淺談回轉(zhuǎn)窯用煤粉燃燒器操作參數(shù)選用和優(yōu)化

1、-. z.淺談回轉(zhuǎn)窯用煤粉燃燒器操作參數(shù)的合理選擇和優(yōu)化1.研究意義回轉(zhuǎn)窯工作原理是利用回轉(zhuǎn)著的窯筒體，不斷旋轉(zhuǎn)帶動固體物料不斷翻滾，以其暴露的新外表與掠過的氣體進展傳熱和傳質(zhì)并產(chǎn)生化學反響由于回轉(zhuǎn)窯的物料是處于堆積態(tài)，窯氣-固、固-固之間的換熱效率就相對較低，研究高溫熱處理條件下回轉(zhuǎn)窯發(fā)生的物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化與傳遞，研究空氣過剩系數(shù)、二次風溫度、外風量比等操作參數(shù)對窯傳熱過程的影響，并對操作參數(shù)進展優(yōu)化，從而求得煙氣、物料、窯外壁沿窯長方向的溫度變化規(guī)律，借此了解煅燒窯溫度分布及爐窯熱工特性，可為優(yōu)化窯的操作參數(shù)提供理論依據(jù)。并對煤粉燃燒器的操作參數(shù)進展優(yōu)化，這對提高回轉(zhuǎn)窯換熱效率、降低回轉(zhuǎn)窯

2、能耗具有重要的意義。水泥熟料燒成反響是指硅酸二鈣與氧化鈣生成的液固相反響。由于水泥熟料強度的主要組成來源是C3S，因此C2S+Ca OC3S的燒成過程對整個煅燒過程具有至關(guān)重要的作用。對 C-S-A-F-MgO系統(tǒng)而言，該反響主要發(fā)生在熔融的液相中，液相出現(xiàn)的溫度約為 1550K1277。燒結(jié)反響的機理可以這樣描述：固相反響生成的 C2S和之前未被反響的 CaO在液相中溶解、擴散并在液相中發(fā)生反響、經(jīng)液相的過飽和及反擴散,最后經(jīng)過再結(jié)晶形成新相 C3S。從傳熱學的角度來說，窯物料因入窯生料表觀分解率為9095，分解吸熱反響所需的熱量很少，公斤熟料約200100千焦，物料升溫吸熱量約為45050

3、0千焦，而熟料礦物形成是以放熱反響為主，設(shè)熟料中C2S占0.20%， C3S占0.60%，C3A占0.08%，C4AF占0.10%，反響過程放熱量約為655千焦?；诟G熟料形成熱根本是一個負值，所以可以認為窯傳熱已不是主要矛盾，而熟料礦物生成的晶格形成和晶體生長所需維持的高溫條件及在燒成帶的停留時間成為矛盾的主要方面。2. 回轉(zhuǎn)窯用燃燒器對性能的要求根據(jù)物料煅燒難易程度、窯的工況調(diào)節(jié)火焰形狀。因此回轉(zhuǎn)窯對煤粉燃燒器的性能要必須易于調(diào)節(jié)。煤粉燃燒形成的火焰形狀應(yīng)是肥瘦適宜的棒槌狀，這樣的火焰形狀可使整個燒成帶具有強而均勻的熱輻射，從而在燒成帶形成致密又穩(wěn)定的窯皮，既可生成質(zhì)量均勻且優(yōu)質(zhì)的水泥熟料

4、，又延長了水泥回轉(zhuǎn)窯耐火磚的使用壽命3. 煤粉燃燒和火焰形成過程煤粒燃燒過程是一個非常復雜的氣固兩相流動與煤粉燃燒共同存在的過程，具體包括了預(yù)熱、揮發(fā)份析出、揮發(fā)份燃燒及焦炭的燃燒。3.1煤粒反響過程：圖1煤粒反響模型3.2火焰的燃燒過程：圖2 火焰燃燒各個階段區(qū)域A區(qū)：黑火頭，長，在該區(qū)域燃料和助燃空氣充分混合，但燃料尚未點燃，處于加熱階段。溫度逐漸上升到600。B區(qū)：火焰的誕生地，揮發(fā)物質(zhì)和助燃輕質(zhì)油析出和燃燒生成CO2和H2O。所達溫度600-1100。A區(qū)和B區(qū)的邊界稱為火焰的起點。C區(qū)：煤燃燒和燃油裂化釋放出碳。溫度上升到1100-1600。D區(qū)：H2和CO2復原反響生成CO和H。溫

5、度上升到高于1600。E區(qū)：H和CO燃燒重新得到CO2和H2O，伴隨有白熾粒子。F區(qū)：燃燒的最后階段，生成CO2和H2O，并伴有過?？諝狻?.3火焰形狀的調(diào)節(jié)火焰粗短的調(diào)節(jié)：增大旋流風出風面積和角度，火焰變粗，同時增大外軸流風的風速，保證外軸流風包裹火焰形狀，即減小外軸風的出風面積，提高外軸風的風速和風壓。標尺直觀判斷：旋流風標尺數(shù)字變大，外軸風標尺數(shù)字變小?；鹧婕氶L的調(diào)節(jié)：減小旋流風出風面積和角度，火焰變細，同時減小外軸流風的風速，保證外軸流風包裹火焰形狀，即增大外軸風的出風面積，減小外軸風的風速和風壓。標尺直觀判斷：旋流風標尺數(shù)字變小，外軸風標尺數(shù)字變大。增加推力意味著供應(yīng)煤管的軸向風更多

6、的能量。增加旋轉(zhuǎn)力意味著增加放射性能量從而增加了氣流量。圖3 火焰調(diào)整示意圖4回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒模型的建立4.1假設(shè)條件回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒數(shù)學模型包括煙氣的紊流、氣體燃燒和輻射現(xiàn)象。這里用到兩個假設(shè)：一是煙氣流動為穩(wěn)態(tài)條件，且窯壓力恒定；二是煙氣按不可壓縮流對待。4.2物理模型回轉(zhuǎn)窯的原型規(guī)格為460m去除燃燒帶襯及窯皮的厚度之后，有效徑為3.4m。模擬區(qū)域取為20m，包括了從窯頭開場至燒成帶完畢的連續(xù)區(qū)域。網(wǎng)格化的回轉(zhuǎn)窯模型：圖4 回轉(zhuǎn)窯模型基于四通道煤粉燃燒器已在新型干法水泥生產(chǎn)線上得以廣泛應(yīng)用，本文也選取四通道煤粉燃燒器進展模擬。四風道煤粉燃燒器的構(gòu)造見圖，選取的計算區(qū)域見圖圖5 燃燒器模型1-

7、外凈風道；2-煤風道；3-凈風道；4-中心風道；5-點火油槍通道4.3煤燃燒模型煤粉由四通道煤粉燃燒器送入，煤粉與高溫空氣在進入窯后進展混合，其燃燒特征符合非預(yù)混燃燒模型，因此煤粉的氣相燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型煤粉的流動用離散相模型來模擬，此模型可以預(yù)測出單個煤粒的運動軌跡離散項的軌跡與氣相連續(xù)方程交替計算也包含了煤粒與氣體間的熱量、動量和質(zhì)量的傳遞4.4輻射模型由于回轉(zhuǎn)窯的輻射換熱主要表達在氣體與顆粒之間。在氣體與煤粉湍流運動的根底上，引入非預(yù)混燃燒模型計算煤粉的燃燒，與此同時耦合計算氣體與煤粉顆粒之間的輻射換熱。4.5初始條件及邊界條件二次風、煤風和凈風進口采用風速邊界條件，根據(jù)實測工況

8、參數(shù)圍直接設(shè)定入窯速度燃燒器的中心風、外凈風出口速度很大，為可壓縮流,進口采用質(zhì)量邊界條件,直接設(shè)定入窯質(zhì)量流率出口采用壓力邊界條件，出口壓力設(shè)定為-70Pa。對于近壁面，以及氣固界面，沿煙氣流動方向采用壁面函數(shù)計算選取的各種初始條件及邊界條件見表：工程風道入口溫度/K入口速度/m/s質(zhì)量流率/kg/s二次風1373.08.422.65一次風中心風361.0116.00.047凈風321.071.00.69煤風385.025.01.086外凈風334.0310.01.48表1 初始條件及邊界條件工程MadAadVadFCad煤粉1.3218.225.7854.7表2 煤的工業(yè)分析%煤粉低位發(fā)熱

9、量 (DAF)為25.27MJ/kg，熱值為1000J/(kgK)，密度為 1.01kg/m3。一次風和二次風為凈空氣，由 21%的氧氣和79%的氮氣組成。5 模擬結(jié)果及分析本文采用同規(guī)格生產(chǎn)線的熱工標定實測參數(shù)作為初始參數(shù)進展計算。著重研究了空氣過剩系數(shù)、外風量比及二次風溫度對窯溫度分布的影響。測試工況下外風量比為 0.47，二次風量為 24.38kg/s，窯頭過?？諝庀禂?shù)為1.12，二次風溫度為1373K窯溫度分布模擬結(jié)果見圖。窯溫度分布的主要影響因素外風量比 R、空氣過剩系數(shù)n、二次風溫度T(K)和旋流角a()的值列在圖下方圖6 模擬工況下窯溫度分布圖由圖6可以看出，火焰形狀呈向外波動的

10、棒槌形，這與從工程經(jīng)歷所知的實際火焰形狀相符。如圖6指示，煤粉在離燃燒器噴嘴較遠的一個窄而短的區(qū)域高溫燃燒，噴嘴附近的煙氣溫度均比擬低，黑火頭較長，這使得實際的燒成帶較短，而使冷卻帶延長，預(yù)熱分解帶也相應(yīng)縮短,這種窯溫度分布會降低窯的有效傳熱面積，因此不能滿足水泥燒結(jié)所需的溫度要求同時由于高溫區(qū)域較小，煤粉極易燃燒不完全，未來得及燃燒的煤?；蛟谖锪先紵?或被物料帶出，還有的甚至被煙氣帶出窯外，造成較大的機械損失及化學不完全燃燒熱損失，甚至出現(xiàn)結(jié)皮、燒損襯料與窯壁等事故回轉(zhuǎn)窯的現(xiàn)場熱工測試結(jié)果也證明了這一點5.1過?？諝庀禂?shù)n對燃燒過程的影響在燃燒器的主要操作參數(shù)中，窯頭空氣過剩系數(shù)對窯火焰形狀

11、及煙氣溫度分布有重要影響，同時也關(guān)系著燃燒器性能的發(fā)揮因此通過調(diào)整空氣過剩系數(shù) n來改善窯火焰形狀及煙氣溫度分布。在 R=0.47， T=1373K， a=15條件下，空氣過剩系數(shù)從 1.0到 1.2的圍變化時窯火焰形狀和煙氣溫度分布情況，結(jié)果見圖 7圖7.1 空氣過剩系數(shù)n=1.0時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖7.2 空氣過剩系數(shù)n=1.05時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖7.3 空氣過剩系數(shù)n=1.12時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖7.4 空氣過剩系數(shù)n=1.2時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖7.17.4是不同空氣過剩系數(shù)時回轉(zhuǎn)窯火焰形狀及煙氣溫度分布情況由圖可知，隨著空氣過剩系數(shù)的增大，高溫區(qū)域逐漸

12、向后移動且變得狹長，平均溫度下降空氣過剩系數(shù) n=1.0時，火焰短而粗，平均溫度較高，火焰長度 11m，熟料燒成溫度有效區(qū)間長度為 6.5m，黑火頭長度3.5m根據(jù)工程經(jīng)歷，回轉(zhuǎn)窯黑火頭的長度一般在 0.5 m-1 m圍為好黑火頭過長，會降低對回轉(zhuǎn)窯的有效傳熱面積，對煅燒不利，進而影響產(chǎn)品質(zhì)量；黑火頭過短，會使出窯熟料溫度過高，導致冷卻機負荷增加，易燒壞噴煤嘴空氣過剩系數(shù)為1.12時，火焰長度為13m，熟料燒成溫度有效區(qū)間長度為 8m，火焰形狀為良好的棒槌狀，但黑火頭長度為4m，長度過長當過?？諝庀禂?shù)n=1.2時，火焰變細變長，火焰平均溫度降低，熟料燒成溫度有效區(qū)間長度為 6m，窯壁區(qū)域煙氣溫

13、度下降，燃燒區(qū)域較長空氣過剩系數(shù)過大造成的長火焰適于在點火烘窯或當窯溫過高、耐火襯有燒損時使用，且過多的助燃空氣還會造成煙氣排放損失空氣過剩系數(shù)n=1.05時，煤粉在燃燒器噴嘴前方燃燒，火焰集中，熟料燒成溫度有效區(qū)間長度為9m，黑火頭長度為 1.0m，符合黑火頭最正確長度為的要求，火焰形狀和長度適中,有利于強化生產(chǎn)，屬于比擬理想的活潑型火焰煤粉燃燒中心溫度高達2000K煤粉燃燒集中在距燃燒器噴嘴較遠處一個窄而短的區(qū)域這使得在燃燒帶較長距離釋放出熱量，可成倍增加燒成帶的長度,成倍提高燒成熟料能力，從而成倍增加窯產(chǎn)量這種火焰尤其適用于新型的干法窯并且可以看到在靠近燃燒器頭部的位置，形成了一個長度適

14、中的低溫區(qū)域，這可以用于冷卻燃燒器的噴嘴，起到保護燃燒器的作用由以上比照結(jié)果可知，空氣過剩系數(shù)對火焰形狀及性能有重要影響，過?？諝庀禂?shù)較小時，火焰粗而短，平均溫度比擬高；當過剩空氣系數(shù)過大時，火焰細而長，火焰平均溫度降低，燃燒區(qū)域變長，且過多的助燃空氣還會延遲煤粉燃燒的時間，這是噴嘴附近煙氣溫度較低，黑火頭較長的主要原因圖中顯示最正確的空氣過剩系數(shù)為 1.05，可根據(jù)窯況在適宜的圍進展調(diào)節(jié)5.2外風量比R對燃燒過程的影響在實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常通過調(diào)節(jié)、外風量的方法來調(diào)節(jié)火焰形狀所以現(xiàn)在研究不同、外風量比時窯火焰形狀、煙氣溫度分布的變化規(guī)律確定空氣過剩系數(shù) n=1.05，在 a=15，T=137

15、3K條件下， R值從0.37到 0.8的圍變化，比擬不同外風量比時窯煙氣溫度分布情況外風量的變化會引起一次風量的變化，通過調(diào)整二次風量來保證1.05的空氣過剩系數(shù)模擬結(jié)果見圖8圖8.1 外風比R=0.37時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖8.2 外風比R=0.47時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖8.3 外風比R=0.6時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖8.4 外風比R=0.37時窯火焰形狀及煙氣溫度分布圖 8.18.4為不同外風量比時窯溫度分布情況雖然旋流風所占比例較小，旋流強度不大，但煤粉噴出后的著火不僅需要靠外風對高溫二次空氣的卷吸作用來預(yù)熱煤粉，而且要與風進展混合由圖 (a)(b)所示，外風量比由0.3

16、7增大到0.47，由于風量的增加使得風速度增加了15m/s，有利于徑向上煙氣和煤粉的混合，但外風量的減小使得外風速度降低了6m/s，降低了外風對高溫二次風的卷吸，但旋流程度大大增強，而卷吸影響相對較小， 0.47的外風量比使得窯高溫區(qū)域在徑向和軸向都能擴展，火焰變粗變短，黑火頭長度適中，可較好地保護燃燒器噴嘴，窯火焰形狀及其溫度分布都能滿足窯頭冷卻帶、燃燒帶的溫度要求，可保證水泥熟料的燒成質(zhì)量保持風量不變，通過降低外風量增大外風量比隨著外風量比進一步增大，由圖 (c)所示,0.6的外風量比，外風道速度降低了 69m/s，圖 (d)所示， 0.8的外風量比使得外風速度降低了129m/s，大大降低

17、了外風對高溫二次風的卷吸作用，延遲了煤粉的點火時間，使火焰變細變長，黑火頭較長，軸向流動和溫度衰減加快，窯溫度分布不利于強化生產(chǎn)可根據(jù)水泥工藝對火焰形狀和溫度分布的要求選擇不同的外風量比。一般地，外風量比不宜過小或過大，根據(jù)模擬結(jié)果，本課題所用的四風道煤粉燃燒器的最正確外風量比為0.47。根據(jù)窯的工況可調(diào)整外風量比的值在 0.47附近。二次風溫度T對燃燒過程的影響在回轉(zhuǎn)窯的主要操作參數(shù)中，二次風起到預(yù)熱煤粉、使煤粉著火的作用，因此二次風的溫度對煤粉的燃燒具有重要作用確定 R=0.47， R=1.05， a=15，二次風溫度取值從1000K到 1550K的圍變化時，比照窯火焰形狀和煙氣溫度分布情

18、況，計算結(jié)果見圖3.8圖 3.8為不同的二次風溫度時窯煙氣溫度分布情況高溫二次風被外風卷吸，把熱量傳遞給一次風與煤粉，進而預(yù)熱并點燃煤粉隨著二次風溫度的提高，煤粉著火位置越靠近噴嘴，火焰形狀變粗變短如圖 (a)和圖 (b)所示，溫度T=1000K與T=1250K時，火焰形狀細長，煤粉燃燒延后，且黑火頭較長， T=1000K時，火焰最高溫度為1600K， T=1250K時，火焰最高溫度為 1800K，都無法到達水泥燒結(jié)所需的溫度要求如圖 (c)所示，溫度T=1373K時，火焰形狀肥瘦適宜，黑火頭長度適中，且最高溫度到達 2000K，火焰溫度分布能夠滿足水泥回轉(zhuǎn)窯的工藝要求二次風溫度再升高，當二次

19、風溫度 T=1550K時，如圖 (d)所示，火焰最高溫度為 1900K，火焰高溫燃燒區(qū)域縮短，火焰溫度分布不符合水泥生產(chǎn)的溫度要求因此，外風量比一定時，二次風溫度過高或過低都不適合，根據(jù)模擬計算，二次風溫度應(yīng)取 1373K與工況條件下相比，優(yōu)化之后的操作參數(shù)為空氣過剩系數(shù)由1.12調(diào)整到了1.05，而二次風溫度與外風量比的值不變。操作參數(shù)優(yōu)化后，黑火頭長度適中，火焰形狀肥瘦適宜，火焰高溫區(qū)域集中，大大提高窯的有效傳熱面積，有利于熟料的強化生產(chǎn)，保證了熟料的燒成質(zhì)量。操作參數(shù)優(yōu)化后窯溫度場、速度場及濃度場對本課題選用的同規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯及其所用的四風道煤粉燃燒器而言，最正確的外風量的比約為0.47，

20、燒成帶過?？諝庀禂?shù)為 1.05，二次風溫度為 1373K，此時燃料煤粉能得到充分的燃燒，窯溫度分布也能滿足水泥熟料燒成的需要1溫度場操作參數(shù)優(yōu)化后回轉(zhuǎn)窯軸向溫度分布見圖 3.9，不同橫截面上的溫度分布見圖3.10。橫截面溫度分布圖3.9為操作參數(shù)優(yōu)化后回轉(zhuǎn)窯軸向溫度分布圖，圖 3.10為參數(shù)優(yōu)化后窯不同橫截面上的溫度云圖。由圖3.9可知窯煤粉燃燒形成的火焰為理想的活潑型火焰，火焰形狀肥瘦適宜，高溫區(qū)域集中，這樣的火焰形狀與溫度分布符合水泥熟料燒成的工藝要求。由圖 3.10可知窯各橫斷面的火焰近似呈圓形，火焰肥瘦與窯壁斷面相適應(yīng)，并能均勻地布滿整個窯斷面?；鹧嫱饫c窯皮之間有一定的空隙，這種火焰

21、對熟料燒成質(zhì)量以及煤粉的燃燒效率都比擬有利，火焰高溫區(qū)域集中在水泥熟料的燒成位置，滿足水泥熟料燒成帶的高溫要求。2速度場速度場可以顯示煤粉與煙氣的運動特性，用于評判煤粉燃燒情況。參數(shù)優(yōu)化之后窯煙氣軸向流動速度見圖 3.11，橫截面上運動速度見圖 3.12。(a) z=0面的速度矢量圖b區(qū)域 1的局部放大圖(c)區(qū)域2的局部放大圖圖 3.11 中心縱切面 z=0上的窯頭速度矢量圖圖3.12 *=1截面速度矢量圖參數(shù)優(yōu)化后窯中心縱切面 z=0上的窯頭速度矢量見圖 3.11， *=1截面速度矢量見圖3.12。由圖 3.11(a)可知回轉(zhuǎn)窯總體速度場分布形態(tài)由雙峰型向單峰型轉(zhuǎn)變。一次風與二次風極大的速

22、度差異使得在燃燒器噴嘴附近一次風對二次風產(chǎn)生強大的卷吸作用，如圖 3.12所示。另外由于燃燒器旋流風引起的離心力作用，在噴嘴附近會形成回流區(qū)，如圖3.11(b)所示，回流區(qū)一方面可以穩(wěn)定火焰形狀，另一方面為燃料與空氣的混合提供了時間。由于二次風與一次風的速度差異太大，在遠離燃燒器的窯壁附近會形成外回流區(qū),如圖3.11(c)所示。外回流區(qū)可以保護窯皮免受高溫氣流的沖刷，從而起到保護窯壁的作用。3濃度場沿窯長方向上 O2、CO、CO2的摩爾濃度分布見圖 3.13，由此可知煤粉燃燒的特性。圖 3.13窯O2、CO、CO2的摩爾濃度分布圖 3.13是窯長方向上O2、CO、CO2的摩爾濃度分數(shù)分布曲線。

23、在這條曲線上出現(xiàn)了一些反映煤粉燃燒機理的特征點，分別用符號a-f表示。在a*=0.5處 CO、CO2摩爾分數(shù)為0，此處煤粉揮發(fā)分開場揮發(fā)，但還未燃燒。在 a和 b(*=1m)之間， CO的濃度迅速增大，并且 O2濃度開場減少， CO2濃度開場增加，說明焦炭開場著火燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生 CO。由此也說明窯黑火頭長度約為1.0 m。在 c*=2m和 d(*=4m)之間出現(xiàn)了O2和 CO2的平緩區(qū)，這是在近壁面處產(chǎn)生的外回流區(qū)造成的，而 CO濃度繼續(xù)增大，這說明在d之前，焦炭燃燒產(chǎn)生的CO速率遠遠大于CO的消耗速率，在 d之后由于焦炭燃燒產(chǎn)生的CO速率小于CO燃燒的消耗速率， CO的摩爾濃度分數(shù)迅速降