體溫度下降，碳酸鈣物料和窯內壁溫度上升，回轉窯預熱段內部形成了溫度分布。

圖2 回轉窯溫度分布云圖Fig. 2 Nephogram of temperature distribution of rotary kiln

3 正交試驗分析

3.1 正交試驗設計

為進一步改善回轉窯預熱段內物料溫度的均勻性，提高回轉窯的生產效率和產品品質，綜合考慮各因素的影響水平后，選取進氣口高溫氣體的流速、回轉窯的轉速和回轉窯的抬起角度等3個影響因素進行正交試驗，以尋找最佳參數組合條件，優化仿真模擬結果。每個因素選取3個水平，高溫氣體流速（因素A）分別取1、2、3 m/s；回轉窯轉速（因素B）分別取0.2、1.6、3.5 r/min；回轉窯抬起角度（因素C）分別取1°、2°、4°，正交試驗因素水平如表2所示，其中，A1B1C1方案為生產廠家常用的初始方案。

水平12 3因素A高溫氣體流速/（m·s-1）12 3 B回轉窯轉速/（r·min-1）0.21.63.5 C回轉窯抬起角度/（°）12 4

3.2 正交試驗分析

正交試驗采用L9（34）正交表進行設計，試驗方案及仿真結果數據如表3所示。

表3 正交試驗方案及仿真結果Table 3 Orthogonal test scheme and simulation results

采用極差法分析正交試驗結果，極差越大該因素對窯內最低溫度的影響越大。由表3可知，極差R從大到小依次為R（A）、R（B）、R（C），因此，各因素的影響由大到小分別是高溫氣體流速、回轉窯轉速和回轉窯抬起角度；各因素水平最佳組合為A3B1C2，即高溫氣體流速3 m/s、回轉窯轉速0.2 r/min、回轉窯抬起角度2°時，窯內最低溫度最高，窯內溫差最小。

利用方差分析對上述結果進行驗證，方差分析結果如表4所示。由表4可知，因素A對窯內最低溫度的影響最為顯著，因素C對窯內最低溫度的影響最不顯著，極差分析與方差分析結果一致。

表4 方差分析表Table 4 Table of variance analysis

采用生產廠家初始方案（A1B1C1）時，窯內最低溫度為1056.717 K，與窯內最高溫度（1123 K）的溫差為66.283 K；采用正交試驗得到的最優方案（A3B1C2）時，窯內最低溫度為1092.206 K，與窯內最高溫度的溫差為30.794 K；優化后，窯內最低溫度提高了3.35%，溫差下降了53.54%，有效改善了回轉窯預熱段溫度分布不均的問題。

4 結論

本文采用正交試驗進行仿真模擬，針對回轉窯預熱段傳熱問題進行研究，得出以下結論：

（1）由正交試驗結果可以看出，影響回轉窯預熱段窯內最低溫度的最顯著因素為回轉窯進氣口高溫氣體的流速，其次為回轉窯轉速，最后是回轉窯抬起角度。

（2）將優化后的方案與生產廠家初始方案進行比較可以發現，采用優化后的方案，回轉窯預熱段溫度達到穩態時，窯內最低溫度為1092.206 K，較初始方案提升了3.35%，與最高溫度的溫差為30.794 K，較初始方案下降了53.54%，改善了回轉窯預熱段窯內溫度分布不均的問題。