论文总字数：24153字

摘 要

本文首先对湖北某5000t/d熟料生产线用第四代篦冷机所配置风机热工标定的数据进行整理计算，完成了篦冷机物料平衡和热平衡的计算。然后借助三维实体模拟软件Inventor和计算流体动力学（CFD）软件FLUENT对该水泥厂篦冷机鼓风机管道进行了三维建模和流场模拟，基于CFD数值模拟结果并结合该生产线第四代篦冷机的实际运行情况，研究风量、风压、单位熟料用风量等参数对篦冷机冷却效果及热回收效率的影响规律，明确高效节能风机在水泥厂第四代篦冷机中的应用效果。对风机的节能改造提出合理化建议，达到风机节能高效运行的目的。

关键词：篦冷机；离心风机；数值模拟

Abstract

This paper first collates the thermal calibration data of the fan equipped with the fourth generation grate cooler in a 5000t/d clinker production line in Hubei, and completes the calculation of material balance and heat balance of the grate cooler. Then, with the help of three-dimensional solid simulation software Inventor and computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT, the three-dimensional modeling and flow field simulation of the grate cooler blower pipe of the cement plant are carried out. Based on the results of CFD numerical simulation and combined with the actual operation of the fourth generation grate cooler in the production line, the effects of air volume, air pressure and air volume per unit clinker on the cooling effect and heat recovery efficiency of the grate cooler are studied. To clarify the application effect of high-efficiency and energy-saving fan in the fourth generation grate cooler in cement plant. Reasonable suggestions are put forward for the energy-saving transformation of the fan to achieve the purpose of energy-saving and efficient operation of the fan.

Key Words：grate cooler；centrifugal blower；numerical modeling

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景和研究目的及意义 1

1.2国内外研究动态 2

1.3本文的主要研究内容 3

第2章 篦冷机系统热工标定 5

2.1 篦冷机单项标定数据 6

2.1.1 燃料 6

2.1.2 生料 6

2.1.3 熟料 6

2.1.4 含尘测定 7

2.1.5 风量测定与计算 8

2.1.6 系统表面散热 10

2.2 烟气成分分析与各部位气体参数汇总 11

2.2.1 烟气成分分析 11

2.2.2 窑系统风量数据 12

2.3 篦冷机的风量平衡计算 13

2.3.1 平衡区域 13

2.3.2 收入风量 13

2.3.3 支出风量 13

2.4 篦冷机的热平衡计算 13

2.4.1 平衡区域 13

2.4.2 收入热量 14

2.4.3 支出热量 14

2.4.4 冷却机热平衡计算结果 16

2.5 熟料生产线主要性能指标计算 16

2.6 结果分析 17

2.6.1 离心风机效率 17

2.6.2 离心风机效率影响因素 17

2.6.3 结论分析 19

第3章 离心风机管道数值模拟模型的建立 20

3.1方法和软件简介 20

3.2 离心风机风管几何模型的建立 20

3.3 网格划分和边界层设置 22

3.3 湍流模型 27

3.4 初始边界条件 28

3.4 数值算法 28

第4章 离心风机管道的数值模拟 29

4.1 出口温度和速度 29

4.2 模拟结果分析 29

4.2.1 速度场分析 29

4.3.2 温度场分析 39

第5章 结论与展望 44

5.1 结论 44

5.2 展望 44

参考文献 46

致 谢 48

第1章 绪论

1.1课题背景和研究目的及意义

水泥作为传统制造业之一，必须要坚持走绿色环保发展的道路。在目前我国水泥行业节能改造的项目中，为了保证水泥的高效生产和降低生产成本，对篦冷机的改造十分盛行。篦冷机作为一种热工设备，不仅要对熟料进行骤冷，还应具备有效提高二次风和三次风温度的能力，其需要把从熟料中回收的热量充分利用，是重要的能量回收设备之一^{[1, 2]}。鼓风机的性能和工况是影响篦冷机工作效率的重要因素，为了达到对熟料的最佳冷却效果，减少水泥厂的能耗，第四代篦冷机对配置的离心风机性能的要求也日益增高，因此，需要明确高效节能离心风机的风压、风量、风速及风温等对熟料冷却效率的影响规律，以获取离心风机工作时的最佳运行效果。

离心风机在各种工程领域都有广泛的应用^{[3, 4]}。在水泥工业篦冷机中，离心风机主要用于给篦冷机送风，使熟料急冷，以及将二次风和三次风送至回转窑和分解炉中^[5]。提高热回收效率不仅可以节省燃料，还会提高工厂的产品质量，降低排放水平。离心风机在第三代篦冷机中的应用技术较为成熟，在第四代篦冷机中也得到了很好的应用，但都存在着许多问题。第三代篦冷机在使用时，鼓风机供风不足、风速太慢会使得出冷却机熟料温度较高，若风机配风量偏小，压头偏低，一般采取更换原配风机的方法进行优化^{[6, 7]}。同时，部分水泥厂的第三代冷却机由于使用年限较长，仪器设备出现故障的情况较为突出，会给水泥厂带来不必要的运营和维护成本的支出，故使用第四代篦冷机代替原有的第三代，以获得最佳的生产效果。在目前的水泥生产中大多数厂家使用的都是第四代篦冷机，四代机由于增加了余热发电装置，降低排出废气温度，使能源得到更高效的利用。但回转窑系统中第四代篦冷机也存在由于风机品质不高，冷却效果比较差或是风机压力低，篦床上的熟料对推动棒的压力变大，从而损坏设备，引发一系列故障的问题^{[8, 9]}。在实际生产应用中，风压过高，会造成风机能耗偏大，风机的运行效率低。而当风压没有达到设定值时，风量变小，冷却风穿透能力不足，熟料达不到急冷效果，熟料易结块，导致篦床上出现“红河”和堆“雪人”现象，还会加剧对篦板的磨损^[10]。故使用高效节能的离心风机对熟料进行冷却对第四代篦冷机整体性能的提高至关重要。

除此之外，篦冷机风机群在使用时的产生的噪音问题也引起了广泛关注。华润公司设计布置的风机是敞开式的，工作时产生的噪声较大，会危害相关工作人员的身心健康^[11]。篦冷机风机群噪声产生的原因以及如何去减少这种噪声的产生仍需要更深入的研究。

以上现象的存在，需要我们对鼓风机性能进一步的优化，但目前尚缺乏具体的第四代篦冷机配置风机的应用技术数据，而且此类风机在水泥生产线上应用时的优缺点也未探索清楚。鉴于此，为明确高效节能离心风机在我国水泥行业中的运行状态及运行效果，特开展高效节能离心风机在水泥工业第四代篦冷机中的应用研究。

1.2国内外研究动态

对离心风机研究的目的主要是提高篦冷机中熟料的冷却效率。离心风机风温、风压等参数确定不合理时，篦冷机内会出现熟料的堆积，并影响煅烧熟料的性能。国内外学者对离心风机的研究除了实地勘测数据外，还运用数值模拟分析的方法，划分高质量的网格，与实测数据进行验证，从而得到离心风机对冷却效率的影响规律。

N.A.Madlool^[12]等人经研究得出篦冷机的热回收效率与环境温度成反比的结论，因此篦冷机工作时的环境温度不能太高。刘彬^[13]等人建立了一个篦冷机熟料冷却模型，并通过相关简化和计算来模拟篦冷机内熟料的换热，在matlab中编程求解时，发现了在一定范围内冷却风速和熟料的冷却速度成正比的规律，当风速到达1.5 m/s时，熟料冷却速度到达最大值，之后随着风速的增加冷却速度变化不大。由此可知，离心风机向篦冷机内鼓风时的风速应控制在一个合理的范围，风速过高，不必要的能耗增加；风速过低，则会降低熟料的冷却速度，影响熟料品质。舒超^[14]等人对其公司的冷却机风机进行技术改造时，由于之同一风室两台风机性能不同存在着压差，降低了风机效率，所以将风机进行更换，并重新分配各风室的风机，整体风量大幅度增加，降低了出篦冷机的熟料温度，窑产量有了一定的提高。王俊杰^[15]在研究企业篦冷机运行情况时发现，由于缺少离心风机运行时的风量、风压和效率等具体数据，长期工作后风机的性能不能确定，风机在没有达到预期设定的情况下鼓风，会使篦冷机的冷却效率变差，还会造成能源的浪费。故以风机工作原理为依据，计算得出风机运行时的风量，并与标定风量相比较，判定风机的工作效率和篦冷机的运行状态。如果计算得到的风机总体风量偏大，运行压力小于额定值，则说明此类风机的效率较低，且耗电量高，冷却效果不太理想。

在李大江^[16]对国内风机能耗现状的分析调查中，对300多台风机进行性能测试，得到水泥行业风机效率的分布图。由图1.1可知，在水泥行业风机总体运行效率不高，效率大于80%的风机只占4%，还有10%的风机效率小于50%，大部分风机的效率约在70%左右。风机效率低，预期熟料冷却效果达不到，也会影响工厂的生产效率和生产质量。

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