篦冷机内传热机理与实验研究

发布时间：2018-01-10 11:14

本文关键词：篦冷机内传热机理与实验研究　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：篦冷机是新型干法水泥生产工艺流程中的重要设备,其主要作用是快速冷却熟料和余热空气的回收再利用。其底部由固定篦板和活动篦板组成,由回转窑煅烧的高温熟料落在篦床上,在活动篦板的带动下形成一定厚度的料层,冷却空气垂直吹过熟料层对其进行冷却,由此形成的余热空气由回转窑、分解炉、余热锅炉、煤磨等设备进行梯级利用。降低熟料冷却过程的功耗,减小能量传递过程中的不可逆损失,提高回收的余热品质,是实现节能减排的重要途径。因此通过数值模拟获得篦冷机内部传热过程温度场,提高篦冷机冷却系统效率对于篦冷机运行节能降耗有重要意义。篦冷机内部的传热过程是颗粒堆积移动床的强制对流换热问题,熟料在移动冷却过程中受变边界条件影响,因此本文基于运动流体能量微分方程、固定床内能量双方程模型、熵产分析法和遗传算法等对篦冷机内传热过程开展理论和实验研究,并对冷却配风系统开展多目标优化研究。首先,以某5000t/d水泥厂所用篦冷机为实验研究平台,对其运行工况下的热工参数进行测定。实验测定内容包括各风室冷却配风的分布、熟料的质量流量、出入篦冷机的熟料温度以及熟料冷却形成的余热空气的温度和流量,对篦冷机内温度场的分布以及相关运行参数有了初步了解,为数学模型的建立提供了相应的边界条件值,为模型的有效性验证提供了参考依据;对实验测定结果以单位质量熟料为基准对实验结果进行了热平衡校核,验证了实验结果的有效性;对热量流向和热效率的计算表明了篦冷机仍具有很大的研究潜力。然后以单相运动流体能量微分方程为基础,结合颗粒堆积固定床内传热过程能量双方程模型,建立考虑熟料颗粒运动过程中受变边界条件影响的篦冷机内熟料冷却过程能量双方程数学模型,该数学模型适用于大部分颗粒堆积移动床内的气固换热过程,在尽可能符合实际运行工况的情况下对边界条件进行了相应定义。采用基于Taylor展开法的有限差分方法,对能量双方程中各导数项离散化处理,对流项离散为一阶迎风格式,扩散项离散为中心差分格式;采用热平衡法对边界条件进行离散化,由此得到了五点格式的差分代数方程组。根据实验测定的参数以及经验公式对方程组中相应的系数以及边界条件进行赋值,以Matlab2015a软件平台为编程平台,应用Jacobi迭代方法法对差分代数方程组进行编程迭代求解,得到了篦冷机内部熟料冷却过程的数值解,得到了稳态时熟料层内熟料颗粒和冷却空气的温度场分布,将数值结果与实验值对比验证了模型的有效性。对熟料冷却过程数值解的分析结果表明,在所求解的矩形熟料冷却区域内的气固温差均在200℃以上,部分区域在400℃左右且越靠近左下角区域温差越大,最高处在矩形区域的左下角,温差达1200℃,说明了研究熟料冷却过程应用非热平衡条件的必要性;对熟料层厚度相同工况下的不同熟料运动速度进行模拟的结果表明,熟料颗粒和冷却空气高温区范围随熟料运动速度的增加而增大,当熟料颗粒运动速度为0.008m/s时最合理,此时既能保证二三次风的温度以及熟料的冷却要求,又能保证正常的熟料产量;基于堆积床内气固换热和流动经验公式,依据错流换热器比拟,应用熵产分析法和遗传算法,建立篦冷机内传热和流动过程的熵产分析模型,以不同风室的表观空气流速和熟料层厚度为优化变量,提出了基于改进熵产数的篦冷机冷却配风系统多参数优化方法。对熵产公式的定性分析和数量级分析表明,表观空气流速对传热引起的改进熵产数和粘性耗散引起的改进熵产数的作用效果是相互冲突的,而且粘性耗散引起的改进熵产数的数量级远小于传热引起的改进熵产数,粘性耗散引起的熵产在优化过程中很容易被"湮没"。由此,本文提出了以由传热引起的改进熵产数和由粘性耗散引起的改进熵产数为两个单独目标函数的篦冷机冷却配风系统多目标优化新方法。多目标优化后得到了一系列Pareto最优解,对Pareto front的分析表明,采用多目标优化方法之后,由传热引起的熵产和由粘性耗散引起的熵产在优化过程中具有相同的作用,从Pareto最优解中选择使冷却风机功耗最小的最优配风方案,比运行工况进行对比,冷却风机功耗下降约45.52%。并且,多目标优化得到的是一系列最优解,在选择优化结果方面比单目标优化更灵活。对篦冷机冷却配风系统的多目标优化模型分别进行熟料颗粒平均直径、风室数量和入口冷却风温度等参数的敏感度分析,其中对于入口冷却风温度的分析是基于两种余热回收的方案来选择改变空气温度的风室,两种余热回收方案分别是将烟囱内的废热空气重新引入篦冷机前端和中部进行冷却熟料;对不同参数下的多目标优化模型进行计算,从各自的Pareto最优解中选择使冷却风机功耗最小的适用于不同参数下的最优配风方案;然后对得到的最优配风方案分别从冷却风机功耗、回收热量和篦冷机热效率三方面进行对比分析,并讨论了冷却风机功耗随颗粒平均直径变化的原因、冷却风机功耗和回收热量随风室数量变化的原因以及冷却风机功耗随入口冷却风温度变化的原因;对不同参数下的最优配风方案进行对比分析的目的是获得对篦冷机最有利的运行参数,对比分析的结果表明,熟料颗粒直径为0.02m时对篦冷机运行时最有利的;风室数量为9个时是最有效且最经济的;在所研究的冷却空气温度范围内,将废热空气引入到篦冷机前端更经济。搭建了考虑壁面效应的水泥颗粒堆积通道对流换热实验台,通过对不同尺寸水泥颗粒和不同雷诺数下的对流换热过程进行实验测定,拟合出颗粒填充通道内考虑壁面效应的对流换热准则关系式,并与已有文献中的关联式进行对比讨论了其合理性与差异性;通过对通道壁温的测定讨论不同颗粒直径填充时的强化换热效果,实验结果表明,填充较小颗粒的强化换热效果更好。
[Abstract]:This paper studies the heat transfer process in grate cooler by means of numerical simulation , which is based on energy differential equation of moving fluid , mass flow of clinker , the clinker temperature of the grate cooler and the heat transfer process of clinker cooling . In this paper , an entropy production model based on the modified entropy production is presented . The results show that the entropy production caused by heat transfer and entropy production caused by viscous dissipation are more flexible than single objective optimization . The enhanced heat transfer effect of different particle diameters was discussed by measuring the temperature of the channel wall , and the experimental results show that the enhanced heat transfer effect of filling smaller particles is better .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ051.5;TK124

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