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回转窑余热回收系统的设计要求和性能优化
钱寅a，群群b，杜文静a，邢兴林a，林成a
a山东大学热科学与技术研究所，山东济南250061
b清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084
摘要：来自回转窑壳体的热量损失占总能量消耗的一定比例。为了减少热量损失，本文提出了一种带有九个热交换器的实用热回收系统来预热水。我们首先提出了一个数学模型来分析回转窑上几个区域的壳温和热损失率。理论分析和实验测量的整合产生了热交换器的温度和传热速率，即实际系统中九个热交换器的设计要求。其次，形成优化模型来描述设计参数之间的关系，即每个热交换器的传热面积和质量流量，以及系统要求，而不引入任何中间温度。借助拉格朗日乘数法，得到了最优设计参数。最后，研究了实际系统的优化案例。结果表明，热回收系统应满足回转窑化学反应和壳体力学特性的要求。与优化前的值相比，优化后系统所需的总传热面积减少了15.6％。随着总质量流量增加和入口温度降低，所需的传热面积减小，而质量流量分配比保持不变。
关键词：节能回转窑,热回收系统传热面积优化
1.介绍
水泥生产是能源密集度最高的工业流程之一[1,2]。一些装备精良的工厂仍然消耗约3至4 GJ，仅生产一吨水泥[2–4]。与其他工业部门相比，水泥行业消耗了更大比例的能源[4,5]。因此，提高能源效率已成为水泥行业的关键问题之一。近年来，科学家们开发了几种降低能耗的方法，例如热产品的显热回收[6]和用于发电的废气[7,8]。此外，一些研究人员使用能量和火用分析方法来寻找提高能源效率的潜在方法[9–11]。研究结果表明，与工厂的其他部件相比，回转窑、预热器和熟料冷却器具有更大的能量损失和节能潜力[7,10,12]。Atmaca和Yumrutas[5,9]研究了一个实际的水泥厂并发现了在回转窑中发生最高的能量损失。回转窑消耗大量的能量来自于外表面[13,14的热量。一些发现[1,4,7,15]指出这种损失占总热量消耗的5-15％。特别是Chakrabarti[16]调查了菱镁矿工艺的死烧，发现损失较大，占总热耗的24.8％。因此，回转窑的热回收是水泥工业节能的另一种有前途的方法。
弗拉丹[15]设计了一种从窑炉表面回收热量以预热空气的装置，用于燃料燃烧。与预热空气相比，来自外表面的废热被广泛用于加热水[1,17]，区域供热或发电[18]。为了提高热回收性能，一些科学家发明了用于热回收交换器的不同管布置，包括弯管布置[18] 和轴向管布置[17]。另一方面，Caputo等人[1]开发了一种热交换器的数学模型，用于分析作为设备长度函数的经济性能。Soguuml;t等人[17]获得了热回收系统中节省的燃料量，并确保实现了节约资金。这些讨论的重点是优化热交换器的结构和操作参数，以吸收壳体表面的更多热量。但是，窑壳的热损失不应最大化或最小化。更具体地说，来自回转窑的过多热量损失将导致熟料被烧毁并降低水泥的质量，另一方面，热量损失不足会破坏耐火层和外壳[15,17]。因此，窑壳的热损失应保持在设备操作和熟料反应的合适值。从这个观点来看，安装在窑上的热交换器的功能是从壳体吸收一定量的热量，而不是吸收更多的热量。此外，沿回转窑的窑表面的热损失率不均匀[19,20]。因此，具有多个热交换器的热回收系统的设计应满足温度和热损失率的要求。此外，有必要节省热回收系统的投资。
未确定的指数流体的
拉格朗日乘数
密度（kg / m3）
对数平均温差（°C）
导热系数（W /（m·K））
A
b q Dt k
c 垂直于耐火层流动
f 外侧的横截面积
g 烟气
gs 胶水与原料之间的传热率
下标
希腊符号
gw 烟气与内壁之间的传热率
i 第i分支
In 进口
Outi 第i个分支的出口
Rsi 窑壳第i区所需的
Rwi 窑内壁第i区所需的
S 原料
Sh 窑外壳
Shi 窑区外部窑总面积
t 总共
w 内墙
Wi 第i区的内壁
Ws 墙体与原料之间的传热率
W1 窑涂层
W2 耐火层的内侧
未确定的系数
长度（m）
特征长度（m）
质量流量（kg / s）
努塞尔数
热流率（W）
半径（m）
热阻（K / W）
雷诺数
温度（°C）
环境空气温度（°C）
冷流体速度（m / s）
分配比例
传热系数（W /（m2 ·K））
恒压比热（J /（kg·K））
拉格朗日函数
传热面积（m2）
A
cp
F
k k0
l
L
m Nu Q
r
R
Re T
T0
u x
命名法
基于上述分析，我们提出了一种新的实用的热回收系统，该系统具有多个并联的热回收交换器。热回收交换器安装在不同温度和热损失率的外部窑表面上。在本文中，首先通过理论分析和实验测量计算实际系统中热回收交换器所需的温度和传热速率。基于陈和他的同事提出的热阻分析和优化方法[21,22]。然后，分析热回收系统以推导出若干公式，以将设计参数（即每个热交换器的传热面积和质量流率）与系统要求相关联，而不引入任何中间参数，这些是系统优化的物理约束。通过应用拉格朗日乘数法和条件极值原理研究优化案例。优化结果直接给出了最佳设计参数，并且对几种不同系统要求的投资最小。最后，进一步讨论了影响优化结果的一些因素。
2.分析回转窑所需的温度和热损失
图1显示了回转窑中的所有物理和化学过程，包括通过颗粒的传热过程，传质过程和原料的化学反应过程.粒子[2,3,7,11,19,20,23,24]。原料通过回转窑并从逆流烟道气中吸收热量。碳酸盐吸收热量并在800-900°C时分解成氧化物在分解反应区。然后，形成硅酸二钙在1000-1200℃的固-固反应区并准备烧结。最后，水泥熟料在1300-1450℃的熟料反应区中形成[11,19,20]。同时，涂层也会在水泥生产过程中形成窑炉耐火材料。所有化学反应都需要一定的温度和足够的热量。因此，化学反应过程与回转窑中的传热过程密切相关。
图2显示了回转窑的任意横截面中的简化传热模型[19,20,23]。固体材料的能量守恒方程是:
Qs=Qgs Qws （1）
其中Qs是固体材料吸收的热量，Qgs是气体和固体材料之间的传热率，Qws是窑内壁和固体材料之间的传热率。壳体热损失的能量方程是:
Qsh =Qgw - Qws （2）
其中Qsh和Qgw分别是壳体的热损失和气体与窑内壁之间的传热速率。
结合方程式（1）和（2）一起给出烟气携带的热量，计算公式为：
Qg = Qs Qsh （3）
其中Qg 是烟气携带的热量，代表总热量输入。
如公式(1)–(3)所示，总热量输入部分转移到固体材料，而其余部分转移到
图1.回转窑中所有过程的示意图
图2.回转窑横截面中的传热过程
周围环境。固体材料吸收的热量对水泥熟料的质量至关重要，需要控制在一定的量。否则热损失会影响总热量的输入，并对回转窑的安全运行产生重大影响。也就是说，过多的热量损失将导致总热量输入的增加，而热量损失不足将缩短回转窑的寿命。因此，热损失应保持在所需的值。
图.3显示了回转窑横截面中的传热过程，其中热损失率为[25]:
（4）
其中Tw和Tsh分别是内壁和外壳的温度，l代表沿轴向的窑长，lambda;w，lambda;f和lambda;r状态。窑涂层，耐火层和壳层的热导率分别为rw1，rw2，rf和rsh分别是窑涂层，耐火层和壳体内外侧的半径。因此，壳体内壁和外表面之间的热阻R是[11]：
（5）
图3.整个回转窑的传热过程
对于给定的回转窑，结构参数和热导率是预先已知的，即方程式（5）中的热阻R是一个常数。由于化学反应的要求，规定了内壁温度Tw，并且由于壳体的机械特性，壳体Tsh 的外表面温度也是固定的。因此，结合方程式（4）和（5）可以得出热损失Qsh 应该保持一定的值。也就是说，在具有所需壳温和一定热损失率的工作条件下，回转窑将保持长期运行。然而，在实际的回转窑中，壳温度或热损失率并不总是满足要求。在这种情况下，需要安装一些热管理装置，例如回转窑上的一些热交换器，以调节壳体温度和热损失率。因此，所需的壳温度和热损失率是具有热交换器的热回收系统的设计要求。
3.确定实际热回收系统的设计要求和传热特性
3.1.实用热回收系统的几何结构
在这项研究中，我们开发了一个废热回收系统，在回转窑上有九个并联的热交换器，如图所示图4.回转窑长56米，壳径4米。在该系统中，冷流体流入每个热回收交换器以吸收热量，然后流出到主出口管中。
热回收交换器包含二次壳表面和覆盖在窑壳上的水管[26]，它安装在回转窑的九个区域。图5显示了热回收交换器的结构示意图。在热交换器中，安装在二级外壳上的水管分为六个部分。六个部分在窑壳外形成六边形装置。每个部件沿回转窑的轴向有38个水管。收集管用于将一个部件连接到另一个部件。进水集管和出水集管分别安装在热交换器的底部和顶部。
3.2.确定九个热回收交换器设计要求的实验方法
测量没有任何热交换器的回转窑，如图所示图6，以获得壳温度和热损失率。No.1-3，No.4-6和No.7-9区域分别位于熟料反应区，固-固反应区和分解反应区上。
在实验过程中，使用Testo845红外测温仪测量壳Tshi 的外表面温度，范围为-35℃到950℃，误差为plusmn;0.75℃。Testo425风速计用于测量环境空气T0 和空气流量速度范围为20-50℃，速度范围为0-20 m/s，温度误差为plusmn;0.5℃，速度误差为plusmn;0.03 m/s。第i区kshi的传热系数是根据中国标准GB/T 26282-2010和参考文献[27]确定，以及每个地区的面积As
资料编号：[3249]
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