（工程热物理专业论文）梭式窑外设火道方案数值模拟研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 梭式窑是冶金、化工、建材、耐火材料等行业广泛用于制品 烧成的热工设备。目前对梭式窑温度场的研究多集中在分析坯体 摆放方式、烧嘴位置及流速方面对窑内传热的影响上，针对在低 温阶段，容易引起产品质量问题的局部高温点的研究还未见公开 报道。以韶关冶炼厂烧制碳化硅耐火材料的梭式窑为研究对象， 通过测试，得到火焰直射入窑内的加热方式是产生局部高温点的 重要原因。 提出在烧嘴火道外连一混合火道，在混合火道内，实现兑冷 空气与高温烟气混合均匀无局部高温点的解决方案。在研究数值 模拟理论与方法的基础上，利用f l u e n t 平台，使用r e a l i z a b l ei ce 模型计算湍流，用混合分数概率密度函数p d f 模型模拟气相湍流 燃烧，用p 1 辐射模型计算辐射传热。对不同尺寸的变截面火道 与等截面火道做大量的计算机模拟实验，数值模拟揭示： 在梭式窑加热低温阶段，随着时间的进行，火道出口温度分 布呈越来越不均匀趋势；变截面火道模型的出口温度均匀性优于 等截面火道；在同一烧成时间、同一火道长度的前提下，火道出 口温度不均匀度随着兑冷空气入射角度( 0 。一9 0 。) 的增大而减小，随 着燃料入射旋流强度的增大而增大；兑冷空气入口存在最佳尺寸， 偏离此尺寸出口温度均匀性变差。 针对韶关冶炼厂梭式窑，确定了一种合适的变截面的火道结 构：其兑冷空气入口位置距离前墙0 c m ，兑冷空气入口大小为 4 0 c m x 3 0 c m ，前体、中间体及后体的长度分别为5 0 c m 、3 0 c m 、6 8 c m 、 中间体截面积为2 0 c m x 2 0 c m ，兑冷空气入射角为6 0 0 。 关键词：梭式窑火道数值模拟 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s h u t t l ek i l ni s ah e a t e q u i p m e n tw h i c h i s w i d e l y u s e di n m e t a l l u r g y , c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，c o n s t r u c t i n gm a t e r i a l ，r e f r a c t o r yi n d u s t r y a tp r e s e n t t h er e s e a r c ho ns h u t t l ek i l nf o c u so nt h ei n f l u e n c eo nt h eh e a t t r a n s f e rb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fb o d yp u tm o d e ，t h ep o s i t i o no f c o m b u s t i o nn o z z l ea n df l o wv e l o c i t yi ns h u t t l ek i l n h o w e v e r ，t h e r ei sn o p u b l i cr e p o r to fr e s e a r c ho nt h e l o c a l h i g ht e m p e r a t u r ei nt h el o w t e m p e r a t u r es t a g ef o rw h i c hq u a l i t yp r o b l e m sc a nb ec a u s e d t h es h u t t l e k i l ni ns h a o g u a nm e l t e ri sc h o s e na st h er e s e a r c ho b j e c t i ti st h em a i n r e a s o nf o rl o c a l h i g ht e m p e r a t u r ew h i c hi s c o n c l u d e dt h r o u g ht h e m e s s u r i n gt e s t st h a tt h ef l a m ed i r e c t l yi n j e c t i n gi n t ot h es h u t t l ek i l n af i r ef l u ei sa d d e do nt h eo u t s i d eo ft h eb u r n e rf i r ef l u e a n dt h e n t h el o c a lh i g ht e m p e r a t u r ea r ee l i m i n a t e db yb l e n d i n gc o l da i ra n dh o tg a s u n i f o r m l yi nt h ef i r e f l u e t h e t h e o r yo fn u m b e r i c a ls i m u l a t i o n i s s t u d i e d t h er e a l i z a b l ek - em o d e lw a su s e di ns i m u l a t i o no fg a sf l o w t h e p d fm e t h o dw a su s e dt os i m u l a t et h eg a sc o m b u s t i o n t h er a d i a t i o ni sp 1 m e t h o d ap l e n t yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r em a d eo n d i f f e r e n ts i z e so fv a r i a b l ec r o s s s e c t i o na n dc o n s t a n ts e c t i o nf i r e f l u e s o m ec o n c l u s i o n sa r es u m m a r i e df o l l o w i n ga s ： i nt h el o ws t a g eo fs h u t t l ek i l nh e a t i n g t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ef i r ef l u eo u t l e tb e c o m em o r ea n dm o r en o n u n i f o r mw i t ht h et i m e p r o c e e d t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo ft h ev a r i a b l ec r o s s s e c t i o n f i r ef l u ei sb e t t e rt h a nc o n s t a n ts e c t i o nf i r ef l u e a tt h es a m et i m ea n di f t h ef i r ef l u e sl e n g t hi sc o n s t a n t t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eu n e v e n n e s sb e c o m e s s m a l l e ri nc o m p a n yw i t ht h ea n g l e ( 0 。- 9 0 。) o fc o l da i ri n c i d e n c e i n c r e a s i n g t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eu n e v e n n e s sb e c o m e sb i g g e ri nc o m p a n y w i t ht h ei n t e n s i t yo f 如e lr o t a t i o n a lf l o wi n c r e a s i n g t h ec o l de n t r yh a s o p t i m u ms i z e ，a n o t h e r c o l d e n t r y s i z el e a d st o b i g g e rt e m p e r a t u r e u n e v e n n e s s f i n a l l yag o o df i r ef l u es t r u c t u r ef o rs h a o g u a ns m e l t e rs h u t t l ek i l ni s p r e s e n t e da st h ef o l l o w i n g ：t h ed i s t a n c eb e t w e e nc o l da i ri n l e ta n df r o n t w a l li so c m t h ei n l e ts i z eo fc o l da i ri s4 0 c m x 3 0 c m ，t h el e n g t h so ff r o n t s e c t i o n m i d d l es e c t i o na n db a c ks e c t i o ni nv a r i a b l ec r o s ss e c t i o nf i r ef l u e a r e5 0 c m ，3 0 c m ，6 8 c mr e s p e c t i v e l y , t h ec r o s ss e c t i o na r e ao fm i d d l es e c t i o n i s2 0 c m x 2 0 c m i n c i d e n ta n g l eo fa i rc o l di s6 0 。 k e y w o r d s ：s h u t t l ek i l nf i r ef l u en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：起圭日期：塑鳢年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着最近能源与资源价格的大幅上升，我国能源与资源安全问题又一次成为 关注焦点。当前，我国经济的发展与城市化进程的加速使得能源与资源面临着十 分巨大的压力，能源与资源紧缺对我国发展的约束越来越大。要保持我国经济持 续发展势头，需要我国能源与资源能够持续、稳定地供给。而大量的理论研究和 实践发展表明，我国能源与资源对经济社会的支撑力度正在逐渐下降，国内能源 与资源不足、自给程度下降将成为制约我国经济持续、稳定发展的一个重要因素。 因此，如何保障我国能源与资源安全，缓解我国经济建设的资源约束矛盾，就显 得尤为重要【l j 。 我国经济的较快增长是用较大投入、较高消耗和较重污染换来的。能效问题 已影响到中国制造业的整体竞争力，高能耗对应的是中国制造业的低技术含量、 低水平、低竞争力。能效问题成为一个迫切需要解决的问题1 2 j 。国家发改委能源 局公布，中国能源消费总量已经位居世界第二，约占世界能源消费总量的1 1 ， 但每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的1 0 3 、欧盟的1 6 8 、美国的2 8 6 。 “高消耗、低效益、高排放 这一粗放的经济增长方式是造成中国能源资源 瓶颈约束的根本原因。2 0 0 3 年，中国消耗了世界钢铁总产量的3 0 、水泥总产量 的4 0 、煤炭总产量的3 l ，但g d p 仅占世界的4 。中国的万元g d p 能耗水 平是发达国家的3 1 1 倍，中国人均占有量不到世界平均水平1 5 的水资源和不 到1 3 的土地资源已出现全面紧缺势头【3 】。 本世纪前2 0 年是中国社会经济发展的重要战略机遇期，但目前中国资源形势 相当严峻，如果能构建节约型和高效率的循环经济体系，实现全面建设小康社会 所需要的资源就不会过分依赖国际市场，这样国家经济就会有所保障。 从根本上解决中国能源问题，必须转变经济增长方式，走新型工业化道路， 选择资源节约型、质量效益型、科技先导型的发展方式。要以提高能源资源利用 效率为核心，以节能、节水、节地、节材、能源资源综合利用和发展循环经济为 重点，把节约能源与资源工作贯穿于生产、流通、消费各个环节和经济社会发展 各个领域，加快形成节约型生产方式和消费方式，提高全社会能源资源利用水平 在全国形成有利于节约能源与资源的生产模式和消费模式，发展节约型经济，建 设节能型社会h 1 。 冶金、化工、建材、耐火材料行业是资源与能源的消耗大户，这些行业的能 源与资源有着较大的节约空间，能源与资源的利用率还有待提高。对这些行业来 中南大学硕士学位论文第一章绪论 说，提高能源与资源的利用效率最直接的办法就是提高产品合格率，减少产品在 生产过程中的损毁、报废。烧成是这些行业产品生产过程中必不可少的工序，在 烧成过程中的损坏是产品报废的重要组成部分。梭式窑作为这些行业常用的烧成 设备，它运行的好坏对产品性能有着直接而显著的影响。为了提高产品的合格率 从而提高这些行业的能源与资源利用效率，对梭式窑加强研究无疑是十分必要的。 1 2 梭式窑概述 梭式窑是一种现代化的间歇窑，它的装窑、出窑与隧道窑相似，都在窑外进 行。其对烧成品种的适应性强，能适应不同尺寸、形状和质量产品的烧成，既可 用作生产的主要烧成设备：又可作为辅助烧成设备，用于产品的重烧和新产品的生 产，是冶金、陶瓷、耐火材料等行业不可缺少的烧成设备。 1 2 1 梭式窑的结构 图1 1 为梭式窑结构示意图，梭式窑结构与传统的矩形倒焰窑基本相同。烧 嘴安设在两侧窑墙上，并视窑的高矮设置一层或数层烧嘴。窑底用耐火材料砌筑 在窑车钢架结构上，即窑底吸火孔、支烟道设于窑车上，并使窑墙下部的烟道和 窑车的支烟道相连接，利用卷扬机或其它牵引机械设备，使装载制品的窑车在窑 室底部轨道上移动，窑车之间以及窑车窑墙之间设有曲封和砂封。 图1 - 1 梭式窑结构图 1 窑室2 窑墙3 窑顶4 烧嘴5 升降窑门6 支烟道7 窑车8 轨道 窑室内窑车数量视窑的容积而定，小容积梭式窑一般有窑车一至两辆；大容 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 积梭式窑在宽度方向可并排放两辆窑车，在长度方向上可排四辆或更多的窑车。 梭式窑可在窑室长度方向上的两端都设置窑门，在窑外码装好制品的窑车由 一端窑门推入窑内，制品烧好并冷却至一定的温度后的窑车从窑室的另一端推出， 接着把另外已装好制品的窑车推入窑室内；或者，同时从两端的窑车推入、拉出 窑车。有的梭式窑只在一端设置窑门，码装好制品的窑车从这一窑门推入窑室内， 待制品烧好并冷却至一定温度后仍从这个窑门拉出，窑车的运动就像书桌的抽屉 一样来回移动，所以梭式窑又称为抽屉窑。为了减轻每次封闭、拆卸窑门的繁重 劳动、窑门可以固定砌筑在窑车的一端上，这样，随着窑车推入窑内或从窑内拉 出时把窑门封闭或打开。最好把窑门砌筑在一钢架结构上，利用电机提升机构上 下启闭窑门。 因为制品是在窑外装、卸窑车，且易实现机械化操作，所以与传统的倒焰窑 内装、卸制品相比较，大大改善了劳动条件和劳动强度。 1 2 2 影响梭式窑烧成制品的因素 影响制品烧成的因素很多，主要有烧成温度、窑内压力、烧成气氛等。 a ) 温度制度对产品性能的影响 在梭式窑升温过程中，3 0 0 c 以前要求升温均匀平缓，否则造成坯体开裂。 4 0 0 c 到8 0 0 c 之间若升温太快会引起产品产生气泡。但梭式窑是时变性、大滞后、 多干扰的热工系统，控制烧成曲线是个难题【5 1 【6 l 【7 1 。同时烧成曲线的获得多靠经验 的总结，即使是同一型号的梭式窑，烧成同一种坯体，用同一条烧成曲线来控制 窑温，也难以保证两个周期的产品具有相同的性能。而且任何连续性的工艺参数 的改变，不可避免对既定时段其他烧成工况产生不良影响。在升温阶段，烟气的 温度压力变化是连续的、单调的，任何工艺点温度的改变，都会影响其他点的工 艺参数。但是烧成曲线仍然非常重要，直接影响到产品安全。 b ) 窑内压力与制品品质的关系 制品中含有大量水分，随着升温水分排出，排水速度直接影响下一步烧成。 排水速度取决于窑内气体的温度，湿度与烟气流速，也和窑尾风机抽吸压有直接 关系【剐。抽吸压是负压，抽吸压越大，排水速度越快。但排水速度过大，会引起 制品开裂、炸坯。相反，如果抽吸压过小，坯体干燥时间过长，延长烧成周期， 同时水分排出不彻底。在以后的高温环境下，制品内部的水分汽化却无法排出导 致炸裂。低温阶段主要排出坯体的是自然水和部分吸附水。升温到高温阶段，制 品的结构水约在8 0 0 - c 排出，在此温度下，坯体发生一定程度的氧化还原反应， 放出s 0 2 ，c 0 2 等，此段控制为负压，及时带走水分和氧化还原产生的气体，如 中南大学硕士学位论文第一章绪论 果负压过小，会使坯体内部反应缓慢，产生缺陷。制品在1 0 0 0 1 1 0 0 时完成氧 化还原反应，进入正式烧结状态，即处于部分液相状态，一般控制在零压或微正 压，烧成阶段是影响产品质量的关键阶段，严格控制窑炉内部气氛的稳定及温度 的均匀性，有利于扩散烧结。如果炉窑呈现负压，从窑炉耐火砖、保温纤维、看 火孔或高温烧嘴等孔隙处吸入冷风，在相应的方向上存在着温度梯度，对制品烧 结的影响是显而易见的，另一方面，此时窑炉内温度是最高的阶段，吸入冷风量 过量、热耗急剧上升、热工制度失稳，严重时引起坯体或窑炉内部热应力集中使 坯体或窑砖炸裂，发生恶性事故。有两点值得注意： 其一，窑的烟气出口处一般是负压，此时，应该通过一定的措施加以控制， 在整个窑炉的结构上要考虑如何避免靠近排烟的烧嘴的无效燃烧，即高温烟气未 与制品发生热交换，就被抽入换热器或烟囱，导致排烟温度过高。 其二，梭式窑窑车的上下压力是不同的，温度和气氛也存在不均匀性。对于 采用倒焰燃烧的窑炉并不意味着烧嘴向下，一般烧嘴还是在两侧，通过制品下方 的负压来抽取高温烟气，能在一定的程度上弥补窑炉上下的温差，但实际上还有 很多问题待解决。冷却阶段分为几个次阶段，高温急冷阶段，通过通入大量冷却 空气使产品达到要求的特定质量水平。注入大量空气使窑炉处于正压，但是急冷 风压过大，一对窑砖的抗震性能要求很高，二影响产品的冷却质量，发生风裂即 急冷裂。 g ) 气氛对制品烧成的制约 梭式窑对于制品的不同烧结阶段，对气氛有着不同的要求【9 l 。临界温度是指 坯体中某些氧化分解结束但还没有进入还原阶段的分界温度。临界温度与窑型、 煅烧制度等众多因素有关。制品的内部显微结构随着气氛的改变而改变，实践证 明，越是快速烧成，产生内外缺陷的可能越大，主要由于有机质氧化反应时间不 足、构成坯体的粉体烧结不够充分等。良好的氧化反应时间主要是在适当的温度、 充分的烧嘴炉膛氧化气氛和相应的烟气流速等状况下的反应时间长短。对于特种 无机材料来说，气氛要求更严格，例如磁性坯体，其原料是铁质，铁离子的价态 极易随气氛而变化，而其价态决定产品不同性能。 综上所述，温度制度，窑内压力，烧成气氛对梭式窑烧制产品的安全都有重 要影响，其中窑内压力与烧成气氛都与温度制度有定程度的相关，可以说，温 度制度的影响更大。 1 2 3 目前我国梭式窑的烧成状况 自8 0 年代，我国开始引进梭式窑，也在借鉴的基础上，开发了不少梭式窑。 梭式窑生产出来的产品良品率要比老式倒焰窑大大提高，但我国自行开发的梭式 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 窑系统还存在如下的问题尚待解决： a ) 热i , o 度不稳定，在窑炉系统中，温度、压力、气氛通常相互影响，而且 关系通常相当复杂，影响因素多( 窑的使用时间、燃料成分的偏差、制品 的变更等) ，且无特定变化规律，稳定的热工制度是非常重要的难题。 b ) 在梭式窑加热的低温阶段，常常出现不少局部高温点，这些局部高温点对 梭式窑内的温度场分布、气氛、压力等产生了重要影响，造成了良品率无 法进一步提高。 第一个问题由于涉及面广，影响因素多，短时间内很难解决，在此只研究第 二个问题，保障低温阶段无局部高温点烧成。 1 3 窑炉热工研究的国内外现状 梭式窑由于历史不长，研究还在起步阶段，国内外对其研究不是很多。由于 是从热工学的角度去研究梭式窑，这里将综述窑炉内热工理论研究的情况。 窑炉内的过程是异常复杂的，在其内部同时进行着流动、混合、燃烧、传热 等过程，而且这些过程相互作用、相互影响。对该设备用纯理论分析确实困难很 大，因此前人多采用了经验方法。但从窑炉研究工作的发展过程来看，利用简化 的理论模型，再加入适当的经验结论所形成的半经验半理论方法更能够正确地反 映窑炉的实际工作情况。实验研究是科学理论发展的基础。窑炉内热工过程是一 个包含有流动、传热、传质和燃烧等有关过程的极其复杂的物理化学过程。长期 以来，进行窑炉的模化试验和现场热态试验等炉内试验一直是探索这一复杂过程 的有效手段。尽管冷模实验在某种程度上可以反映出实际窑炉内过程的某些规律， 但冷态过程与热态过程之间毕竟存在一定差别。就目前而言，试验台的设置、实 验数据的测量、获取还十分困难，试验工作量大、周期长而且受到许多客观因素 的制约，特别是对不同窑炉种类进行测试受到实验手段的制约，甚至某些试验还 无法进行，通用性差，难以获得全面的结果，进行试验研究需要耗费较大的人力、 物力与资金。因此，有必要采用更加有效的途径来了解窑炉内发生的复杂的流动 和传热等过程。 近年来，计算机和计算机技术的飞速发展使燃烧过程的数值求解成为可能。 通过数值计算可以把燃烧理论、实验和燃烧装置设计三者有机的结合起来，开辟 了用燃烧理论直接指导试验和设计工作的新途径。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算 机技术以及计算流体力学、计算传热学和计算燃烧学等学科的发展，运用数值计 算方法模拟窑炉内热工过程己日益成为科学研究中的重要手段和工程设计用户的 有力工具。用数学模拟方法研究炉内过程可以编制通用计算程序，用计算机迅速 进行多种方案计算，得到各种参数场的分布，根据厂家要求选择最佳窑炉种类， 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 这样不仅能缩短建设周期，还能预报出燃烧室内介质的流动、传热和燃烧性能以 及污染物的排放水平。这不但有助于深化对基本物理现象的认识，而且使燃烧室 的设计优化建立在可靠的、合理的计算基础上，减少试验工作的盲目性和工作量， 节省了设计和试验过程中的人力、物力、财力。因此窑炉内过程数学模拟这一方 法在工程上的应用必将对窑炉的设计、使用和理论研究产生巨大的影响，带来无 法估量的经济效益。从数学角度看有关炉膛的数学模型不外乎可分为零维模型、 一维模型，三维模型。零维模型实际上就是集总参数模型，它把炉内各物理量都 看作是均匀分布的。这样的模型最为简单，事实证明能够从整体上较好地反映实 际情况。以下所列举的一些方法是利用零维模型建立起来的。一维模型则考虑了 各物理量沿炉膛某方向的不均匀性，由于对这样的模型进行计算并不复杂，因此 得到了一些应用。随着计算机技术的发展，借助高性能计算机可以对窑炉内工作 过程进行详细的流动、燃烧、传热计算，因此三维模型日益受到重视。国内外均 有不少学者己对此进行了不少研究，这对于大型窑炉的设计和运行具有重大意义。 h u d s o n 最早进行炉内传热试验研究，并于1 8 9 0 年提出了炉膛传热计算的经验 公式，后o r r i c k j j h 以修正。得到如下形式的经验关系式i l w ： 式中为炉膛吸热率或称炉 1 0 0 值为炉膛辐射换热量q 与输入炉 膛热量q l 之比，； 三为空气与燃料的质量比，k g k g ； b 为以优质烟煤为基准计算的燃料量，k g h ； 只为辐射受热面投影面积，m z 。 r e i d 、c o h e n 、c o r e y 和n e t t l i n g 曾分别对h u d s o n - o r r i c k 公式进行了修正，并得 出了相应的计算公式。后来b o r i d e 、w i l s o n 、l o b o 、h o t e l 和w o h l e n b e 等也相继提 出了不同形式的炉膛吸热率“的纯经验计算式【1 0 l 。前苏联以古尔维奇为首的研究 小组在综合了大量实验数据的基础上，提出了炉膛计算的半经验方法，称为以t i kt1 4 法。此方法当时在实际计算中有较高的准确性，其物理意义明显，推理方 法也十分容易接受。它采用了最为简单的零维模型，把所有炉内物理量均作为均 匀分布处理，由热平衡可知，烟气在炉内的放热量与高温烟气和水冷壁间的辐射 换热量相等【1 1 1 。h c h o t t e l 和e s c o h e n 在1 9 5 8 年提出了用区域法( z o n em e t h o d ) 计 算窑炉火焰空间的热交换过程【1 2 】，用这种方法进行研究时，把炉膛分割为若干容 积区域( 此处为气体) 和表面区域，这些区域都很小，以至可以将每一区域看作 是个均匀混合介质，针对每个区域可以写出辐射能量平衡方程式，这样就会形成 一组有关未知温度或热流的瞬态方程组，通过求解总能量平衡方程就可以得出每 个区域的温度或热流。单独应用区域法求解炉内辐射传热问题时，需先估计或测 6 一巨岷工潞| 三徽 膛 中南大学硕士学位论文第一章绪论 定炉内流场的速度与浓度分布，在先估定热流分布情况下，可迭代求解热流的分 布。用区域法计算辐射换热在原理上是较好的，但是计算工作量大，很费时间， 且不宜把炉膛分成很多区域，所以区域法常用在几何形状较简单和温度变化较小 的场合。但截至目前为止，只有少数几种情况存在一维或二维的精确解，因此区 域法仍作为最精确的数学模型用以考核其它计算方法的精度i l 引。在七、八十 代，s p a l d i n g 首先在计算机上得到了边界层燃烧问题的数值解，并在继承前人研究 成果的基础上，创立了“湍流模型 方法，提出了一系列的湍流和湍流燃烧模型 【1 4 j ，近三十年来，各国相继发展了燃烧过程数值计算的研究工作，在数值方法和 计算机等方面都取得了一系列的进展。g r o w 等的气固两相模型【l5 。，p a r t a n k a r 的 s i m p l e 算法的相继问世，标志着模型发展与完善阶段的开始【l6 。而英国的a b b a s 和l o c k w o o d 等对前墙布置燃烧器和切向燃烧两种类型的锅炉进行了气相燃烧模 拟，辐射传热采用离散传播法，燃烧模型采用简单的单步快速反应，所得的冷态 流场与试验值比较吻合【1 7 j ，这标志着一整套的燃烧室内的模拟方法开始初步形 成，燃烧室的模拟开始走向大型的炉内模拟。高津学1 9 7 6 年提出了一种用计算机 模拟的隧道窑数学模型，其思想是将预热带分成n 份，根据能量守恒定律，将窑 内制品的温度、烟气温度及烟气流量三者关联起来，可在任知其一的情况下求出 其他两者【1 8 】。h a j v e r c a m m m a n 等于1 9 8 0 年利用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 进行了工 业炉的辐射模拟【l9 1 ，此法对微元体的发射、吸收和散射以及边界壁面的发射、吸 收和反射过程作概率模拟，通过概率模拟跟踪每个能束的发射、吸收、散射和反 射的情况，直到被完全吸收为止，并统计每个微元吸收能束的数目。它是一种处 理复杂边界、参与介质各向异性的条件下最有效的方法。蒙特卡洛法运行的所有 困难完全依托于计算机，即使对模型的精度要求不高，计算量也相当大【20 。1 9 8 1 年，br6 6xym 0e 等人建立了包括烧成带燃烧气体混合的不均匀系数及不同 温度下燃烧气体化学反应平衡常数的烧成带数学模型【2 1 1 。e n u n e r i c h 用第二类边界 条件下的一维导热来简化烧成中形状简单的陶瓷坯体，并用数值解的方法求得控 制数学模型的解，从而获得了烧成曲线对坯体内部温度场影响的定量数据【2 2 1 ， s p e c h t 贝, l j 采用分析解和大傅立叶数近似解的方法求得陶瓷坯体烧成数学模型的解 1 2 3 。d u g w e l l 等则将窑内气流简化简单的柱状气流，认为窑内每断面都呈现出均 匀的气流温度、成分和传热速度，再通过模拟试验来确定这些数据【2 4 1 。h a r a t o s h o i c h i 等模拟了大型工程陶瓷器件的烧结过程【2 5 1 。d p s h e l l e y 利用电子计算机， 编制了瞬变热流计算程序，并利用这个技术编制了间歇窑整个烧成曲线的计算程 序1 2 6 1 。h m w u n i e r 等对有纤维内衬，并且使用了轻质材料窑车的间歇窑进行了模 拟，得到了烧成过程的蓄热和燃料消耗情况1 27 。澳大利亚的b o y d 和l o w e ( 1 9 8 6 ) 对5 6 0 m w 塔式切向燃烧锅炉进行了模拟，气相场用s i m p l e 方法求解k - e x 2 方程紊流 模型，用拉格朗同颗粒轨道法对煤粉颗粒运动做了模拟，用随机法对其在炉膛内 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的扩散分布进行了描述，两项耦合用了p i s o 法，并分别计算了煤热解，挥发分燃 烧和焦炭燃烧。炉内辐射换热用了离散辐射法。为了验证模拟计算，b o y d 将其结 果与实际炉子的冷态流场进行了比较【2 引。 1 9 8 8 年德国斯图加特大学的g o m e r 对侧墙有8 个切向进风燃烧器的炉膛( 燃 褐煤) 内的三维两相流动、传热与燃烧过程进行了数值模拟，气相场的求解运用将 泊松方程的直接解法和压力修正进行结合，辐射传热分别采用六通量热流模型和 半随机的m o n t e c a r l o 法进行计算比较，分别预报了速度场、压力场、热流分布 等。后两者与实测有共同的定性趋势【2 9 1 。1 9 8 8 年f i v e l a n d 等人用其开发的f u r m o 程序对5 6 0 m w 电站锅炉进行了流动、传热和燃烧的模拟，得到了一些热态燃烧 的有益结果【3 0 】。1 9 8 9 年s m i t h ，d e m i c h e l e 对煤粉燃烧模型和炉内辐射传热模型 进行了研究f 3 1 1 1 3 2 1 。 在国内，1 9 8 0 年清华大学的徐旭常用m o n t e c a r l o 法对炉内三维传热过程进 行了数值模拟计算，所预报的炉膛出口烟气平均温度及炉膛水冷壁壁面投射热流 值和实验值基本相符【3 3 1 。1 9 8 4 年华北电力大学孙昭星等对炉内过程进行了数值模 拟计算，其中辐射传热过程的模拟分别采用了m o n t e c a r l o 法和热流法模型 3 4 - 3 6 | 。 1 9 9 2 年上海发电设备成套设计研究所的曹汉鼎等对炉内流动、燃烧、传热过程进 行了藕合模拟计算，其中辐射传热采用m o n t e 。c a r l o 法并用能差迭代，壁面热流 分布的计算结果与实测值作了比较，两者定性上一致，定量上有一定的差别1 3 川。 1 9 9 3 年西安交通大学的郭宏生【3 8 】用离散传递法对实验室7 0 0 7 0 0 4 2 0 0 m m 的 模型炉膛内的辐射传热过程进行了模拟。计算结果无论是炉膛的温度分布，还是 热负荷不均匀系数分布，定性上均与实测一致，但定量上有一定差异。1 9 9 6 年华 中理工大学的徐明厚等【3 9 j 对炉内过程进行了数值模拟计算。其中对辐射传热过程 采用离散传递法进行了数值模拟计算。西安交通大学徐通模教授在煤粉燃烧技术 研究与应用工程中发现煤粉燃烧中存在最佳煤粉浓度和最佳浓淡比的新燃烧理 论，并且首次用理论分析发现四角切圆燃烧锅炉炉内旋转动量流率矩随锅炉容量 的4 3 次方增加的规律等一系列创新性成果【4 叭。西安交通大学张文宏对w 型火焰 锅炉炉内空气动力场进行了实验研究【4 l j 。西安交通大学魏小林根据相似模化原理 对w 型火焰锅炉进行了冷态模型实验研究，并对炉内空气动力场进行了数值计算 1 4 2 1 。上海交通大学的还博文对炉膛内强旋湍流气固两相流动和燃烧进行了数值模 拟，采用经旋流修正优化的气固两相湍流r 占t , p 模型、m a g n u s e m 修正的气相燃 烧e b u a r r h e n i u s 模型、颗粒相似流体模型、煤粉热解挥发和焦炭燃烧模型等， 开发出了一套大型三维程序【4 3 1 。2 0 0 0 年，清华大学的周力行、李力等人用双流体 一轨道模型模拟了四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧。模型基于欧 拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量方程和质量 变化的方程，并使用誓占印两相湍流模型，e b u - a r r h e n i u s 湍流燃烧模型，离散 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 坐标辐射传热模型，煤粉颗粒的水分蒸发，热解挥发模型和焦炭燃烧的扩散一动 力模型等1 4 4 。夏均等【4 5 】用蒙特卡洛法计算了3 3 0 m w 对冲燃烧锅炉炉膛内的温度 分布，得到了较满意的结果。赵永福等【4 6 】主要研究了如何应用蒙特卡洛法模拟轴 对称( 如圆筒形) 炉膛的流动计算。成珂等【47 j 针对蒙特卡洛法计算辐射传热的核 心问题，研究了如何正确模拟辐射过程中发射能束的位置、方向、吸收、散射及 反射方向，提出了以积分概率分布为基础的算法。邢华伟等【4 8 】采用蒙特卡洛法和 区域法相结合的方法对辐射换热进行数值计算，并与有关文献的分析计算结果进 行了比较，证明了此法具有较高的精度。该方法避免了对辐射传播方程的直接模 拟，有效缩短了计算时间，并解决了经典区域难以计算非均匀介质吸收和散射的 问题。赵增武等【4 9 j 也采用此法，对三维封闭空腔内参与性介质的辐射传热进行了 模拟计算，分析了炉膛内比热流参数的分布规律，并将所得温度场分别与单独采 用蒙特卡洛法和区域法所得的结果相比较，证明了采用混合方法得到的结果更合 理、精度及效率更高。 赵新力等建立了辊道窑最优控制数学模型，采取线性规划的改进单纯解法， 得出了目标函数最优的热工参数f 5 们。刘振群等提出了一种隧道窑烧成带及预热带 的按车位从烧成带往预热带计算的数学模型1 5 1 1 ，随后又进行了电热隧道窑的功率 分配模拟，首次对隧道窑数学模型计算机模拟的研究工作【5 2 1 。谷同恩等建立了火 焰隧道窑预热带温差数学模型，并用此模型进行了预热带热工过程的综合计算机 模拟【5 3 1 ，模拟结果表明，料垛码法、窑车蓄热以及吸入冷空气对预热带垂直方向 温差的影响都很重要，但吸入冷空气是最重要的原因。宋嵩在陶瓷窑炉计算机模 拟方面做了大量的工作，他对隧道窑内的窑车结构、热耗、匣钵的计算机模拟， 取得很多成果，为计算机在陶瓷窑炉研究上的应用，奠定了基础1 5 引。吴建青等利 用二维数学模型对墙面砖的素烧过程进行了模拟，并设计了最佳烧成曲线，对窑 炉的设计和操作提出了许多有意义的建议【55 1 。尹虹等应用坯体的热分析的结果建 立了更精确的数学模型，用计算机模拟了墙地砖烧成过程中的内部温度场【56 。张 乙明用计算机模拟方法分析了电瓷制品在烧成过程中的内外温差，得到了各因素 间的定量关系，对产品炸裂原因及缩短烧成周期的可能性进行了分析讨论【57 。 吴建青等研究了梭式窑烧嘴的流量与喷速对窑内对流换热的影响，提出了换 热不均匀度的定义式，推导了入窑气体温度与换热不均匀度的关系，得到了梭式 窑对流换热关系式【5 引。他还分析了梭式窑结构与操作对窑内换热均匀性的影响， 提出了改善窑炉换热均匀性的方法【59 。高晖等利用c f d 软件f l u e n t 5 4 ，构造 了非保形结构化非结构化混合网格，采用标准紊动能紊动能耗散率( k - e ) 模型， 对梭式窑空气动力模型内部紊流流动与传热进行了数值模拟研究，得出了烧嘴射 流的发展过程以及烟气速度场和温度场的分布特征，分析了料垛之间以及料垛局 部换热的不均匀分布特征和成因；结果表明：外围料垛换热较强、内部料垛换热 9 中南火学硕士学位论文 第一章绪论 较弱，造成料垛间换热不均匀。料垛间隙的周期性分布导致料垛周向换热不均匀， 三层烧嘴作用范围不同导致料垛纵向换热不均匀，有关数值模拟结果与文献实验 数据符合较好。在此基础上，提出了调整料垛码法、烧嘴位置和流量匹配等改善 对流换热均匀性的措施，并给出了调整原则1 6 。 不少学者还探讨烧成过程中坯体内部的应力变化。沟部等研究了镁砖烧成过 程中坯体内部的温度与应力变化【6 。w d k i n g e r l y 等计算了无限大平板、圆柱、 圆筒等形状制品的热应力分布和匀速冷却时这些制品的表面与中心的温度差1 6 2 。 高津学从陶瓷材料热应力破坏出发利用计算机模拟确定了材料加热和冷却时所 产生的最大热应力，并确定了不同形状制品在不同边界条件下，急冷时热应力与 几何尺寸及传热条件的关系式【6 3 】，v l a d i r a i rl a c h 等也探讨和计算了墙体材料的热 应力和快速烧成【6 4 1 。刘振群等采用有限元法对隧道窑内面砖素烧过程中内部温度 场进行二维及三维计算机模拟，得出了不同码坯方式及不同烧成方式的料垛内部 最大温差曲线及最大温度梯度曲线，探讨了制订最佳烧成曲线的方法，讨论了合 理码坯烧成方式【6 5 1 。曾令可等也利用三维有限元理论结合红外成像测温技术分析 计算了面转和电瓷生坯的热应力场，并提出了最大无因次热载荷和坯体最大当量 热变形两个新概念6 。 1 4 研究的意义及主要内容 1 4 1 研究的意义 梭式窑作为近年快速发展的窑型，在国内外非常普及，有数据显示在景德镇 地区就有9 8 4 座梭式窑。梭式窑应用广泛，在耐火材料、冶金、陶瓷等行业均有 应用，有较大的研究价值。 梭式窑的结构多样，烧制的产品种类繁多，坯体摆放方式各不相同。前人研 究多针对烧制特定产品的梭式窑进行分析，在窑内温度场方面研究主要集中在坯 体摆放方式、烧嘴位置等对窑内传热的影响上，局部高温点的研究还未见公开报 道，如何解决局部高温点是一个全新的命题。此处研究对象为韶关冶炼厂烧制碳 化硅耐火材料的梭式窑，但研究过程中不涉及制品、坯体摆放方式等因素，具有 一定的通用性，对其它窑炉解决同类问题有着借鉴意义。 梭式窑的研究早期只限于现场测试对原型进行粗略的分析，这种研究还停留 在粗浅的定性水平上，后来应用实体模型相似模拟方法。随着计算机的发展，数 值模拟方法在梭式窑应用起来。但针对梭式窑的数值模拟多是研究内部流动、传 热，涉及燃烧的目前为止还未见到。文中对梭式窑研究中对流动、传热、燃烧均 进行了分析，更贴近实际情况。 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 研究的内容 针对梭式窑烧成低温阶段产生部分局部高温影响产品质量的问题，以韶关冶 炼厂梭式窑为研究对象，分析具体原因并找出解决方法，拟研究的内容如下： ( 1 ) 从结构，影响制品烧成因素方面对梭式窑进行全面分析，研究局部高温点产 生的问题。 ( 2 ) 对韶关冶炼厂梭式窑进行测试，分析该窑低温阶段产生局部高温点的原因， 提出一种设想的改造方案。 ( 3 ) 利用f l u e n t 软件平台对该改造方案进行数值模拟，得到改造方案的最终实 现形式。 中南大学硕士学位论文第二章韶关冶炼厂梭式窑测试分析及火道方案 第二章韶关冶炼厂梭式窑测试分析及火道方案 韶关冶炼厂采用火法炼锌，广泛采用碳化硅质耐火材料用于还原、蒸馏和精 馏过程。碳化硅耐火材料的质量好坏对炼锌有着直接的影响。韶关冶炼厂梭式窑 是由长沙有色院设计的4 3 m 2 气烧梭式窑，该梭式窑升降温曲线如图2 1 。其中对 温度的要求可以分为5 个阶段：低温阶段( 8 0 0 以下) 、中温阶段( 8 0 0 1 2 0 0 ) 、高温阶段( 1 2 0 0 1 4 5 0 ) 、保温阶段( 1 4 5 0 ) 和降温阶段( 1 4 5 0 以 后) 。到第五个阶段就是自然降温，直接关闭烧嘴并开大罗茨风机对窑内吹冷风进 行降温。 - 2 002 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 时间，h 图2 - 1 梭式窑升降温曲线 韶冶自采用梭式窑代替倒焰窑烧制碳化硅耐火材料以来，耐火材料的良品率 有所提高。为提高梭式窑利用效率，韶冶技术人员对梭式窑进行多次结构技术改 造和操作技术改造，比如为了减缓在低温阶段点火之后窑体内气体温度的急剧升 高从而产生大量局部高温点的问题，实施了在低温阶段采用在总共1 4 个的烧嘴中 开启4 个燃烧供热( 如图2 2 ) ，剩余的烧嘴关闭燃气供给并打开空气进口阀门的 方法，从而减缓窑体内气体温度的急剧升高。此方法已取得一定的效果。但仍然 不能完全消除因局部高温点的存在带来的质量问题，造成了资源与能源的浪费。 为了评估在低温阶段局部高温点的现状，2 0 0 6 年1 1 月对韶关冶炼厂梭式窑进行 1 2 o 鲫 柏 幻 1 1 1 1 p 、葑 中南大学硕士学位论文 第二章韶关冶炼厂梭式窑测试分析及火道方案 了温度场测试。 i - - - - - - i _ ji j - _ ji - j j - _ j 2 - 2 低温阶段梭式窑点燃烧嘴布置 图2 - 3 梭式窑剖面图