D01:10.13374j-issn1001t53x.2010.12.01 第32卷第12期 北京科技大学学报 Vol 32 No 12 2010年12月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing De02010 氧化铝熟料回转窑干法烧结数值分析 史彧宏姜泽毅张欣欣 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要建立60·h氧化铝熟料回转窑综合传热、传质数学模型.应用数值方法，研究喂入料浆的水分含量对窑内热过程的 影响，分析得到熟料烧结方式由湿法转变为干法时回转窑具有提高产能、降低能耗的潜力·结果表明：当料浆水的质量分数降 至20%时，回转窑生产能力可比实际工况提高24%，相应燃煤单耗降幅可达18%.随料浆含水量再递减，则产能和燃煤单耗 的平均变化量显著减少，改变幅度逐渐趋缓. 关键词氧化铝：熟料回转窑；含水量：烧结：数值分析 分类号TF806.1:TF802.67 Num erical ana lysis of dry-sintering in an alum ina clinker rotary kiln SHI Yu hong JIANG Zeyi ZHANG X inxin School ofMechanical Engineering University of Seience and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACT A mathenaticalmodel was develped for a 60h alm ina clinker motary kiln on the comprehensive consideration of the effects of heat transfer and mass transport pmcesses The model was utilized to stdy the mnpact of the moisture content of feeding shrry on the themal process in the rotary kih and to analyze the clinker sintering method by the substitution of dry clinker sintering for wet"sintering so as to increase production and reduce consumption The results show that when the moisture content of feeding slurry reduces to 20%,the pmduction capacity of the motary kiln iproves by 24%compared w ith the actual work ing conditions correspond- ingly the coal-fired unit consumption declines up to 18:with the water content of feeding slurry fiurther decreasing the variation tendency of production capacity and coal-fired unit consumption slows down KEY W ORDS alm ina motary kilns moistuns sintering numerical analysis 烧结法是我国氧化铝工业制备不可或缺的工艺 艺的工业试验阶段，核心技术是参照水泥行业的窑 方法之一，它在处理低品位铝土矿方面具有一定的 外干燥技术5-).生料浆经干燥后水的质量分数可 技术优势，但相比其他制备工艺，存在着能耗较高等 低于%，而后进入回转窑内烧结，取得了降低烧结 技术不足1-)，熟料回转窑是目前烧结法中主要的 能耗的效果，为使新工艺能够推广到现有氧化铝熟 热工设备，普遍采用的生产工艺是：将水的质量分数 料窑改造中，本文结合实际工况，采用数值方法，在 为36%~40%的生料浆直接喷入窑内烘干和烧结. 研究料浆含水量对回转窑烘干、烧结热过程影响的 研究指出3，烘干过程热量消耗比例远大于熟料 基础上，分析和预测传统熟料窑转变烧结方式后的 烧成过程，这表明，烘干过程是窑内主要的热传递 节能效果。 过程，料浆含水量是影响熟料烧结能耗的重要运行 1回转窑内烧结过程分析 参数，很显然，减少料浆含水量，实现干法烧结是传 统氧化铝熟料窑生产工艺及设备节能改造的 氧化铝熟料回转窑烧结过程如图1所示，生料 方向 浆从窑尾进入窑内，借助窑体的斜度与回转，沿图中 近年来，氧化铝熟料干法烧结研究还处于新工 x轴方向，从窑尾向窑头移动，形成料层，煤粉及一 收稿日期：2010-03-03 作者简介：史彧宏(1972)男，博士研究生：姜泽毅(1973)男，副教授，博士，Email zyjiang9 usth ed:cm
第 32卷 第 12期 2010年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．12 Ｄｅｃ．2010 氧化铝熟料回转窑干法烧结数值分析 史彧宏 姜泽毅 张欣欣 北京科技大学机械工程学院北京 100083 摘 要 建立 60ｔ·ｈ －1氧化铝熟料回转窑综合传热、传质数学模型．应用数值方法研究喂入料浆的水分含量对窑内热过程的 影响分析得到熟料烧结方式由湿法转变为干法时回转窑具有提高产能、降低能耗的潜力．结果表明：当料浆水的质量分数降 至 20％时回转窑生产能力可比实际工况提高 24％相应燃煤单耗降幅可达 18％．随料浆含水量再递减则产能和燃煤单耗 的平均变化量显著减少改变幅度逐渐趋缓． 关键词 氧化铝；熟料回转窑；含水量；烧结；数值分析 分类号 ＴＦ806∙1；ＴＦ802∙67 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｒｙ-ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｉｎａｎａｌｕｍｉｎａｃｌｉｎｋｅｒｒｏｔａｒｙｋｉｌｎ ＳＨＩＹｕ-ｈｏｎｇＪＩＡＮＧＺｅ-ｙｉＺＨＡＮＧＸｉｎ-ｘｉｎ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒａ60ｔ·ｈ －1 ａｌｕｍｉｎａｃｌｉｎｋｅｒｒｏｔａｒｙｋｉｌｎｏｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆ ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｔｈｅｒｏｔａｒｙｋｉｌｎａｎｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｌｉｎｋｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂｙｔｈｅｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆｄｒｙｃｌｉｎｋｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒｗｅｔ-ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｓｏａｓｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇｓｌｕｒｒｙ ｒｅｄｕｃｅｓｔｏ20％ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏｔａｒｙｋｉｌｎｉｍｐｒｏｖｅｓｂｙ24％ ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ- ｉｎｇｌｙｔｈｅｃｏａｌ-ｆｉｒｅｄｕｎｉｔｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｄｅｃｌｉｎｅｓｕｐｔｏ18％；ｗｉｔｈｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇｓｌｕｒｒｙｆｕｒｔｈｅｒｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎ ｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｃｏａｌ-ｆｉｒｅｄｕｎｉｔｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｓｌｏｗｓｄｏｗｎ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ａｌｕｍｉｎａ；ｒｏｔａｒｙｋｉｌｎｓ；ｍｏｉｓｔｕｒｅ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ 收稿日期：2010--03--03 作者简介：史彧宏 （1972－ ）男博士研究生；姜泽毅 （1973－ ）男副教授博士Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｙｊｉａｎｇ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 烧结法是我国氧化铝工业制备不可或缺的工艺 方法之一它在处理低品位铝土矿方面具有一定的 技术优势但相比其他制备工艺存在着能耗较高等 技术不足 ［1--2］．熟料回转窑是目前烧结法中主要的 热工设备普遍采用的生产工艺是：将水的质量分数 为 36％ ～40％的生料浆直接喷入窑内烘干和烧结． 研究指出 ［3--4］烘干过程热量消耗比例远大于熟料 烧成过程．这表明烘干过程是窑内主要的热传递 过程料浆含水量是影响熟料烧结能耗的重要运行 参数．很显然减少料浆含水量实现干法烧结是传 统 氧 化 铝 熟 料 窑 生 产 工 艺 及 设 备 节 能 改 造 的 方向 ［5］． 近年来氧化铝熟料干法烧结研究还处于新工 艺的工业试验阶段核心技术是参照水泥行业的窑 外干燥技术 ［5--6］．生料浆经干燥后水的质量分数可 低于 5％而后进入回转窑内烧结取得了降低烧结 能耗的效果．为使新工艺能够推广到现有氧化铝熟 料窑改造中本文结合实际工况采用数值方法在 研究料浆含水量对回转窑烘干、烧结热过程影响的 基础上分析和预测传统熟料窑转变烧结方式后的 节能效果． 1 回转窑内烧结过程分析 氧化铝熟料回转窑烧结过程如图 1所示．生料 浆从窑尾进入窑内借助窑体的斜度与回转沿图中 ｘ轴方向从窑尾向窑头移动形成料层．煤粉及一 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．12．015
,1602 北京科技大学学报 第32卷 次风由窑头烧嘴喷入，与进入窑头的二次风混合燃 料层中生料浆经过烘干、烧结等一系列复杂的物理 烧形成高温窑气，为回转窑提供能量.料层移动过 化学反应，变成熟料，高温熟料经窑头下料口卸出， 程中不断受到逆向流动窑气的加热，温度逐渐升高， 换热后的窑气则由窑尾排出 r 钢外壳 窑尾 窑气 烧嘴 料层 = 窑头 耐火层 回转窑倾角 下料口 料层 (a)轴向截面 )横截面 图1回转窑烧结过程示意图，(a)轴向截面：(b)横截面 Fig 1 Sketch of transport in a mtary kiln (a)axial eross-section (b)cmss"section 熟料窑中实际烧结反应是一系列复杂的固固 2Ca0·SD的反应温度决定熟料烧结温度，其反应进 反应，研究表明山：从窑尾至窑头，料层温度逐渐升 行程度决定烧成熟料的溶出率.水蒸发反应与 高，在低温区域主要完成生料浆脱水过程；而在高温 2Ca0SD生成反应及其过程参数见表17-). 区则主要是生料中固相的烧结反应，其中生成 表1反应过程、动力学参数及反应热 Table 1 Reactions kinetics and heats of reactions 熟料烧结 主要反应 指前因子，k/s1 活化能，E(k小mo厂1)反应热，△H/(kkg1) 低温过程 H20(液)→H20(汽) 19.7 44.9 2254.07 高温过程 sD2+2C0→2C0-SD2 1.48×103 192.87 -690 F.=(F千料十FHo)一△mHo·dx (1) 2回转窑内传热传质数学模型 窑气： 由于物料运动、固相反应、相间传热传质过程的 F.=G十△m4o·dx (2) 复杂性，考虑到建模需要，对窑内过程作如下假设： 式中，F为通过截面的质量流量，kgs;G为烟气 ①窑内处于稳态过程，忽略气固两相x轴方向的移 流量，kgs;△m为横截面内物质反应速率，kg(s 动速度变化：②忽略窑尾扬料板或链幕等对物料运 m);下标sH20和g分别代表料层、水和窑气：下 动、堆积形式的影响，将料层简化为直接均匀布料形 标“干料代表料层中的固相物质 式；③回转窑内移动料层的贝克莱数较大(Pe> (1)料层中组分H20质量变化率 10)[,即料层整体运动传热能力相对分子微观运 X9≥ 动导热和扩散能力大得多，认为料层内部在窑体断 △mH0=fH0d 面方向上温度均匀；④窑内气体运动简化为活塞 FHo(Xo)”koep EH四 流，不考虑窑气x轴方向上的传热：⑤固相中反应 RT. (3) 速率满足阿仑尼乌斯方程 式中，X为截面内组分的质量分数，%；为移动平均 基于以上分析假设，沿回转窑x轴方向建立任 速度，m·s;R为摩尔气体常量；n为反应级数，当 意位置截面内料层、窑气和窑壁的传热传质方程， X0<0.01时n=1否则n=QX0表达式为： 2.1质量平衡方程 Xno-7(1-Wo) P.Wo FHo×1009% (4) 窑内相间传质过程主要是料浆中的水分汽化后 离开料层进入窑气，水分的传递对气固相的质量平 式中，下标0代表初始值，？为生熟料折合比，W为 衡影响最大，由此建立任意截面内质量平衡方程， 料浆含水率，P为回转窑的产能(kg) 料层： (2)料层中组分SD2质量变化率[8]
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 次风由窑头烧嘴喷入与进入窑头的二次风混合燃 烧形成高温窑气为回转窑提供能量．料层移动过 程中不断受到逆向流动窑气的加热温度逐渐升高 料层中生料浆经过烘干、烧结等一系列复杂的物理 化学反应变成熟料．高温熟料经窑头下料口卸出 换热后的窑气则由窑尾排出． 图 1 回转窑烧结过程示意图．（ａ） 轴向截面；（ｂ） 横截面 Ｆｉｇ．1 Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎａｒｏｔａｒｙｋｉｌｎ：（ａ） ａｘｉａｌｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎ；（ｂ） ｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎ 熟料窑中实际烧结反应是一系列复杂的固--固 反应．研究表明 ［1］：从窑尾至窑头料层温度逐渐升 高在低温区域主要完成生料浆脱水过程；而在高温 区则主要是生料中固相的烧结反应其中生成 2ＣａＯ·ＳｉＯ2的反应温度决定熟料烧结温度其反应进 行程度决定烧成熟料的溶出率．水蒸发反应与 2ＣａＯ·ＳｉＯ2生成反应及其过程参数见表 1 ［7--8］． 表 1 反应过程、动力学参数及反应热 Ｔａｂｌｅ1 Ｒｅａｃｔｉｏｎｓｋｉｎｅｔｉｃｓａｎｄｈｅａｔｓｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｓ 熟料烧结 主要反应 指前因子ｋ／ｓ－1 活化能Ｅ／（ｋＪ·ｍｏｌ－1） 反应热ΔＨ／（ｋＪ·ｋｇ－1） 低温过程 Ｈ2Ｏ（液 ） Ｈ2Ｏ（汽 ） 19∙7 44∙9 2254∙07 高温过程 ＳｉＯ2＋2ＣａＯ 2ＣａＯ·ＳｉＯ2 1∙48×103 192∙87 －690 2 回转窑内传热传质数学模型 由于物料运动、固相反应、相间传热传质过程的 复杂性考虑到建模需要对窑内过程作如下假设： ① 窑内处于稳态过程忽略气固两相 ｘ轴方向的移 动速度变化；② 忽略窑尾扬料板或链幕等对物料运 动、堆积形式的影响将料层简化为直接均匀布料形 式；③ 回转窑内移动料层的贝克莱数较大 （Ｐｅ＞ 10 4 ） ［9］即料层整体运动传热能力相对分子微观运 动导热和扩散能力大得多认为料层内部在窑体断 面方向上温度均匀；④ 窑内气体运动简化为活塞 流不考虑窑气 ｘ轴方向上的传热；⑤ 固相中反应 速率满足阿仑尼乌斯方程． 基于以上分析假设沿回转窑 ｘ轴方向建立任 意位置截面内料层、窑气和窑壁的传热传质方程． 2∙1 质量平衡方程 窑内相间传质过程主要是料浆中的水分汽化后 离开料层进入窑气水分的传递对气固相的质量平 衡影响最大由此建立任意截面内质量平衡方程． 料层： Ｆｓ＝（Ｆ干料 ＋ＦＨ2Ｏ ）－ΔｍＨ2Ｏ·ｄｘ （1） 窑气： Ｆｇ＝Ｇ＋ΔｍＨ2Ｏ·ｄｘ （2） 式中Ｆ为通过截面的质量流量ｋｇ·ｓ －1；Ｇ为烟气 流量ｋｇ·ｓ －1；Δｍ为横截面内物质反应速率ｋｇ·（ｓ· ｍ） －1；下标 ｓ、Ｈ2Ｏ和 ｇ分别代表料层、水和窑气；下 标 “干料 ”代表料层中的固相物质． （1） 料层中组分 Ｈ2Ｏ质量变化率 ［7］ ΔｍＨ2Ｏ ＝ＦＨ2Ｏ ｄＸＨ2Ｏ ｄｘ ＝ ＦＨ2Ｏｖ －1 ｓ （ＸＨ2Ｏ ） ｎｋＨ2Ｏｅｘｐ － ＥＨ2Ｏ ＲＴｓ （3） 式中Ｘ为截面内组分的质量分数％；ｖ为移动平均 速度ｍ·ｓ －1；Ｒ为摩尔气体常量；ｎ为反应级数当 ＸＨ2Ｏ ＜0∙01时 ｎ＝1否则 ｎ＝0．ＸＨ2Ｏ表达式为： ＸＨ2Ｏ ＝ η（1－Ｗ0） ＰｓＷ0 ＦＨ2Ｏ ×100％ （4） 式中下标 0代表初始值η为生熟料折合比Ｗ为 料浆含水率Ｐｓ为回转窑的产能 （ｋｇ·ｓ －1 ）． （2） 料层中组分 ＳｉＯ2质量变化率 ［8］ ·1602·
第12期 史彧宏等：氧化铝熟料回转窑干法烧结数值分析 .1603. -1Ms0 [2π-0.53+sin(0.53)] (16) △ms2=Fs2 ke0” 2Mc Re-u Dd (17) Eseo Xspz(Xco) Re-weDd /g (18) exp RT. (5) 1=(3-sinB)2π (19) 式中，M为摩尔质量，下标SD2、Ca0代表干料中的 (2)未被覆盖窑内壁面与料层之间的辐射传热 二氧化硅和氧化钙组分. Q及被覆盖窑内壁面与料层间的对流传热Q的 (3)窑气中燃料质量变化率 方程： △m-1.5p✉[1-4-L-0.5L7 (6) Q=oAe.(T一T) (20) Q:.=h.A(T.-T.) (21) 式中，F为煤耗量，kgk料；L为窑长，m:L为火 式中，对流传热系数h)、未被覆盖窑内壁面与料 焰长度，取燃烧器出口截面直径d的10~30倍； 层间的辐射传热系数飞及单位长度料层与被覆盖 下标coal代表燃煤， 窑内壁面对流传热接触面积A计算式： 2.2能量守恒方程 料层： h=11.6kwm月.3 (22) A.a G.盟=@.o)t+g.to) e=ee(1一e) (23) A.=Bn (24) △mHeo△HHo0十△msD2△H02十F于样Φ.(7) (3)窑气与未被覆盖窑内壁面之间的对流传热 窑气： Q与辐射传热Q的方程： =-(Q+0)-(Q。tQ)+ Ce,F:dx Q=hA.(T:-T. (25) Q=0.5oA(e.十1)(egT一a.T)(26) △M Cru（T.一Ts)十△m△Hmb (8) 式中，窑气与未被覆盖窑内壁面间的对流传热系数 窑壁： h以及单位长度窑气与窑内壁面传热接触面积 (Q十Q)-(Q.十Q)=Q (9) A的计算式： QioweQ (10) 式中，C为热容，k小kg·K;Q为热流率，kW· h=1.54kRe-5Re.20 D (27) m;△H为反应热焓，kJkg:Φ为熟料烧结过程 A=m(2π-) (28) 次要反应的反应热21；上标con,camb代表导热、燃 (4)窑内壁面内的导热传热Q的方程： 烧；下标kw、loss和dw代表窑壁、窑外壁面对环境 Q=(T-T八 (29) 热损失和低位发热量：守恒方程中热流Q的具体表 合点〔到 达式如下 (5)窑外壁与环境间的对流辐射热散失Q%的 (1)窑气与料层之间的对流传热Q与辐射传 方程： 热Q的方程： Q=A(T-T)16十oA(T-T6) Qg=hA(Tg一T) (11) (30) Q=0.5oA(e.十1)(eT-aT)(12) (6)回转窑主要参数填充角B料层界面面积 式中，对流传热系数h、辐射系数a及单位长度 A和料层平均移动速度L计算式o, 料层与窑气接触面积A的计算式如下叫： 2πA (31) h-0.46kReo (2)2 (13) A=F./u (32) 0s=e(T个)0.5 (14) 人=2usm号 =0.038(2) (33) (15) 式中，ω为回转窑转速，为回转窑倾角，为物料安 其中回转窑当量直径D、填充率I雷诺数Re和 息角 Re的计算式： 2.3边界条件 Dd=[(2-8+sin B)]/ 料层：窑尾处生料浆，温度T,|x=0=T,水质量
第 12期 史彧宏等： 氧化铝熟料回转窑干法烧结数值分析 ΔｍＳｉＯ2 ＝ＦＳｉＯ2ｖ －1ＭＳｉ2Ｏ 2ＭＣａＯ ｋＳｉ2Ｏ· ｅｘｐ － ＥＳｉ2Ｏ ＲＴｓ ＸＳｉＯ2 （ＸＣａＯ ） 2 （5） 式中Ｍ为摩尔质量下标 ＳｉＯ2、ＣａＯ代表干料中的 二氧化硅和氧化钙组分． （3） 窑气中燃料质量变化率 ［10］ Δｍ ｃｏｍｂ ｃｏａｌ ＝ 1∙5Ｆｃｏａｌ Ｌｆ 1－ 4（ｘ－Ｌ－0∙5Ｌｆ） 2 Ｌ 2 ｆ （6） 式中Ｆｃｏａｌ为煤耗量ｋｇ·ｋｇ －1 熟料；Ｌ为窑长ｍ；Ｌｆ为火 焰长度取燃烧器出口截面直径 ｄｂ的 10～30倍 ［11］； 下标 ｃｏａｌ代表燃煤． 2∙2 能量守恒方程 料层： ＣＰｓＦｓ ｄＴｓ ｄｘ ＝（Ｑ ｃ ｇｓ＋Ｑ ｒ ｇｓ）＋（Ｑ ｃ ｗｓ＋Ｑ ｒ ｗｓ）－ ΔｍＨ2ＯΔＨＨ2Ｏ ＋ΔｍＳｉＯ2ΔＨＳｉＯ2 ＋Ｆ干料Φｓ （7） 窑气： ＣＰｇＦｇ ｄＴｇ ｄｘ ＝－（Ｑ ｃ ｇｓ＋Ｑ ｒ ｇｓ）－（Ｑ ｃ ｇｗ ＋Ｑ ｒ ｇｗ ）＋ ΔｍＨ2ＯＣＰＨ2Ｏ （Ｔｓ－Ｔｇ）＋Δｍ ｃｏｍｂ ｃｏａｌΔＨ ｃｏｍｂ ｄｗ （8） 窑壁： （Ｑ ｃ ｇｗ ＋Ｑ ｒ ｇｗ ）－（Ｑ ｃ ｗｓ＋Ｑ ｒ ｗｓ）＝Ｑ ｃｏｎ ｋｗ （9） Ｑ ｃｏｎ ｋｗ ＝Ｑｌｏｓｓ （10） 式中Ｃｐ为热容ｋＪ·ｋｇ －1·Ｋ －1；Ｑ为热流率ｋＷ· ｍ －1；ΔＨ为反应热焓ｋＪ·ｋｇ －1；Φｓ为熟料烧结过程 次要反应的反应热 ［12］；上标 ｃｏｎ、ｃｏｍｂ代表导热、燃 烧；下标 ｋｗ、ｌｏｓｓ和 ｄｗ代表窑壁、窑外壁面对环境 热损失和低位发热量；守恒方程中热流 Ｑ的具体表 达式如下． （1） 窑气与料层之间的对流传热 Ｑ ｃ ｇｓ与辐射传 热 Ｑ ｒ ｇｓ的方程： Ｑ ｃ ｇｓ＝ｈｇｓＡｓ（Ｔｇ－Ｔｓ） （11） Ｑ ｒ ｇｓ＝0∙5σＡｓ（εｓ＋1）（εｇＴ 4 ｇ－αｇｓＴ 4 ｓ） （12） 式中对流传热系数 ｈｇｓ ［13］、辐射系数 αｇｓ及单位长度 料层与窑气接触面积 Ａｓ的计算式如下 ［14］： ｈｇｓ＝0∙46 ｋｇ Ｄｅｄ Ｒｅ 0∙535Ｒｅ 0∙104 ω η －0∙341 （13） αｇｓ＝εｇ（Ｔｇ／Ｔｓ） 0∙45 （14） Ａｓ＝2ｒ1ｓｉｎ β 2 （15） 其中回转窑当量直径 Ｄｅｄ、填充率 η、雷诺数 Ｒｅ和 Ｒｅω的计算式： Ｄｅｄ＝［ｒ1（2π－β＋ｓｉｎβ） ］／ ［2π－0∙5β＋ｓｉｎ（0∙5β） ］ （16） Ｒｅ＝ｕｇρｇＤｅｄ／μｇ （17） Ｒｅω ＝ωρｇＤ 2 ｅｄ／μｇ （18） η＝（β－ｓｉｎβ）／2π （19） （2） 未被覆盖窑内壁面与料层之间的辐射传热 Ｑ ｒ ｗｓ及被覆盖窑内壁面与料层间的对流传热 Ｑ ｃ ｗｓ的 方程： Ｑ ｒ ｗｓ＝σＡｓεｗ （Ｔ 4 ｗ －Ｔ 4 ｓ） （20） Ｑ ｃ ｗｓ＝ｈｗｓＡ′ｓ（Ｔｗ －Ｔｓ） （21） 式中对流传热系数 ｈｗｓ ［15］、未被覆盖窑内壁面与料 层间的辐射传热系数 εｗ及单位长度料层与被覆盖 窑内壁面对流传热接触面积 Ａ′ｓ计算式 ： ｈｗｓ＝11∙6 ｋｓ Ａ′ｓ ωｒ1β αｓ 0∙3 （22） εｗ ＝εｗεｓ（1－εｇ） （23） Ａ′ｓ＝βｒ1 （24） （3） 窑气与未被覆盖窑内壁面之间的对流传热 Ｑ ｃ ｇｗ与辐射传热 Ｑ ｒ ｇｗ的方程： Ｑ ｃ ｇｗ ＝ｈｇｗＡｗ （Ｔｇ－Ｔｗ ） （25） Ｑ ｒ ｇｗ ＝0∙5σＡｗ （εｗ ＋1）（εｇＴ 4 ｇ－αｇｗＴ 4 ｗ ） （26） 式中窑气与未被覆盖窑内壁面间的对流传热系数 ｈｇｗ ［13］以及单位长度窑气与窑内壁面传热接触面积 Ａｗ的计算式： ｈｇｗ ＝1∙54 ｋｇ Ｄｅｄ Ｒｅ 0∙575Ｒｅ －0∙292 ω （27） Ａｗ ＝ｒ1（2π－β） （28） （4） 窑内壁面内的导热传热 Ｑ ｃｏｎ ｒｅｆ的方程： Ｑ ｃｏｎ ｋｗ ＝（Ｔｗ －Ｔｋｗ ） ∑ ｍ ｌ＝1 Ｌ 2πλｌ ｌｎ ｒｌ＋1 ｒｌ （29） （5） 窑外壁与环境间的对流辐射热散失 Ｑｌｏｓｓ的 方程 ［16］： Ｑｌｏｓｓ＝Ａｋｗ （Ｔｋｗ －Ｔ0） 4／3＋σＡｋｗεｋｗ （Ｔ 4 ｋｗ －Ｔ 4 0） （30） （6） 回转窑主要参数填充角 β、料层界面面积 Ａｃｓ和料层平均移动速度 ｕ ～ ｓ计算式 ［10］： β＝ π 2 － π 2 8 ＋ π 2 － π 2 8 2 ＋ 2π 2Ａｃｓ （2ｒ1） 2 （31） Ａｃｓ＝Ｆｓ／ｕ ～ ｓ （32） ｕ ～ ｓ＝0∙038（2ｒ1）ω ξ θ 0∙85 （33） 式中ω为回转窑转速ξ为回转窑倾角θ为物料安 息角． 2∙3 边界条件 料层：窑尾处生料浆温度 Ｔｓ∣ｘ＝0 ＝Ｔｓ水质量 ·1603·
,1604 北京科技大学学报 第32卷 分数W|=0Wo,SD2质量分数X2|o=Xg 3计算结果与分析 窑气：窑头处视喷入煤粉与二次风已充分接触 混合，窑气温度T==T。喷入燃煤质量流量 选取某氧化铝厂回转窑进行模拟计算，其工况 Fcoul=L-Foour 条件列于表2). 表2回转窑模拟计算工况 Table 2 Numerical calculation panmeters Lm加斜度%u(mmn)T,CWa% X02%空气系数P.【h)0,(kgk)T,C刀% 902.253.5 2 60 36.18 10.8 1.23 59.2 0.156 96065-75 模型数值求解过程，包含了式(7)、式(8)两点 温度分布趋于一致：而外壁面轴向温度分布则相对 边值的常微分方程组与式(9)、式(10)非线性代数 较为平缓，通过比较图2中计算结果和测量值可看 方程组的耦合解算.求解两点边值常微分方程组数 出)，窑外壁面温度分布的计算值与测量值基本 值方法采用四阶龙格库塔法(RK)与线性打靶 吻合 法]；料层能量方程中原项Φ作线性处理：径向热 料浆含水量是影响窑内热过程主要操作参数， 平衡非线性代数方程的解算方法采用牛顿法，计算 含碱料浆烘干实验研究指出，水的质量分数低于 结果见图2，其中包含了回转窑内窑气、料层及窑体 20%时，料浆的理化性能发生转变，由黏性变为塑 内、外壁面轴向温度分布以及料浆中水分、$02组 性，为此，在考察料浆含水量对回转窑热过程影响 分的质量分数变化曲线， 的分析中，以料浆中水的质量分数为20%作为烧结 1400 状态转变依据，即此时回转窑运行工况可视为干法 1200 烧结.在不改变其他参数条件下，随含水量递减条 100- 1000 件下，回转窑内烘干、烧结过程的变化状况计算结果 800 ·回转窑外壁面 温度测试值 如图3和图4所示 6 600 1500 1400 组分H,0质量分数 20 200 1200 料层温度 0- <X2 102030 40506070 8090 100r 1000 窑长m 下① 80 800 ② ③ T,一窑内壁面温度：Tg一窑气温度：T一窑内料层温度：T一窑 曲线科案中水酱矿 60 600 分数 ① 38 外壁面温度：XH0一料层中水的质量分数：XD2一料层中SD2质 0 400 ④ ② 32 量分数 ③ 22 20 200 20 图2氧化铝回转窑内过程数值计算结果 Fig 2 Numerical results of transport processes in the ahm na motary 10 20 30 4050 60 70 80 90 窑长a kiln 图3料浆含水量对料层温度、烘干过程的影响 图2表明：窑长0~40m范围内，料层温度曲线 Fig 3 Effects of moisture content on the surry temperature and dr 较平缓，说明升温速度缓慢，这主要是由于在这一段 ying pmocess 以烘干过程为主，料浆中水分蒸发吸收了大量热量 造成的；窑长40~70m范围内，这一段以熟料高温 图3和图4计算表明，其他工况不变，当料浆中 烧结过程为主，由于烧结反应热需求占整个回转窑 水的质量分数递减至20%时，烘干过程在窑长20m 热支出比例较小，料层温度快速增加，最高温度达到 范围内基本完成，相比原工况缩短了50%，同时料 1286℃，熟料烧成（当X,≤10时）区域集中在窑 层温度相比也提高近200℃，料层最高温度和熟料 长55~78m区域范围内：窑长78~90m范围内，属 出口温度也相应有所增加，但提升幅度相对较小. 于料层冷却带，进入窑头的燃料和二次风被高温熟 由于料层升温速度加快，烧结反应在窑长40~60m 料预热，提高了燃烧温度，窑内燃烧温度达1389℃， 范围内基本完成，相比原工况缩短了15m左右；同 熟料排出温度为1138℃.窑体内、外壁面轴向温度 时，回转窑此时的排烟温度已升高到400℃左右， 分布随着料层与烟气温度分布而变化，窑体内壁面 可见：随喷入料浆含水量的减少，燃料燃烧最高温度 温度分布受到料层温度影响较大，变化趋势与料层 变化较小，但窑气总体平均温度提高，导致排烟热损
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 分数 Ｗ∣ｘ＝0＝Ｗ0ＳｉＯ2质量分数 ＸＳｉＯ2∣ｘ＝0＝Ｘ 0 ＳｉＯ2． 窑气：窑头处视喷入煤粉与二次风已充分接触 混合窑气温度 Ｔｇ∣ｘ＝Ｌ ＝Ｔｇ喷入燃煤质量流量 Ｆｃｏａｌ∣ｘ＝Ｌ＝Ｆ 0 ｃｏａｌ． 3 计算结果与分析 选取某氧化铝厂回转窑进行模拟计算其工况 条件列于表 2 ［17］． 表 2 回转窑模拟计算工况 Ｔａｂｌｅ2 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｌ／ｍ ｒ1／ｍ 斜度／％ ω／（ｒａｄ·ｍｉｎ－1） Ｔｓ／℃ Ｗ0／％ Ｘ0 ＳｉＯ2／％ 空气系数 Ｐｓ／（ｔ·ｈ－1） Ｆ0 ｃｏａｌ／（ｋｇ·ｋｇ－1 物料 ） Ｔｇ／℃ η／％ 90 2∙25 3∙5 2 60 36∙18 10∙8 1∙23 59∙2 0∙156 960 65～75 模型数值求解过程包含了式 （7）、式 （8）两点 边值的常微分方程组与式 （9）、式 （10）非线性代数 方程组的耦合解算．求解两点边值常微分方程组数 值方法采用四阶龙格--库塔法 （Ｒ-Ｋ）与线性打靶 法 ［18］；料层能量方程中原项 Φｓ作线性处理；径向热 平衡非线性代数方程的解算方法采用牛顿法．计算 结果见图 2其中包含了回转窑内窑气、料层及窑体 内、外壁面轴向温度分布以及料浆中水分、ＳｉＯ2 组 分的质量分数变化曲线． Ｔｗ－窑内壁面温度；Ｔｇ－窑气温度；Ｔｓ－窑内料层温度；Ｔｋｗ－窑 外壁面温度；ＸＨ2Ｏ－料层中水的质量分数；ＸＳｉＯ2－料层中 ＳｉＯ2质 量分数 图 2 氧化铝回转窑内过程数值计算结果 Ｆｉｇ．2 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅａｌｕｍｉｎａｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ 图 2表明：窑长 0～40ｍ范围内料层温度曲线 较平缓说明升温速度缓慢这主要是由于在这一段 以烘干过程为主料浆中水分蒸发吸收了大量热量 造成的；窑长 40～70ｍ范围内这一段以熟料高温 烧结过程为主由于烧结反应热需求占整个回转窑 热支出比例较小料层温度快速增加最高温度达到 1286℃熟料烧成 （当 ＸＳｉＯ2≤10 －3时 ）区域集中在窑 长 55～78ｍ区域范围内；窑长 78～90ｍ范围内属 于料层冷却带进入窑头的燃料和二次风被高温熟 料预热提高了燃烧温度窑内燃烧温度达 1389℃ 熟料排出温度为 1138℃．窑体内、外壁面轴向温度 分布随着料层与烟气温度分布而变化．窑体内壁面 温度分布受到料层温度影响较大变化趋势与料层 温度分布趋于一致；而外壁面轴向温度分布则相对 较为平缓．通过比较图 2中计算结果和测量值可看 出 ［17］窑外壁面温度分布的计算值与测量值基本 吻合． 料浆含水量是影响窑内热过程主要操作参数． 含碱料浆烘干实验研究指出 ［19］水的质量分数低于 20％时料浆的理化性能发生转变由黏性变为塑 性．为此在考察料浆含水量对回转窑热过程影响 的分析中以料浆中水的质量分数为 20％作为烧结 状态转变依据即此时回转窑运行工况可视为干法 烧结．在不改变其他参数条件下随含水量递减条 件下回转窑内烘干、烧结过程的变化状况计算结果 如图 3和图 4所示． 图 3 料浆含水量对料层温度、烘干过程的影响 Ｆｉｇ．3 Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅｓｌｕｒｒｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｄｒ- ｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ 图 3和图 4计算表明其他工况不变当料浆中 水的质量分数递减至 20％时烘干过程在窑长 20ｍ 范围内基本完成相比原工况缩短了 50％同时料 层温度相比也提高近 200℃料层最高温度和熟料 出口温度也相应有所增加但提升幅度相对较小． 由于料层升温速度加快烧结反应在窑长 40～60ｍ 范围内基本完成相比原工况缩短了 15ｍ左右；同 时回转窑此时的排烟温度已升高到 400℃左右． 可见：随喷入料浆含水量的减少燃料燃烧最高温度 变化较小但窑气总体平均温度提高导致排烟热损 ·1604·
第12期 史彧宏等：氧化铝熟料回转窑干法烧结数值分析 .1605. 1500 随着料浆含水量的减少，蒸发水分的能量相应减少， 1400 -组分Si0,质量分数 相应可用于熟料烧成反应的能量则增加，造成回转 1200 一一窑气温度 窑烧结能力也随之增加，对于本文所研究的回转 100 曲线中水 分数厚 80 800 ④③ ① 38 窑，不同料浆含水量下的最佳产能值以及相应燃煤 600 <② 32 60 单耗之间的变化关系如图6所示. 22 40 400 ④ 20 图6中变化关系曲线是利用上述模型，在不改 200 ④③②① 变其他参数条件下，选取某一料浆含水量，通过调节 0 0 1020 30405060 708090 参数P值进行计算，当模型计算结果为：烟气出口 窑长m 温度T不高于240℃，窑长65~75m范围内X,值 图4料浆含水量对窑气温度、烧结过程的影响 为零时停止调节参数P值，即认为此时的P值是这 Fig 4 Efects of moisture content on the gas and sinte- 含水量对应的最优产能值，计算结果表明：随料 ring pmcess 浆中水的质量分数从38%递减至20%，回转窑产能 失增加；料层温度提升速度随之加快，促进了窑内各 提升约24%，而所需燃煤量随产量的增加而相对减 项反应的进行，烘干带、烧结带长度相应缩短，延长 少，单耗降幅可达18%；料浆含水量若再递减，回转 了熟料在窑气高温区停留时间，容易造成熟料过烧 窑产能与单耗变化相一致，趋于平缓，提产降耗幅度 由此说明，现有回转窑转变为干法烧结后，会产生排 相比锐减 烟温度较高和影响熟料质量的不合理状况 0.16 虎 针对上述情况，采取增加回转窑产能的模拟方 0.15 475 案，在不改变原有回转窑结构特征的条件下，取料 0.14 ◆一熟料烧结煤耗 70 浆中水的质量分数为15%，调整回转窑产能P,保 ▲一回转窑产能 证烟气出口温度不高于240℃，熟料烧成在窑长 65 65~75m范围内，计算结果如图5所示 0.12 60 38 32 26 20 15 5 1500 水的质量分数/% 1400面线座t分数s 化★ 产能P 1200 15 60 75 图6料浆含水量、产能与煤耗的变化关系 100 1000 Fig6 The relations beteen the moisture contents the productivity 800 ① and the coal consumption 60 600 密气温度 …料层温度 料浆含水量与产能、燃煤单耗的变化趋势表明， A0- 400 一一组分水质量分数 200 e 组分Si0,质量分数 三者变化关系并不是线性的，过度降低料浆含水量 0 并不能取得相应更大的节能效果；而且在现有熟料 1020 3040506070 8090 窑长m 回转窑喂料系统条件下，当生料中水的质量分数降 低到10%以下时，从窑尾喷入后即会呈散料状，这 图5干法烧结条件下不同产能的计算结果 Fig 5 Calculating mesults at different pmoduction capacities in dry- 势必会造成大量的生料随烟气从窑尾排出，不能保 sintering condition 证生料得到有效烧结，影响产量提高，因此，依据 图6中计算结果，当保持料浆中水的质量分数降至 对比图5中模拟结果表明：调整产能后的回转 15%~20%,即可适应现有喂料方式，又可获得最佳 窑排烟温度曲线②，相比调整前曲线①降低了约 的提高产能、降低能耗的效果 170℃，减少了烟气热损失；另外，曲线②的氧化硅 综上所述，实现熟料回转窑干法烧结，不仅是现 组分变化反映出，调整后的熟料烧成在窑长65~ 有氧化铝熟料回转窑节能改造的方向，而且在降低 72m范围内，相对曲线①，熟料烧成处在合理的高温 料浆含水量的同时，回转窑还具有提高产能、降低烧 区域范围内，与图1中实际工况相一致，有利于熟料 结燃煤单耗的潜力， 保持正常的烧成过程， 由此说明，对由于料浆含水量降低而形成的窑 4结论 内热过程不合理现象，调节参数P可以起到改善作 (1)利用实际工况条件下回转窑窑外壁面温度 用，这是因为在供入回转窑总能量不变的条件下， 测量值，验证氧化铝熟料回转窑内热过程数学模型
第 12期 史彧宏等： 氧化铝熟料回转窑干法烧结数值分析 图 4 料浆含水量对窑气温度、烧结过程的影响 Ｆｉｇ．4 Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｉｎｔｅ- ｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ 失增加；料层温度提升速度随之加快促进了窑内各 项反应的进行烘干带、烧结带长度相应缩短延长 了熟料在窑气高温区停留时间容易造成熟料过烧． 由此说明现有回转窑转变为干法烧结后会产生排 烟温度较高和影响熟料质量的不合理状况． 针对上述情况采取增加回转窑产能的模拟方 案．在不改变原有回转窑结构特征的条件下取料 浆中水的质量分数为 15％调整回转窑产能 Ｐｓ保 证烟气出口温度不高于 240℃熟料烧成在窑长 65～75ｍ范围内计算结果如图 5所示． 图 5 干法烧结条件下不同产能的计算结果 Ｆｉｇ．5 Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｉｅｓｉｎｄｒｙ- ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 对比图 5中模拟结果表明：调整产能后的回转 窑排烟温度曲线②相比调整前曲线①降低了约 170℃减少了烟气热损失；另外曲线②的氧化硅 组分变化反映出调整后的熟料烧成在窑长65～ 72ｍ范围内相对曲线①熟料烧成处在合理的高温 区域范围内与图 1中实际工况相一致有利于熟料 保持正常的烧成过程． 由此说明对由于料浆含水量降低而形成的窑 内热过程不合理现象调节参数 Ｐｓ可以起到改善作 用．这是因为在供入回转窑总能量不变的条件下 随着料浆含水量的减少蒸发水分的能量相应减少 相应可用于熟料烧成反应的能量则增加造成回转 窑烧结能力也随之增加．对于本文所研究的回转 窑不同料浆含水量下的最佳产能值以及相应燃煤 单耗之间的变化关系如图 6所示． 图 6中变化关系曲线是利用上述模型在不改 变其他参数条件下选取某一料浆含水量通过调节 参数 Ｐｓ值进行计算．当模型计算结果为：烟气出口 温度 Ｔｇ不高于 240℃窑长 65～75ｍ范围内 ＸＳｉＯ2值 为零时停止调节参数 Ｐｓ值即认为此时的 Ｐｓ值是这 一含水量对应的最优产能值．计算结果表明：随料 浆中水的质量分数从 38％递减至 20％回转窑产能 提升约 24％而所需燃煤量随产量的增加而相对减 少单耗降幅可达 18％；料浆含水量若再递减回转 窑产能与单耗变化相一致趋于平缓提产降耗幅度 相比锐减． 图 6 料浆含水量、产能与煤耗的变化关系 Ｆｉｇ．6 Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓ、ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄｔｈｅｃｏａｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ 料浆含水量与产能、燃煤单耗的变化趋势表明 三者变化关系并不是线性的过度降低料浆含水量 并不能取得相应更大的节能效果；而且在现有熟料 回转窑喂料系统条件下当生料中水的质量分数降 低到 10％以下时从窑尾喷入后即会呈散料状这 势必会造成大量的生料随烟气从窑尾排出不能保 证生料得到有效烧结影响产量提高．因此依据 图 6中计算结果当保持料浆中水的质量分数降至 15％ ～20％即可适应现有喂料方式又可获得最佳 的提高产能、降低能耗的效果． 综上所述实现熟料回转窑干法烧结不仅是现 有氧化铝熟料回转窑节能改造的方向而且在降低 料浆含水量的同时回转窑还具有提高产能、降低烧 结燃煤单耗的潜力． 4 结论 （1）利用实际工况条件下回转窑窑外壁面温度 测量值验证氧化铝熟料回转窑内热过程数学模型 ·1605·