白 洁 刘云峰 姜 琳 符国胜

(中信重工机械股份有限公司 河南洛阳471039)

活性石灰回转窑系统煅烧活性石灰是当前钢厂炼钢所用活性石灰的主要生产方法。这种煅烧系统不仅能锻烧出高质量的活性石灰，还能选用粒度范围较大的生产原料，从而提高了矿山原料的资源利用率［1－2］。而竖式预热器是煅烧活性石灰系统的主要主机设备之一，其作用是回收高温烟气的热量并将其用于石灰石原料的预热分解［3］。竖式预热器在设计过程中，溜槽中心与预热器中心是否应该偏置一直都是困扰设计者的一个问题。从接触到的国外的设计图纸中，存在一个这样的偏置设计，如图1 所示。而在国内众多的设计生产厂家中，还没有见 到类似的设计。因此这个偏置有什么作用?对预热器工作产生什么样的影响?目前都不是很清楚。因此本文采用了流体计算软件对竖式预热器的内部流场在不同的偏置距离下进行研究，得到不同的偏心设置下，对各个预热仓室的气流分配影响，了解了偏置距离对竖式预热器内部流场的影响，为预热器的设计提供参考。

图1 预热器结构及偏心示意图

1 计算方法

窑尾烟气进入竖式预热器后，在预热器内部整体负压的环境下向各个预热仓室移动，进入仓室后与低温物料发生热交换。在此假设进入各个仓室的烟气温度分布均匀，物料与烟气的换热系数相同，因此只需要考察预热器在不同的偏心距下进入各个仓室的烟气量就可以反映出进入各个仓室热量的变化，从而放映出偏心距设计对物料预热效果的影响。

按照这种计算思路，首先对预热器的偏置情况进行划分，可以分为以下7 种工况进行计算，分别为:不偏心，偏心距100mm ～600mm，每递增100mm 为一种工况。计算在完全相同的条件下进行，同时为了避免不同状况下计算通风量数值差别的影响，考察采用每一种计算工况下各个仓室通过的气体流量与总流量的百分比进行表示，得出不同偏心距状况下，预热器内部流场的分配。计算过程需要对仓室进行编号，仓室编号原则如下:以窑中心线为基准，以窑尾上方的预热仓室开始对称编号，从窑上方位置到废气总出口依次编为1、2、3、……7。预热器的计算三维模型如图2所示。

图2 三维模型

2 计算模型

竖式预热器仓室是预热器工作的主要部位，系统工作时仓室内堆满石灰石物料，窑尾排出的高温烟气穿过仓室内的石灰石料层时，与仓室内的冷料进行剧烈热交换，废气的热量被石灰石冷料吸收分解。但在采用软件进行模拟分析时，没有办法做到模拟真实物料，因此为了考虑实际物料的影响，对料层的处理采用多孔介质模型替代分析。

多孔介质模型的原理就是在动量方程中附加了一个动量损失源项Si。这个附加的动量损失源项Si由两部分组成，一部分是黏性损失项(Darcy)，另一个是惯性损失项:

式中 Si—X，Y，Z 各个方向上的动量源项;

| υ| —冷却风速;

D 和C—指示矩阵。

这个附加的动量损失源项Si在多孔介质区域内，对计算域内的压力梯度有影响，形成一个与通过风速成比例关系的压降。对于各向同性的物质，这个方程可以简化为:

式中 α—渗透性系数;

C2—惯性阻力系数。

其中:

式中 DP—物料颗粒的平均粒度;

ε—物料堆积的孔隙率。

其中DP的取值取物料粒度分布的平均值，活性石灰煅烧系统一般煅烧的物料直径范围为15mm ～45mm，因此此处DP的取值为30mm。物料堆积孔隙率ε 的取值，查阅文献得知，有人测试过静态物料颗粒的孔隙率约为0.3 左右，因此计算时对DP和ε 进行的取值为:DP=30mm，ε=0.3。代入到上式中进行计算，得到:

而粘性阻力系数为:

同理，惯性阻力系数为:

除了设置上述参数外，由于多孔介质区域模拟的是物料堆积区域，实际中高温气流流过物料孔隙时，两者要发生换热反应。因此在计算时，为了更加贴近实际情况，计算采用局部非热平衡能量方程进行求解，利用UDF 文件定义多孔介质固相和气相的能量源项，通过非稳态项UDF 产生温度随时间的变化，利用UDS 引入固相和气相的能量双方程，具体形式为:

动量方程:

气体能量方程:

固体能量方程:

式中 ε—孔隙率;

ρ—密度;

υ—速度;

下角标f—气体，s—固体;

c—比热容;

τ—时间;

Tf—气体平均温度;

Ts—固体平均温度;

λ—气固热导率(下标区分气固相);

q—热流密度(下标区分气固相);

hv—固相与流动介质之间的单位体积的对流传热系数。

3 结果分析

按照上述的计算方法对已经确定的7 种工况，在相同的条件下进行计算。为了节省篇幅，计算结果图片只展示未偏置的工况，其他工况下结果与此类似，不再给出，只给出计算结果。

图3 预热器内部气流分布图

图3 显示的是没有偏心设计时，整体预热器的速度场分布以及各个切面的气体流场分布结果。由图3a)可以看出，高温废气由窑尾进入预热器后，遵循流体的“附壁效应”，优先依附着壁面向上流动，壁面流动速度大于其他位置的流动速度，这种现象从图3b)切片的速度云图中可以清楚的看出。当烟气到达预热器仓室下部时，仓室中堆满物料，对气流的运动产生阻碍作用，气流沿着吊挂砖下部空间四处分散流动，如图3c)所示。最终烟气在进入预热仓室前，有这样一个均匀化的过程，从而使最终通过各个仓室的气体流量趋于平均。为了更直观的看出这个均匀化过程对最终的气流分配产生的影响，把通过每个仓室的气体流量与总流量进行对比可以看出，比例值趋于平均值。

对其他六种工况进行计算，并对计算数据按照相同的方法进行处理，数据处理结果如表1所示。

表1 计算结果及数据处理(单位:kg/s)

由上面表格中数据处理结果可以看到:随着竖式预热器偏心距的变化，通过预热器的气体总流量变化不大，各个工况下每个仓室通过的气体流量与总流量之比变化不大，趋于平均，即说明竖式预热器偏心设计对于通过各个仓室的气体流量没有影响，对预热器预热石灰石冷料的效果没有影响。为了更直观的看到各个工况下，每个仓室通过气体流量的变化，可以把所有的后处理数据统一在一个变化曲线中，结果曲线如图4所示。

从这个变化曲线上可以看出:编号仓室1 到编号仓室7，通过的气体流量逐渐增加，但变化数值不大，最大的比例差值在1%的范围内，且7 种工况下的曲线分布规律一致，这种变化曲线的走势是和预热仓室上部的废气管道布置有关，与偏心距设计没有关系。

图4 不同偏心距下预热器内部气流分配

4 结论

1)高温烟气在预热仓室下部被原料阻碍，气流在吊挂砖下部空间分散流动，使最终通过各个仓室的气体流量趋于平均。2)单个计算工况下，各个仓室的流量分配变化与预热仓室上部的废气管道布置有关，与偏心距设计没有关系。全部7 种计算工况下各个仓室通过的气体流量与总流量之比趋于平均值，说明竖式预热器偏心设计对于通过各个仓室的气体流量分配没有影响，对预热器预热原料的效果没有影响。

［1］张凯博.2014 年度石灰回转窑技术发展报告［J］.耐火与石灰，2015(1):1－5.

［2］戚天明，鲁俊，张永福.钢厂用活性石灰回转窑的发展概况［J］.水泥工程，1995(6):34－36.

［3］段玉震. 活性石灰回转窑关键参数计算方法的探讨［J］.矿山机械，2008(19):103－105.

［4］鲁俊.竖式预热器钢结构框架的分析与设计［J］.矿山机械，2010(22):34－38.

［5］朱玲利，白洁，乔斌.活性石灰预热器对流换热的计算［J］.冶金设备，2012(6):6－8.