关于回转窑内物料传热的综合述评

韦文杰 鹿仡 赵禹泽 张立栋

摘要：阐述了当前回转窑传热、仿真的模型分析以及应用的技术总结，提出部分物料本身、装置、环境间的传热模型，并结合热能利用进行了分析，实验分析部分阐述了当前回转窑实验分析的现状及方法，说明了基于DEM，c++，Fluent的模型仿真，应用分析总结了不同工况下回转窑技术参数、操作参数对化工生产的影响，并对回转窑传热分析进行了展望。

关键词：传热模型、仿真分析、技术应用

Abstract： Elaborated the current rotary kiln heat transfer， the simulation model to analyze and summarize application of technology， puts forward some material itself， the device， the environment between the heat transfer model， combined with the thermal energy utilization are analyzed， the experimental analysis section expounds the present situation and methods of experimental analysis， the current rotary kiln shows based on DEM， c + +， the simulation model of Fluent software， The influence of technical parameters and operation parameters of rotary kiln on chemical production under different working conditions is summarized， and the heat transfer analysis of rotary kiln is forecasted.

Key words： heat transfer model， simulation analysis， technology application

引言

回转窑是一种常用的颗粒物质处理设备，普遍用于多个领域，如冶金行业用于对物料进行焙烧的回转窑，农业行业用于干燥粮食的滚筒干燥器，制药行业的药品混合器等[1-4]。诸多技术参数和操作参数将影响回转窑对物料处理的质量及效率，低质的处理成品也会造成资源浪费，因此研究回转窑内部传热过程具有广泛的应用意义和经济价值。

对于目前行业内回转窑传热方面存在的普遍问题有：温度分布情况、物料运动及填充情况、不同操作参数下回转窑工作效率等问题。对于温度分布情况，目前国内外学者普遍采用Fluent等软件模拟出整个装置内温度场的分布情况，姚心等[5]应用Fluent软件，得到窑内不同位置的温度分布情况;同样对于物料运动及填充情况可用EDEM等软件进行仿真分析，乔斌[6]通过EDEM软件研究了石灰石在回转窑内停留的时间;而目前对于不同操作参数下回转窑工作效率问题，行业内学者普遍通过模型建立、实验分析、形成优化方案的一系列过程对工作问题进行改善。

本文将着重总结前辈学者对模型建立、实验分析、对于不同生产条件下最适应的回转窑及装置的技术参数和操作参数、并加以对目前回转窑传热问题的展望性分析。

1传热模型的建立

1.1 颗粒与颗粒间传热模型

响导热面积和温度梯度的参数很多，例如物料的尺寸参数等会对物料本身导热面积造成影响，而回转窑填充率、环境及操作参数等则会对窑体内的温度梯度造成影响，由此合理的根据工业生产设计颗粒的参数及回转窑的操作参数是提升生产质量降低能源消耗的重要前提。

李金晶[7]等对滚筒冷渣器进行了研究，通过正交实验测量了排渣粒径尺寸、灰渣填充度、滚筒转速对综合性的传热影响，实验结果表明：对综合传热系数，排渣粒径的影响最大，填充率与转速的影响大小相近，转速的影响最小，见图1[7]。

在研究颗粒-颗粒间传热模型时，物料运动将对传热条件产生影响，例如：滑落，塌落，泻落，抛落的四种不同运动状态将使得物料之间有不同的接触面积;物料本身的物理性质如：杨氏模量（E）、剪切模量（G）、泊松比（μ）、动摩擦因数（μ）等物理性质将影响物料运动的过程。因此回转窑的温度分布、填充率、转速、倾角、反应时间以及部分物料的材料性质便是在构建物料传热模型时的关键因素。

1.2 物料与回转窑及装置间传热模型

颗粒与回转窑间传热方式主要有接触传热和热辐射传热，颗粒与回转窑间接触传热将主要受到接触面积、温度梯度的影响，在回转窑以不同速度运转时，物料与回转窑将产生不同的接触面积，见表1[8]。

随着弗劳德数向1趋近，物料与滚筒间的接触面积逐渐增大，接触面积增大意味着物料与回转窑间的导热效率将大大提高。同样提高回转窑填充率也可以适当增加物料与回转窑间的接触面积，但是高填充量在中低转速的工况下会导致大量物料的淤积。调整回转窑及装置与物料的温度差，改变温度梯度亦可对导热速率产生影响，但工业生产中的部分物料的性質对生产环境有着较高的要求，较高的温度差会使生产物料发生化学反应而适得其反，同样较高的温度会消耗更多的能源，因此具体导热要求需视生产实验要求而定。

李海鹏[9]等对干燥滚筒进行了模拟分析，提出在设计干燥滚筒时，应充分考虑流场分布、火焰喷射形状、燃烧器效率等参数进行设计，在提高热交换率的同时减少不必要的能量损失。

对于物料与窑壁间的传热计算，可通过引入各种传热系数进行计算，如覆盖窑壁与物料的接触传热系数，见式1[10]。

由此，烟气对物料、回转窑间的传热影响，受到窑体内化学反应、物料物理性质、回转窑技术参数等影响。

雷先明[10]等分析物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应，在其具体实验中提及，在特定区段内，熟料温度会高于烟气温度，热量由熟料传给烟气，导致烟气温度升高，反而熟料温度降低。因此，在考虑设计回转窑及装置时，烟气同样是不可忽略的因素。

1.4 能源再利用与颗粒、回转窑及装置、烟气、环境间传热的综合传热模型

在工业生中，上文提及的三种传热影响仅是实际生产过程中较为主要的影响因素，除此以外还有回转窑及装置与烟气、回转窑与环境、烟气排放，以及不同设计参数、型号的回转窑在不同操作参数下衍生出的传热现象。对于能源利用方面，而国内对于回转窑的余热利用方面研究依然尚浅。

王春华[12]等，将在回转窑中产生的废热进行余热利用，发电并网。Q. Yin[11]等，通过研究一种新型热回收散热器，建立多目标优化模型，经过数值模拟证明该方法可以减少燃料消耗，见图2[11]。

目前对于集物料、回转窑及装置、烟气、环境间传热的综合实验分析较少，对其整体过程的研究可以作为未来研究的方向。

3不同领域回转窑的应用

3.1滚筒冷渣器应用

在国内煤炭应用的工业领域中，现生产过程中使用的大型循环流化床锅炉，冷渣器堵塞、结焦现象时有发生，成为导致锅炉被迫停运和减负荷运行的主要原因，对其进行相应传热特性的研究，以便于后期设备的改进。李金晶[7]等实验中选用滚筒冷渣器配套于大型CFB锅炉，如图3[7]所示，冷渣机由进渣排风装置、风水冷滚筒和机架等组成。工作时，低速旋转的滚筒会循环流化床锅炉排出的灰渣，灰渣经落渣管进入冷渣机渣斗，之后在风水冷滚筒内由膜式水冷螺旋管排向前推进，滚筒内会不断通过冷却风，灰渣在不断地翻滚流动中与冷风和冷却水管进行热交换。当灰渣冷却后，从风水冷滚筒的另一端向下排出。选择滚筒式冷渣器配套于大型CFB锅炉，能解决主机受制于辅机的瓶颈问题，有助于实现大型CFB锅炉的长期、安全、稳定运行;同时会给产、供、用多方带来可观的经济效益。

3.2 干燥滚筒及搅拌设备应用

在石油工业领域，沥青搅拌设备依然存在不足，干燥滚筒设计理念和依据还不成熟，例如筒体各区段的长度确定，料帘设计的热力学计算，如何形成最佳料帘分布以达到最高的热效率等。李海鹏[9]等在文中提出了一种干燥滚筒的三维仿真模型，并对其进行fluent模拟。干燥滚筒的三维仿真模型见图4[9]。干燥滚筒不但要保证所生产的热骨料满足质量要求，还要能用最低的热量消耗来获取最大的热骨料生产能力。干燥滚筒的加热采用燃烧火焰和燃烧热气直接与骨料接触加热的方式，逆流方式加热在实验中较多采用，而逆流方式加热多受结构参数的影响，所以在干燥滚筒的设计中，其结构参数如滚筒直径、长度、转速、倾角、叶片结构和位置等都直接影响其内部流场的分布和干燥效率。在模拟完成后，得到了结构参数对滚筒干燥效率的影响关系，有利于后期进行设备的选择及制造。

3.3 喷雾冷却机应用

在冶金工业领域，喷雾冷却机用于对热轧钢材进行的在线控制冷却，这种方法冷却相对均匀，因而应用广泛。郑桂东[13]在文中使用喷雾冷却机，筒式喷雾冷却机结构见图5[13]，包括传动部分、支撑部分、回转筒体部分、进出料口和冷却系统。为保证物料可以在回转筒体中不断向出料口前进，所以要使筒式喷雾冷却机传动部分和前后支撑部分与水平面存在 1.5%的斜度，使筒体倾斜。进料口由进料箱、进料溜槽、前端密封和进料箱支架组成;出料口由出料箱、尾端密封、出料斗和出料箱支架组成;回转筒体部分主要包括首尾端外筒体、内筒体以及筒体上的附件;回转筒体由两个托轮支撑，在出料端安装一对挡轮，可以使筒体稳固，避免出现窜动的情况。喷雾冷却机的核心部分为冷却系统，包含雾化喷嘴、水箱、供水管、泵、冷却罩和检修平台等。

传动系统由变频调速电机、减速机和底座等组成。球团在转底炉进行煅烧还原，之后温度高达 1100℃球团通过进料口进入筒式冷却机的内部，进行冷却，在冷却过程中，冷却系统内布设的雾化喷嘴，可以对高温筒体表面进行降温，从而间接使物料温度降至300℃以下。同时回转筒体的前后两端采用双层筒体结构，以增大换热面积。在冷却机底部设置蓄水池，附近设置冷却塔，蓄水池的热水经冷却塔冷却后再供给筒体降温，这样就可以在冷却材料的同时实现水资源的循环利用。

3.4 回转窑应用

在冶金、化工生产领域，回转窑是热工核心设备之一。姚心[5]等在文中给出了回转窑的结构示意图，回转窑结构见图6[5]。回转窑由燃烧器喷人窑内的燃料和磁铁矿排出的挥发分燃烧后产生高温，在回转窑的长方向形成3个温度带，即预热带、烧成带和冷却带。烧成带为回转窑的核心部分，烧成带的温度既与燃料的喷入量及其热值相关，也与喷人燃料和挥发分是否充分燃烧有关。燃料和挥发分的充分燃烧与空气量密切相关，空气量不足，燃烧不充分，无法达到指定温度，空气过量又会引起烟气量增加。所以空气量的设置是工厂操作的关键环节。通过仿真技术，以钒钛磁铁矿和铅锌矿为例，通过对回转窑全面的仿真计算，为提高回转窑热效率、降低能耗、优化设计提供理论支撑和技术指导。

总结

传热模型的建立是传热分析中重要的环节，本文根据不同的传热类型建立了颗粒与颗粒间传热模型，物料与回转窑及装置间传热模型，烟气与颗粒、回转窑间传热模型，能源再利用与颗粒、回转窑及装置、烟气环境间传热的综合传热模型，共四种类型。物料运动、温度场分布是影响传热模型建立的关键因素，不同的实验模拟，需要根据其运动特性以及装置结构参数具体分析，选择合适的模型。现阶段对于能源再利用的传热研究成果较少，可以成为未来重点的研究方向。随着数学模拟的方式的多元化，DEM、CFD计算的发展，模拟过程不断地简化。引入的耦合可以精确地分析复杂的过程，随着研究的深入，模擬的方法将更加简化有效。从滚筒本身来看，影响滚筒传热效率的因素有滚筒的转速、滚筒的结构、有无抄板等因素，实验者也会根据不同的实验要求选择、研发新型结构的滚筒，以达到实验目的。滚筒应用的领域十分广泛，如食品、化工、冶金、炼油等，尽管有的滚筒设备存在如传热效率低等缺点，但是在国内外学者不断地研究改进之下，滚筒领域正在迅速的发展，有的设备从三维模型发展成为了大规模应用的工业设备;有的设备由最初的高能耗低效到现在的节能高效;还有不少的对滚筒有影响的未知影响因素被不断的发掘，使新生产的仪器更加复杂精密。

参考文献

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