浅谈回转窑用煤粉燃烧器操作参数选用和优化.docx

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浅谈回转窑用煤粉燃烧器操作参数选用和优化

浅谈回转窑用煤粉燃烧器操作参数的

合理选择和优化

1.研究意义

回转窑工作原理是利用回转着的窑筒体，不断旋转带动固体物料不断翻滚，以其暴露的新表面与掠过的气体进行传热和传质并产生化学反应｡由于回转窑内的物料是处于堆积态，窑内气-固、固-固之间的换热效率就相对较低，研究高温热处理条件下回转窑内发生的物质与能量的转化与传递，研究空气过剩系数、二次风温度、内外风量比等操作参数对窑内传热过程的影响，并对操作参数进行优化，从而求得烟气、物料、窑内外壁沿窑长方向的温度变化规律，借此了解煅烧窑内温度分布及炉窑热工特性，可为优化窑的操作参数提供理论依据。

并对煤粉燃烧器的操作参数进行优化，这对提高回转窑内换热效率、降低回转窑能耗具有重要的意义。

水泥熟料烧成反应是指硅酸二钙与氧化钙生成的液固相反应。

由于水泥熟料强度的主要组成来源是C3S，因此C2S+CaO→C3S的烧成过程对整个煅烧过程具有至关重要的作用。

对C-S-A-F-MgO系统而言，该反应主要发生在熔融的液相中，液相出现的温度约为1550K（1277℃）。

烧结反应的机理可以这样描述：

固相反应生成的C2S和之前未被反应的CaO在液相中溶解、扩散并在液相中发生反应、经液相的过饱和及反扩散,最后经过再结晶形成新相C3S。

从传热学的角度来说，窑内物料因入窑生料表观分解率为90～95％，分解吸热反应所需的热量很少，公斤熟料约200～100千焦，物料升温吸热量约为450～500千焦，而熟料矿物形成是以放热反应为主，设熟料中C2S占0.20%，C3S占0.60%，C3A占0.08%，C4AF占0.10%，反应过程放热量约为655千焦。

基于窑内熟料形成热基本是一个负值，所以可以认为窑内传热已不是主要矛盾，而熟料矿物生成的晶格形成和晶体生长所需维持的高温条件及在烧成带的停留时间成为矛盾的主要方面。

2.回转窑用燃烧器对性能的要求

根据物料煅烧难易程度、窑的工况调节火焰形状。

因此回转窑对煤粉燃烧器的性能要求是必须易于调节。

煤粉燃烧形成的火焰形状应是肥瘦适宜的棒槌状，这样的火焰形状可使整个烧成带具有强而均匀的热辐射，从而在烧成带形成致密又稳定的窑皮，既可生成质量均匀且优质的水泥熟料，又延长了水泥回转窑耐火砖的使用寿命｡

3.煤粉燃烧和火焰形成过程

煤粒燃烧过程是一个非常复杂的气固两相流动与煤粉燃烧共同存在的过程，具体包括了预热、挥发份析出、挥发份燃烧及焦炭的燃烧。

3.1煤粒反应过程：

图1煤粒反应模型

3.2火焰的燃烧过程：

图2火焰燃烧各个阶段区域

A区：

黑火头，长0.1-1.0m，在该区域燃料和助燃空气充分混合，但燃料尚未点燃，处于加热阶段。

温度逐渐上升到600℃。

B区：

火焰的诞生地，挥发物质和助燃轻质油析出和燃烧生成CO2和H2O。

所达温度600-1100℃。

A区和B区的边界称为火焰的起点。

C区：

煤燃烧和燃油裂化释放出碳。

温度上升到1100-1600℃。

D区：

H2和CO2还原反应生成CO和H。

温度上升到高于1600℃。

E区：

H和CO燃烧重新得到CO2和H2O，伴随有白炽粒子。

F区：

燃烧的最后阶段，生成CO2和H2O，并伴有过剩空气。

3.3火焰形状的调节

3.3.1火焰粗短的调节：

增大旋流风出风面积和角度，火焰变粗，同时增大外轴流风的风速，保证外轴流风包裹火焰形状，即减小外轴风的出风面积，提高外轴风的风速和风压。

标尺直观判断：

旋流风标尺数字变大，外轴风标尺数字变小。

3.3.2火焰细长的调节：

减小旋流风出风面积和角度，火焰变细，同时减小外轴流风的风速，保证外轴流风包裹火焰形状，即增大外轴风的出风面积，减小外轴风的风速和风压。

标尺直观判断：

旋流风标尺数字变小，外轴风标尺数字变大。

增加推力意味着供给煤管的轴向风更多的能量。

增加旋转力意味着增加放射性能量从而增加了气流量。

图3火焰调整示意图

4回转窑内煤粉燃烧模型的建立

4.1假设条件

回转窑内煤粉燃烧数学模型包括烟气的紊流、气体燃烧和辐射现象。

这里用到两个假设：

一是烟气流动为稳态条件，且窑内压力恒定；二是烟气按不可压缩流对待。

4.2物理模型

回转窑的原型规格为ф4×60m｡去除燃烧带内衬及窑皮的厚度之后，有效内径为ф3.4m。

模拟区域取为20m，包括了从窑头开始至烧成带结束的连续区域。

网格化的回转窑模型：

图4回转窑模型

基于四通道煤粉燃烧器已在新型干法水泥生产线上得以广泛应用，本文也选取四通道煤粉燃烧器进行模拟。

四风道煤粉燃烧器的结构见图，选取的计算区域见图

图5燃烧器模型

1-外净风道；2-煤风道；3-内净风道；4-中心风道；5-点火油枪通道

4.3煤燃烧模型

煤粉由四通道煤粉燃烧器送入，煤粉与高温空气在进入窑内后进行混合，其燃烧特征符合非预混燃烧模型，因此煤粉的气相燃烧模型采用非预混燃烧模型｡

煤粉的流动用离散相模型来模拟，此模型可以预测出单个煤粒的运动轨迹｡离散项的轨迹与气相连续方程交替计算也包含了煤粒与气体间的热量、动量和质量的传递｡

4.4辐射模型

由于回转窑内的辐射换热主要体现在气体与颗粒之间。

在气体与煤粉湍流运动的基础上，引入非预混燃烧模型计算煤粉的燃烧，与此同时耦合计算气体与煤粉颗粒之间的辐射换热。

4.5初始条件及边界条件

二次风、煤风和内净风进口采用风速边界条件，根据实测工况参数范围直接设定入窑速度｡燃烧器的中心风、外净风出口速度很大，为可压缩流,进口采用质量边界条件,直接设定入窑质量流率｡出口采用压力边界条件，出口压力设定为-70Pa。

对于近壁面，以及气固界面，沿烟气流动方向采用壁面函数｡

计算选取的各种初始条件及边界条件见表：

项目

风道

入口温度/K

入口速度/m/s

质量流率/kg/s

二次风

1373.0

8.4

22.65

一

次

风

中心风

361.0

116.0

0.047

内净风

321.0

71.0

0.69

煤风

385.0

25.0

1.086

外净风

334.0

310.0

1.48

表1初始条件及边界条件

项目

Mad

Aad

Vad

FCad

煤粉

1.32

18.2

25.78

54.7

表2煤的工业分析%

煤粉低位发热量（DAF）为25.27MJ/kg，热值为1000J/（kg·K），密度为1.01kg/m3。

一次风和二次风为净空气，由21%的氧气和79%的氮气组成。

5模拟结果及分析

本文采用同规格生产线的热工标定实测参数作为初始参数进行计算。

着重研究了空气过剩系数、内外风量比及二次风温度对窑内温度分布的影响。

测试工况下内外风量比为0.47，二次风量为24.38kg/s，窑头过剩空气系数为1.12，二次风温度为1373K｡窑内温度分布模拟结果见图。

窑内温度分布的主要影响因素内外风量比R、空气过剩系数n、二次风温度T（K）和旋流角a（°）的值列在图下方｡

图6模拟工况下窑内温度分布图

由图6可以看出，火焰形状呈向外波动的棒槌形，这与从工程经验所知的实际火焰形状相符。

如图6指示，煤粉在离燃烧器喷嘴较远的一个窄而短的区域内高温燃烧，喷嘴附近的烟气温度均比较低，黑火头较长，这使得实际的烧成带较短，而使冷却带延长，预热分解带也相应缩短,这种窑内温度分布会降低窑的有效传热面积，因此不能满足水泥烧结所需的温度要求｡同时由于高温区域较小，煤粉极易燃烧不完全，未来得及燃烧的煤粒或在物料内燃烧,或被物料带出，还有的甚至被烟气带出窑外，造成较大的机械损失及化学不完全燃烧热损失，甚至出现结皮、烧损衬料与窑壁等事故｡回转窑的现场热工测试结果也证明了这一点｡

5.1过剩空气系数n对燃烧过程的影响

在燃烧器的主要操作参数中，窑头空气过剩系数对窑内火焰形状及烟气温度分布有重要影响，同时也关系着燃烧器性能的发挥｡因此通过调整空气过剩系数n来改善窑内火焰形状及烟气温度分布。

在R=0.47，T=1373K，a=15°条件下，空气过剩系数从1.0到1.2的范围变化时窑内火焰形状和烟气温度分布情况，结果见图7｡

图7.1空气过剩系数n=1.0时窑内火焰形状及烟气温度分布

图7.2空气过剩系数n=1.05时窑内火焰形状及烟气温度分布

图7.3空气过剩系数n=1.12时窑内火焰形状及烟气温度分布

图7.4空气过剩系数n=1.2时窑内火焰形状及烟气温度分布

图7.1~7.4是不同空气过剩系数时回转窑内火焰形状及烟气温度分布情况｡由图可知，随着空气过剩系数的增大，高温区域逐渐向后移动且变得狭长，平均温度下降｡

空气过剩系数n=1.0时，火焰短而粗，平均温度较高，火焰长度11m，熟料烧成温度有效区间长度为6.5m，黑火头长度3.5m｡根据工程经验，回转窑内黑火头的长度一般在0.5m-1m范围内为好｡黑火头过长，会降低对回转窑的有效传热面积，对煅烧不利，进而影响产品质量；黑火头过短，会使出窑熟料温度过高，导致冷却机负荷增加，易烧坏喷煤嘴｡

空气过剩系数为1.12时，火焰长度为13m，熟料烧成温度有效区间长度为8m，火焰形状为良好的棒槌状，但黑火头长度为4m，长度过长｡当过剩空气系数n=1.2时，火焰变细变长，火焰平均温度降低，熟料烧成温度有效区间长度为6m，窑壁区域烟气温度下降，燃烧区域较长｡空气过剩系数过大造成的长火焰适于在点火烘窑或当窑温过高、耐火内衬有烧损时使用，且过多的助燃空气还会造成烟气排放损失｡

空气过剩系数n=1.05时，煤粉在燃烧器喷嘴前方燃烧，火焰集中，熟料烧成温度有效区间长度为9m，黑火头长度为1.0m，符合黑火头最佳长度为0.5m-1.0m的要求，火焰形状和长度适中,有利于强化生产，属于比较理想的活泼型火焰｡煤粉燃烧中心温度高达2000K煤粉燃烧集中在距燃烧器喷嘴较远处一个“窄而短”的区域｡这使得在燃烧带较长距离释放出热量，可成倍增加烧成带的长度,成倍提高烧成熟料能力，从而成倍增加窑产量｡这种火焰尤其适用于新型的干法窑｡并且可以看到在靠近燃烧器头部的位置，形成了一个长度适中的低温区域，这可以用于冷却燃烧器的喷嘴，起到保护燃烧器的作用｡

由以上对比结果可知，空气过剩系数对火焰形状及性能有重要影响，过剩空气系数较小时，火焰粗而短，平均温度比较高；当过剩空气系数过大时，火焰细而长，火焰平均温度降低，燃烧区域变长，且过多的助燃空气还会延迟煤粉燃烧的时间，这是喷嘴附近烟气温度较低，黑火头较长的主要原因｡图中显示最佳的空气过剩系数为1.05，可根据窑况在合适的范围内进行调节｡

5.2内外风量比R对燃烧过程的影响

在实际生产过程中，经常通过调节内、外风量的方法来调节火焰形状｡所以现在研究不同内、外风量比时窑内火焰形状、烟气温度分布的变化规律｡确定空气过剩系数n=1.05，在a=15°，T=1373K条件下，R值从0.37到0.8的范围内变化，比较不同内外风量比时窑内烟气温度分布情况｡内外风量的变化会引起一次风量的变化，通过调整二次风量来保证1.05的空气过剩系数｡模拟结果见图8｡

图8.1内外风比R=0.37时窑内火焰形状及烟气温度分布

图8.2内外风比R=0.47时窑内火焰形状及烟气温度分布

图8.3内外风比R=0.6时窑内火焰形状及烟气温度分布

图8.4内外风比R=0.37时窑内火焰形状及烟气温度分布

图8.1~8.4为不同内外风量比时窑内温度分布情况｡虽然旋流内风所占比例较小，旋流强度不大，但煤粉喷出后的着火不仅需要靠外风对高温二次空气的卷吸作用来预热煤粉，而且要与内风进行混合｡由图（a）（b）所示，内外风量比由0.37增大到0.47，由于内风量的增加使得内风速度增加了15m/s，有利于径向上烟气和