篦冷机气固换热过程的影响因素浅析

2013-10-23向东湖钱伟邵俊华许龙旭

水泥技术 2013年1期

向东湖，钱伟，邵俊华，许龙旭

1 前言

篦冷机是水泥生产线热工系统中必不可少的组成部分，其主要目的是在冷却熟料的同时回收热量。目前关于篦冷机工艺特征的物理模型，多是基于高温散料气固错流换热模型；就其内部应用的流体力学假设，多是基于将料层看为固定床或者移动床，应用渗流力学和多孔介质的方法，将料层作为一种多孔介质来进行求解的。本文以我公司5500t/d熟料的新型四代篦冷机为研究对象，建立相应方程，通过数值求解，希望对实际的设计和操作提供一定的帮助。

2 基本方程

在假定篦冷机推动速度恒定、日产量M稳定的前提下，料层厚度h也是稳定的，即单位时间内出篦冷机的熟料质量m是稳定的。

式（1）中ρc为熟料密度；ε为熟料孔隙率；Δz为篦冷机宽度；Δh和n分别为在篦冷机高度方向划分的单元高度和单元数目。

假定熟料通过篦缝的量忽略不计，则对每一个单元在单位时间内熟料流量应该是相等的，因此有：

考虑到对于篦冷机内部，流速＜0.3Ma，可以忽略气体流动引起的压缩效应，但是由于温度在料床中具有很大梯度，所以必须考虑由温度引起的气体的体积变化，因此可以使用Boussinesq模型用于描述气体状态，考虑温度变化对流体密度的影响而忽略压力的影响，即：

ρgin为网格单元进口气体密度，ρgout为网格单元出口气体密度；Tgin为网格单元进口气体温度；Tgout为网格单元出口气体温度。

因料层厚是恒定的，那么压强差可通过Ergun公式求解。此公式对气体粘性未予考虑。

气体密度 ρa如下式所示：

其中：

每个网格能量守恒可通过下式表达：

其中，Qpj是通过篦冷机壳体的热量耗散，可用下式表示：

其中，RTj是总的热阻抗，通过下式确定：

另外，使用总的热传递效率，热量损失如下式所示：

通过热辐射传递的热量：

通过编程，对上述方程求解分析影响篦冷机气固换热过程的主要因素。

3 影响篦冷机气固换热过程的几个因素

以5500t/d熟料篦冷机为对象，设定边界条件如下：

冷却空气温度30℃；熟料平均粒径15mm；料层厚度750mm；熟料密度2900kg/m3；孔隙率0.5；出窑熟料温度1370℃。

图1 各层熟料温度分布曲线

图2 出熟料顶部风温曲线

3.1 供风风量的影响

如图1和图2所示，用篦下风速表征各单元冷却风量的变化，用累计单位冷却风量表征消耗的风量。

从图1和图2中可以看出，为了获得更好的热回收效率和增强熟料的骤冷效果，高温区的风速设置得比较高，当然，过高的风量会导致二次风温降低，从而降低热效率。随着累计单位冷却风量的增加，风温和料温都呈递减趋势，在低温区，衰减趋于平缓。如图1所示，在设置的边界条件下，1.8m3（标）的风量足以将单位熟料冷却到所要求的温度范围。

3.2 熟料粒径的影响

改变边界条件中的熟料平均粒径，分别计算了不同粒径的工况的情况下，出篦冷机熟料平均温度的分布规律。

从图3中不难看出，随着粒径的增加，出冷却机熟料温度则线性增加。熟料粒径的增加意味着大块熟料更难以冷透，只能在有限时间内进行表面的换热，因而熟料温度并不能有效地降低，而粒径越大，这种趋势就越明显，出冷却机熟料温度升高。

3.3 料层厚度对换热的影响

对于料床的移动速度来说，它影响了料层的厚度。改变边界条件中的料层厚度，计算了不同料层厚度工况下几项表征参数。

图4给出了熟料厚度与出冷却机气体温度之间的关系。可以看到，随着料层厚度的增大，入窑气体温度对数增加。对于入窑气体温度变化，其对数增加趋势是：在600mm以前，随着高度的增加，入窑气温迅速升高；在600mm之后，相对来说增长趋势并不明显，相对要缓慢一些，特别是在850mm以后，其增长趋势更慢。造成这种结果的一种看法是：在产量一定的前提下，推动速度的减小增加了料层的高度，而推动速度减小就意味着熟料在整个冷却机内部要停留更长的时间，也就意味着有更多的时间与冷却空气之间进行换热。相对来说，换热时间越长，则热量交换越充分，出冷却机气体温度越高。同时可以注意到，入窑气体温度主要跟急冷区的换热效果有关。