Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

THE APPLICATION OF COMPUTER SIMULATION FOR THE ENHANCEMENT OF HEAT TRANSFER TO THE GRATE CLINKER COOLER

Trubaev P.A. 1 Ukrainskij V.A. 1 Grishko B.M. 1
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov
Задача интенсификации теплообмена в клинкерном холодильнике – повышение его теплового КПД при максимально возможной скорости охлаждения клинкера. На основании результатов компьютерного моделирования аэродинамических процессов и теплообмена в клинкерном колосниковом холодильнике рассматриваются способы повышения эффективности его работы при изменении диаметра гранул клинкера, соотношения высоты слоя и расхода воздуха в секциях холодильника. Установлено, что КПД холодильника находится вблизи от своего максимального значения при значении температуры клинкера после первой секции, находящемся в интервале 300…500 °С. Внутри этого диапазона соотношение высоты слоя в первой и второй секциях, а также соотношение расхода воздуха в этих секциях на эффективность работы холодильника практически не влияет. Рассмотрено повышение эффективности работы холодильника при устранении избыточного воздуха путем ввода дополнительного аэродинамического сопротивления и двойной продувки воздуха.
The problem of heat transfer in the clinker cooler is to increase its thermal efficiency at maximum cooling rate of clinker. According to the results of computer modeling of aerodynamic and heat transfer processes in the clinker grate cooler, were considered the ways, based on changing of the pellet diameter clinker, correlation of the height of the layer and air consumption in the cooler sections. It is established that efficiency of the cooler is about its maximum value when the temperature clinker after the first section being in the range of 300...500 °C. Within this range, correlation of the height of the layer in the first and second sections, and the correlation of air consumption in that sections do not have impact on efficiency of the cooler in practice. We considered the raise of efficiency of the cooler performance while eliminating excess air, implemented by entry of additional aerodynamic resistance and double air blowing.
granular layer
heat exchange
cement clinker cooler
grate cooler
heat recovery
CFD
ANSYS Fluent
1. Ukrainskij V.A., Trubaev P.A., Grishko B.M., Besedin P.V. (2011), Cement and its Application, no 6, 2011, pp. 95–99.
2. Klassen V.K. (2004), Cement and its Application, no 2, 2004, pp. 39–42.
3. Klassen V.K. (2012), Tehnologija i optimizacija proizvodstva cementa [Production engineering and optimisation of manufacture of cement], Belgorod, рp. 308.
4. Besedin P.V., Trubaev P.A., Panova O.A., Grishko B.M. (2011) Cement and its Application, no 2, 2011, pp. 130–134.
5. Trubaev P.A. (2009), Vestnik BGTU im. V. G. Shuhova, no 1, 2009, pp. 44–48.
6. Ukrainskij V.A., Trubaev P.A. (2013), Science Review, no 8, 2013, pp. 59–64.
7. Bentz D.P., Bognacki C.J., Riding K.A., Villareal V.H. (2011), Concrete International, no 33 (1), 2011, pp. 41–48.
8. Harder J. (2011), ZKG International, Vol. 3, 2011, pp. 32–42.
9. Touil D., Belabed H.F. and Frances C. and Belaadi S. (2005), International Journal of Heat and Technology, vol. 23 (no. 1), 2005, pp. 61–68.
10. Khurana S. and Banerjee, R. and Gaitonde U. (2002), Applied Thermal Engineering, Vol. 22, no. 5, 2002, pp. 485–494
11. Tsamatsoulis D. (2011), World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS), Stevens Point, Wisconsin, USA, pp. 143–147.
12. Turnell Victor J. (2012), http://turnellcorp.com/Publications/WorldCement2012-CFD-Duct Optimization.pdf.
13. Wedel K. (1992), Zement-Kalk-Gips, no 4 (45), 1992, pp. 171–176.

Охлаждение клинкера, выходящего из цементной печи, во многом определяет эффективность процесса обжига и расход топлива. Задача интенсификации теплообмена в клинкерном холодильнике – повышение его теплового КПД при максимально возможной скорости охлаждения клинкера [2–4, 7, 10]. Решение этой задачи наиболее эффективно производить методами компьютерного моделирования [8, 9, 11, 12], но при этом крайне актуальным является задача выбора адекватной модели процесса [1, 9]. Для исследования работы колосникового холодильника использовались результаты физического моделирования теплообмена в слое клинкерных гранул при принудительной фильтрации через него воздуха [1, 5] и компьютерная модель теплообмена при фильтрации воздуха через слой гранул, разработанная в системе Ansys Fluent [6].

Одним из способов регулирования работы холодильника является изменение высоты слоя в секциях. Обычно эта величина составляет 0,15…0,25 м. В работе [2] рекомендуется во второй секции двухсекционого холодильника поддерживать повышенную высоту слоя клинкера – до 0,45 м – с целью интенсификации теплообмена с одновременным уменьшением расхода избыточного воздуха, что приводит к повышению КПД холодильника. Но при увеличении высоты слоя повышается его сопротивление. Поэтому максимальная высота слоя ограничивается давлением, развиваемым промышленными дутьевыми вентиляторами (не более 2500…3000 кПа). При большой высоте слоя он хуже перемешивается и разрыхляется проходящим через него воздухом, что приводит к неравномерному распределению клинкера в слое и снижению эффективности охлаждения клинкера по всей ширине решетки.

Для гранул маленького размера увеличение высоты слоя (при сохранении постоянным расхода воздуха) на тепловой режим работы холодильника практически не влияет. Но при этом увеличивается сопротивление слоя и соответственно потребляемая мощность вентиляторов. Так, при расходе воздуха в холодильнике 2,3 нм3/кг∙кл. (расходе избыточного воздуха 0,5 нм3/кг∙кл.) и высоте слоя 0,15 м расчетное сопротивление слоя составило 1470 Па и потребляемая мощность дутьевыми вентиляторами – 80 кВт. При высоте слоя 0,3 м эти значения равны 2900 Па и 155 кВт. Поэтому при небольших диаметрах гранул необходимо поддерживать минимально возможную высоту слоя. Но при увеличении диаметра гранул увеличение высоты слоя приводит к более эффективному охлаждению.

На рис. 1 представлены режимы работы двухсекционного холодильника при различном соотношении перепада давлений в первой и второй секциях.

pic_33.wmf

Рис. 1. Режим работы двухсекционного колосникового холодильника в зависимости от температуры клинкера после первой секции (температура клинкера после второй секции 70 °С; расход вторичного воздуха 1,8 нм3/кг∙кл; диаметр гранул 0,01 м; производительность 50 т/ч)

Как видно из рис. 1, КПД холодильника находится вблизи от своего максимального значения при значении температуры клинкера после первой секции, находящемся в интервале 300…500 °С. Внутри этого диапазона соотношение высоты слоя во второй и первой секциях, а также соотношение расхода воздуха в этих секциях на эффективность работы холодильника практически не влияет. Это подтверждает и рис. 2, где приведены режимы работы холодильника при различном соотношении высоты слоя в первой и второй секциях. Но недостатком увеличения высоты слоя в первой секции является снижение скорости охлаждения клинкера в ней. Оптимальное соотношение высоты слоя в первой и второй секциях составляет 0,70…0,75 (или соотношение высоты слоя во второй и первой секциях 1,3…1.4).

pic_34.wmf

Рис. 2. Режим работы двухсекционного холодильника при различном соотношении высоты слоя в секциях (диаметр гранул 0,01 м; расход вторичного воздуха 1,8 нм3/кг∙кл, избыточного – 0,5 нм3/кг; КПД 87,3 %; температура клинкера после второй секции 100 °С; перепад давлений в секциях 2000 Па; производительность 50 т/ч)

Для повышения эффективности работы колосникового холодильника в ряде работ предлагаются мероприятия по снижению объема или устранению избыточного воздуха. Но они должны сопровождаться сохранением температуры клинкера после холодильника, иначе теплота, теряемая ранее с избыточным воздухом, будет теряться с клинкером.

Установка под колосниковой решеткой решетки Веделя [12] создает дополнительное сопротивление и уменьшает объем проходящего через слой воздуха. Это заменяет увеличение высоты слоя, когда скорость колосников до требуемого значения уменьшить невозможно. Подбором определенного сопротивления можно добиться полного устранения избыточного воздуха. Но при этом возрастает температура клинкера после холодильника, из-за чего КПД повышается менее чем на 2 % и уменьшается интенсивность охлаждения в горячей секции (табл. 1).

Таблица 1

Режимы работы двухсекционного клинкерного холодильника с дополнительным сопротивлением в секциях

Дополнительное сопротивление в секции, Па

Температура клинкера после секции, °С

Расход воздуха в секции, нм3/кг кл.

КПД, %

I

II

I

II

I

II

367

87

1,2

1,3

86,8

1000

468

175

0,7

1,1

88,4

1300

367

175

1,2

0,7

88,4

600

600

492

172

0,9

0,9

88,4

Примечание. Высота слоя в первой секции 0,15 м, во второй 0,25 м; перепад давлений в обоих секциях с учетом дополнительного сопротивления 2000 Па; диаметр гранул 0,01 м; производительность 50 т/ч; объем вторичного воздуха 1,8 нм3/кг∙кл.

pic_35.wmf

Рис. 3. Режимы работы двухсекционного клинкерного холодильника производительностью 50 т/ч в зависимости от температуры воздуха на входе (высота слоя в первой (I) и второй (II) секциях: 1 – 0,15 и 0,25 м; 2 – 0,19 и 0,19 м

Устранение избыточного воздуха достигается его многократным продуванием через холодильник. На рис. 3 представлены характеристики колосникового холодильника в зависимости от температуры воздуха на входе, при повышении которой эффективность работы холодильника ухудшается.

В табл. 2 представлены режимы работы двухсекционного холодильника с двойной продувкой воздуха. Рассматриваются два режима – смешение вторичного воздуха с воздухом, поступающим в холодильник (который затем разделяется на горячую и холодную секцию), и с воздухом, поступающим в холодную секцию.

Как видно из табл. 2, при смешении избыточного воздуха с воздухом, идущим в холодную секцию, что используется на практике, КПД холодильника повышается на 2,5 %, но при этом значительно возрастает температура воздуха на входе в холодную секцию и температура клинкера после холодильника. Эти недостатки можно устранить при смешении избыточного воздуха со всем воздухом, поступающим в холодильник, например, пропорциональным разделением избыточного воздуха и направлением его в воздуховоды горячей или холодной секций или направлением избыточного воздуха в общий воздуховод с последующим разделением на воздух горячей и холодной секций.

Таблица 2

Режимы работы двухсекционного клинкерного холодильника с двукратным продуванием воздуха

Высота слоя в секциях, м

Избыточный воздух/воздух, возвращаемый в холодильник

Температура клинкера после секций, °С

КПД, %

Температура воздуха на входе в горячую/холодную секции, °С

I

II

температура, °С

объем, нм3/кг кл.

tab1.wmf

Без двойного продувания

0,15

0,25

111 / –

0,66 / –

88

86,8

20 / 20

tab2.wmf

Смешение избыточного воздуха с воздухом, подаваемым в горячую и холодную секции

0,15

0,20

– / 140

– / 0,75

116

92,5

55 / 55

0,15

0,25

– / 143

– / 0,58

125

92,0

50 / 50

0,15

0,30

– / 146

– / 0,45

131

91,5

45 / 40

tab3.wmf

Смешение избыточного воздуха с воздухом, подаваемым в холодную секцию

0,15

0,20

– / 0,72

– / 178

164

89,2

20 / 114

0,15

0,25

– / 0,56

– / 173

163

89,3

20 / 101

0,15

0,30

– / 0,45

– / 172

162

89,3

20 / 90

Примечание. Диаметр гранул 0,01 м; перепад давлений в обеих секциях 2000 Па; производительность 50 т/ч; объем вторичного воздуха 1,8 нм3/кг∙кл.

При таком варианте, кроме снижения температуры воздуха на входе в холодильник и температуры клинкера после него, на 5 % повышается КПД холодильника (по сравнению с базовым вариантом). Дополнительно регулирование режима работы холодильника может быть произведено путем изменения высоты слоя во второй секции – при ее повышении несколько снижается КПД, но уменьшается и температура воздуха на входе в холодильник.

Выводы

Установлено, что КПД холодильника находится вблизи от своего максимального значения при значении температуры клинкера после первой секции, находящемся в интервале 300…500 °С. Внутри этого диапазона соотношение высоты слоя в первой и второй секциях, а также соотношение расхода воздуха в этих секциях на эффективность работы холодильника практически не влияет.

Рассмотрено повышение эффективности работы холодильника при устранении избыточного воздуха путем ввода дополнительного аэродинамического сопротивления и двойной продувки воздуха. Показано, что двойная продувка может быть осуществлена, если избыточный воздух смешивается не с воздухом, идущим в холодную секцию, а со всем воздухом, поступающим в холодильник.

Рецензенты:

Беседин П.В., д.т.н., профессор кафедры технологии стекла и керамики, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород;

Носов О.А., д.т.н., профессор, проректор по научной работе, НОУ ВПО «Белгородский инженерно-экономический институт», г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 14.10.2013.