烧结刚玉用高温竖窑燃烧数值模拟与炉衬结构优化设计

烧结刚玉用高温竖窑燃烧数值模拟与炉衬结构优化设计

高温竖窑作为烧结刚玉生产的主要热工设备,在生产过程中存在能耗高、产品质量不均匀、炉衬结构易毁坏、刚玉生坯易破碎等问题。由于窑内温度高,工作条件苛刻,采用常规的实验手段无法直接开展研究。因此本文采用数值模拟的方法研究窑内天然气的燃烧情况,分析影响温度分布、能耗与产品质量的因素,并对热工工艺参数、燃烧器的布置和颗粒堆积方式进行优化;对炉衬结构进行传热计算和振动模态分析,研究影响炉衬能耗与炉衬寿命的因素,优化炉衬材料和炉衬结构;最后采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了颗粒破碎的临界应力,为竖窑内升降温制度以及出料速度的设定提出建议。研究表明:(1)当天然气与一次空气的比值为1:9时,窑内温度最高;当天然气与一次空气配比为1:12和1:13时,此时窑内温度分布均匀,温度值约为1960℃,适合烧结刚玉煅烧。高温竖窑中,空气过剩系数从6.9增大到12.2的过程中,随着冷却风量的增加,没有促进甲烷的燃烧程度,但窑内温度逐渐降低。当燃烧器在竖直面上向下角度为30°时,此时在煅烧带的温度分布主要区间为1800~1930℃,适合刚玉的煅烧,温度分布均匀,有利于煅烧出质量均匀的刚玉产品。颗粒尺寸和颗粒级配的改变,会影响窑内空隙尺寸和空隙率,随着颗粒直径和空隙率的增大,非预混燃烧火焰高度逐渐降低。(2)当永久层材料采用铝硅质浇注料A时,炉衬保温性能最好,此时炉衬外壁最高温度约为58℃,最低温度约为45℃;U型托圈板可以提高炉衬的固有频率,从而提高炉衬的抗振动性能;当U型托圈板的间距为2.4 m时,此时炉衬抗振动性

能最好。(3)由实验结合数值模拟可知:烧结刚玉生坯的破碎极限温差为380℃,破碎时临界应力约为40 MPa,所以烧结刚玉生坯在窑内升温速度不能过快;烧结刚玉颗粒在温差为680℃的实验条件下没有发生破碎,模拟结果显示此时烧结刚玉颗粒的最大热应力为954 MPa,说明烧结刚玉颗粒强度高,在窑内可以快速降温,快速出料。