一种外热式回转窑污泥热解系统的传热模型计算方法与流程

本发明涉及回转窑技术领域，具体涉及一种外热式回转窑污泥热解系统的传热模型计算方法。

背景技术：

回转窑是一种广泛应用于食品、建材、冶金、化工、环保等行业，对固体物料进行机械、物理或化学处理的回转圆筒类热工设备。根据对窑内物料加热方式的不同，回转窑可分外热式和内热式。

目前，外热式回转窑正在诸如食品干燥等加工环节、催化剂焙烧等工业生产以及固体废物和塑料的热解处理中获得越来越广泛的应用。市政污泥作为城市的主要生活垃圾之一，利用外热式回转窑进行热解的工艺也开始投入实际生产。

但是，现有技术中在利用外热式回转窑进行污泥热解的运行过程中，回转窑内部存在着热效率较低的缺陷，导致污泥热解所需燃料量较高且污泥热解不充分等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述不足，有必要针对上述外热式回转窑内污泥热解进行传热量计算，提供一种外热式回转窑污泥热解系统的传热模型计算方法，利用此计算方法分析污泥颗粒在外热式回转窑内进行热解的热量传递影响因素及变化规律，对外热式回转窑应用于污泥热解的设计改造、燃料利用率均有重要意义。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种外热式回转窑污泥热解系统的传热模型计算方法，所述的外热式回转窑污泥热解系统由双通道组成，其中，外通道为环形烟气通道，作为热源；内通道为圆柱形污泥通道，作为热解对象，整个热解系统的传热过程分解为：窑外换热、窑壁换热和窑内换热，所述的传热模型计算方法包括以下步骤，

s1、计算烟气通道内的对流换热系数h1；

s2、计算烟气通道内的辐射传热系数h2；

s3、计算回转窑内壁面的污泥颗粒上表面的对流换热系数h3和辐射传热系数h4；

s4、计算回转窑内壁与污泥颗粒之间的辐射传热系数h5；

s5、计算回转窑内壁面污泥颗粒下表面的导热系数h6；

s6、计算外热式回转窑污泥热解系统的传热量δq。

进一步地，所述的烟气通道内的对流换热系数h1的计算公式如下，

h1＝d/nu1λg(1)

式中，d为当量直径，λg为烟气通道内换热系数，nu1为烟气通道内烟气的努塞尔数，其值由下式计算，

nu1＝0.023re^0.8pr^0.3(2)

式中，re为雷诺数，pr为普朗特数。

进一步地，所述的烟气通道内热辐射的传热系数h2的计算公式如下，

式中，σ为黑体辐射常数，tg为烟气温度，to为回转窑外壁温度，αg为烟气平均吸收比，εg为烟气平均发射率，αg和εg由下式决定，

式中，ch2o为h2o气体修正系数，cco2为co2气体修正系数，εh2o为h2o气体发射率，εco2为co2气体发射率，αh2o为h2o气体吸收比，αco2为co2气体吸收比，δε为h2o气体与co2气体共存时的发射率修正量，δα为h2o气体与co2气体共存时的修正量，其中，αh2o和αco2通过下式确定，

式中，ph2o为h2o气体分压力，pco2为co2气体分压力，中括号[]的下角码为确定方括号内的量时所用的参量。

进一步地，所述的回转窑内壁面污泥上表面的对流换热系数h3的计算公式如下，

h3＝d/nu2λ1(6)

式中，λ1为回转窑壁面导热系数，nu2为窑内壁面污泥上表面热解气体的努塞尔数，其值可由下式确定，

nu2＝0.664re^0.5pr^0.33(7)

式中，re为雷诺数，pr为普朗特数。

进一步地，所述的回转窑内壁面污泥颗粒上表面的辐射传热系数h4为，

式中，ts1为污泥颗粒上表面温度，ti为回转窑内壁表面温度，εs为污泥颗粒上表面处的系统发射率，其值可通过下式确定：

式中，εs1为污泥颗粒上表面发射率，εi为回转窑内壁发射率，as1为污泥颗粒上表面面积，ai为窑壁表面面积。

进一步地，所述的回转窑内壁与污泥颗粒之间的辐射传热系数h5的计算公式如下，

式中，ts2为污泥颗粒下表面温度，ε's为污泥颗粒下表面处的系统发射率，其值可由下式确定，

式中，εs2为污泥颗粒下表面发射率，εi为回转窑内壁发射率。

进一步地，所述的回转窑内壁面污泥颗粒下表面的导热系数h6的计算公式如下，

式中，h61为回转窑内壁与气膜层的对流换热系数，h62为污泥颗粒与气膜层之间对流换热系数，其中，h61和h62根据下式确定，

式中，λg’为气膜层导热系数，rs为颗粒半径，n为回转窑转速，di为回转窑内径，ds为污泥颗粒直径，v为气膜层粘度。

进一步地，所述的外热式回转窑污泥热解系统的传热量q的计算公式如下，

q＝q1+q2+q3+q4(14)

式中，q1为烟气通道总传热量，q2为回转窑内壁污泥上表面处的传热量，q3为回转窑内壁污泥下表面处的辐射传热量，q4为回转窑内壁污泥下表面处的导热传热量，其中，q1-q4通过下列确定，

式中，do为回转窑外壁直径，lw为回转窑窑长，ls为回转窑内壁污泥颗粒截面弦长，larc为回转窑内壁与单个污泥颗粒接触的平均弧长。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明提供了一种外热式回转窑污泥热解系统的传热模型计算方法，利用此传热模型分析污泥颗粒在外热式回转窑内进行热解的热量传递影响因素及变化规律，对外热式回转窑应用于污泥热解的设计改造、燃料利用率均有重要意义。

附图说明

图1是本发明中外热式回转窑污泥热解系统的结构图；

图2是本发明中外热式回转窑截面图；

图3是本发明中回转窑内壁污泥上表面换热模型；

图4是本发明中回转窑内壁污泥下表面换热模型；

图5是本发明中公开的一种外热式回转窑污泥热解系统的传热模型计算方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开一种外热式回转窑污泥热解系统的传热模型计算方法，如图1所示为一种典型的外热式回转窑污泥热解系统的结构，本发明的计算模型及计算方法适用于此类回转窑。如图2所示为外热式回转窑截面图，图中清楚阐述了烟气通道、窑壁和污泥之间的对在空间上的对应关系，本发明在求解回转窑污泥热解系统传热量的过程中，所有使用的参数和建立的公式均是围绕着此对应关系展开，其具体过程包括下列步骤：

1)计算烟气通道内的对流换热系数h1，参照下列计算公式，

h1＝d/nu1λg(1)

式中，d为当量直径，λg为烟气通道内换热系数，nu1为烟气通道内烟气的努塞尔数，其值可由下式计算，

nu1＝0.023re^0.8pr^0.3(2)

式中，re为雷诺数，pr为普朗特数。

对于不含水分蒸发的污泥热解段：取烟气平均温度550℃，烟气平均流速0.85m/s，烟气密度0.431kg/nm³，烟气运动黏度8.50×10^-5m²/s，烟气的普朗特数pr为0.61，烟气的导热系数0.0699w/(m·k)，通过计算得到窑外壁面对流换热系数h1为3.55w/(m²·k)。

对于含水分蒸发的污泥热解段：取烟气平均温度375℃，烟气平均流速0.67m/s，烟气密度0.548kg/nm³，烟气运动黏度5.67×10^-5m²/s，烟气的普朗特数pr为0.65，烟气的导热系数0.05w/(m·k)，通过计算得到窑外壁面对流换热系数h1为4.07w/(m²·k)。

2)计算烟气通道内的辐射传热系数h2，参照下列计算公式，

式中，σ为黑体辐射常数，tg为烟气温度，to为回转窑外壁温度，αg为烟气平均吸收比，εg为烟气平均发射率，αg和εg可由下式决定，

式中，ch2o为h2o气体修正系数，cco2为co2气体修正系数，εh2o为h2o气体发射率，εco2为co2气体发射率，αh2o为h2o气体吸收比，αco2为co2气体吸收比，δε为h2o气体与co2气体共存时的发射率修正量，δα为h2o气体与co2气体共存时的修正量，其中，αh2o和αco2可通过下式确定，

式中，ph2o为h2o气体分压力，pco2为co2气体分压力，中括号[]的下角码为确定方括号内的量时所用的参量。

烟气成分按标准烟气计算，其中二氧化碳占13％，水蒸气占11％，氮气占76％。烟气总压力为10⁵pa。o2、h2和n2等分子结构对称的双原子气体无发射与吸收辐射能的能力，为辐射透明体，不参与辐射换热。根据烟气温度tg为843.15k，可得，ch2o为1.11，cco2为0.98，εh2o为0.095，εco2为0.098，δε为0.005，最终计算可得εg为0.196。tg和to分别为843.15k和763.15k，通过可得射率；αh2o为0.102，αco2为0.098，δα为0.004，最终计算可得αg为0.206。由此可得，污泥热解段烟气侧的总传热系数h1+h2为20.68w/(m²·k)，水分蒸发段烟气侧的总传热系数h1+h2为12.30w/(m²·k)。

3)计算回转窑内壁面的污泥颗粒上表面的对流换热系数h3，参照下列计算公式，

h3＝d/nu2λ1(6)

式中，λ1为回转窑壁面导热系数，nu2为窑内壁面污泥上表面的努塞尔数，其值可由下式确定，

nu2＝0.664re^0.5pr^0.33(7)

对于不含水分蒸发的污泥热解段取热解气温度431.65℃，热解气体流速0.38m/s，求得换热系数h3为1.41w/(m²·k)，含水分蒸发的污泥热解段不存在热解气体。

4)计算回转窑内壁面的污泥颗粒上表面的辐射传热系数h4，参照下列计算公式，

式中，ts1为污泥颗粒上表面温度，ti为回转窑内壁表面温度，εs为污泥颗粒上表面处的系统发射率,其值可通过下列确定：

式中，εs1为污泥颗粒上表面发射率，εi为回转窑内壁发射率，as1为污泥颗粒上表面面积，ai为窑壁表面面积；

εs1取黑体发射率1，εi取钢材发射率0.52，计算可得εs为0.819。对于污泥热解段，取窑壁温度为366℃，污泥上表面温度260℃，计算得到h4为34.31w/(m²·k)。对于水分蒸发段，取窑壁温度为222℃，污泥上表面温度100℃，计算得到h4为14.10w/(m²·k)。因此，对于不含水分蒸发的污泥热解段通过污泥上表面的总换热系数h3+h4为35.72w/(m²·k)；对于含水分蒸发的污泥热解段通过污泥上表面的总换热系数h3+h4为14.10w/(m²·k)。

5)计算回转窑内壁与污泥颗粒之间的辐射传热系数h5，参照下列计算公式，

式中，ts2为污泥颗粒下表面温度，ε's为污泥颗粒下表面处的系统发射率，其值可由下式确定，

式中，εs2为污泥颗粒下表面发射率，εi为回转窑内壁发射率。

εs2取黑体发射率1，εi取钢材发射率0.52，计算可得εs’为0.52。对于不含水分蒸发的污泥热解段，窑内壁面与外壁面温度相等(366℃)，颗粒表面平均温度取260℃，求得回转窑内壁与污泥颗粒之间的辐射传热系数h5为23.94w/(m²·k)；对于含水分蒸发的污泥热解段，窑内壁面与外壁面温度相等(222℃)，颗粒表面平均温度取338.50℃，求得回转窑内壁与污泥颗粒之间的辐射传热系数h5为9.7w/(m²·k)。

6)计算回转窑内壁面污泥颗粒下表面的导热系数h6，参照下列计算公式，

式中，h61为回转窑内壁与气膜层的对流换热系数；h62为污泥颗粒与气膜层之间对流换热系数。其中，h61和h62可根据下式确定，

式中，λg’为气膜层导热系数；rs为颗粒半径；n为回转窑转速；di为回转窑内径；ds为污泥颗粒直径；v为气膜层粘度。

di为0.5m，颗粒直径为0.006m，回转窑转速0.67r/min。对于不含水分蒸发的污泥热解段，窑内气膜温度与内壁一致(366℃)，计算可得回转窑内壁与气膜层的对流换热系数h61为30.6w/(m²·k)，污泥颗粒与气膜层之间对流换热系数h62为6.96w/(m²·k)，回转窑内壁面污泥颗粒下表面的导热系数h6为5.67w/(m²·k)。对于含水分蒸发的污泥热解段，窑内气膜温度与内壁一致(222℃)，计算可得回转窑内壁与气膜层的对流换热系数h61为20.88w/(m²·k)，污泥颗粒与气膜层之间对流换热系数h62为4.75w/(m²·k)，回转窑内壁面污泥颗粒下表面的导热系数h6为3.87w/(m²·k)。

7)计算外热式回转窑污泥热解系统的传热量δq，参照下列计算公式，

δq＝-q1+q2+q3+q4(14)

式中，q1为烟气通道总传热量，q2为回转窑内壁污泥上表面处的传热量，q3为回转窑内壁污泥下表面处的辐射传热量，q4为回转窑内壁污泥下表面处的导热传热量。其中，q1-q4可通过下列确定，

式中，do为回转窑外壁直径，lw为回转窑窑长，ls为回转窑内壁污泥颗粒截面弦长，larc为回转窑内壁与单个污泥颗粒接触的平均弧长。

回转窑外壁直径为0.506m，回转窑窑长为3.45m，回转窑内壁污泥颗粒截面弦长为0.812m，所有颗粒弧长larc总和为0.9476m。计算可得，烟气通道总传热量q1为2.09×10⁴j，回转窑内壁污泥上表面处的传热量q2为1.06×10⁴j，回转窑内壁污泥下表面处的辐射传热量q3为8297.72j，回转窑内壁污泥下表面处的导热传热量q4为1965.39j。由此可得，外热式回转窑污泥热解系统的传热量δq为-36.89j，结果符合能量守恒定律，因此传热量q1-q4计算结果可靠。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。