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+Ca O→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 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% 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 0.5 m-1 m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煤粉的混合，但外风量的减小使得外风速度降低了6m/s，降低了外风对高温二次风的卷吸，但旋流程度大大增强，而卷吸影响相对较小， 0.47的内外风量比使得窑内高温区域在径向和轴向都能扩展，火焰变粗变短，黑火头长度适中，可较好地保护燃烧器喷嘴，窑内火焰形状及其温度分布都能满足窑头冷却带、燃烧带的温度要求，可保证水泥熟料的烧成质量? 保持内风量不变，通过降低外风量增大内外风量比?随着内外风量比进一步增大，由图 (c)所示,0.6的内外风量比，外风道速度降低了 69m/s，图 (d)所示， 0.8的内外风量比使得外风速度降低了129m/s，大大降低了外风对高温二次风的卷吸作用，延迟了煤粉的点火时间，使火焰变细变长，黑火头较长，轴向流动和温度衰减加快，窑内温度分布不利于强化生产?可根据水泥工艺对火焰形状和温度分布的要求选择不同的内外风量比。 一般地，内外风量比不宜过小或过大，根据模拟结果，本课题所用的四风道煤粉燃烧器的最佳内外风量比为0.47。根据窑的工况可调整内外风量比的值在 0.47附近。 3.2.3二次风温度T对燃烧过程的影响 在回转窑的主要操作参数中，二次风起到预热煤粉、使煤粉着火的作用，因此二次风的温度对煤粉的燃烧具有重要作用?确定 R=0.47， R=1.05， a=15°，二次风温度取值从1000K到 1550K的范围内变化时，对比窑内火焰形状和烟气温度分布情况，计算结果见图3.8? 图 3.8为不同的二次风温度时窑内烟气温度分布情况?高温二次风被外风卷吸，把热量传递给一次风与煤粉，进而预热并点燃煤粉?随着二次风温度的提高，煤粉着火位置越靠近喷嘴，火焰形状变粗变短?如图 (a)和图 (b)所示，温度T=1000K与T=1250K时，火焰形状细长，煤粉燃烧延后，且黑火头较长， T=1000K时，火焰最高温度为1600K， T=1250K时，火焰最高温度为 1800K，都无法达到水泥烧结所需的温度要求?如图 (c)所示，温度T=1373K时，火焰形状肥瘦适宜，黑火头长度适中，且最高温度达到 2000K，火焰温度分布能够满足水泥回转窑的工艺要求?二次风温度再升高，当二次风温度 T=1550K时，如图 (d)所示，火焰最高温度为 1900K，火焰高温燃烧区域缩短，火焰温度分布不符合水泥生产的温度要求? 因此，内外风量比一定时，二次风温度过高或过低都不适合，根据模拟计算，二次风温度应取 1373K?与工况条件下相比，优化之后的操作参数为空气过剩系数由1.12调整到了1.05，而二次风温度与内外风量比的值不变。操作参数优化后，黑火头长度适中，火焰形状肥瘦适宜，火焰高温区域集中，大大提高窑的有效传热面积，有利于熟料的强化生产，保证了熟料的烧成质量。 3.2.4操作参数优化后窑内温度场、速度场及浓度场 对本课题选用的同规格的回转窑及其所用的四风道煤粉燃烧器而言，最佳的内外风量的比约为0.47，烧成带过剩空气系数为 1.05，二次风温度为 1373K，此时燃料煤粉能得到充分的燃烧，窑内温度分布也能满足水泥熟料烧成的需要? （1）温度场 操作参数优化后回转窑内轴向温度分布见图 3.9，不同横截面上的温度分布见图3.10。 横截面温度分布 图3.9为操作参数优化后回转窑内轴向温度分布图，图 3.10为参数优化后窑内不同横截面上的温度云图。由图3.9可知窑内煤粉燃烧形成的火焰为理想的活泼型火焰，火焰形状肥瘦适宜，高温区域集中，这样的火焰形状与温度分布符合水泥熟料烧成的工艺要求。由图 3.10可知窑内各横断面的火焰近似呈圆形，火焰肥瘦与窑壁断面相适应，并能均匀地布满整个窑断面。火焰外廓与窑皮之间有一定的空隙，这种火焰对熟料烧成质量以及煤粉的燃烧效率都比较有利，火焰高温区域集中在水泥熟料的烧成位置，满足水泥熟料烧成带的高温要求。 （2）速度场 速度场可以显示煤粉与烟气的运动特性，用于评判煤粉燃烧情况。参数优化之后窑内烟气轴向流动速度见图 3.11，横截面上运动速度见图 3.12。 (a) z=0面的速度矢量图 （b）区域 1的局部放大图 (c)区域2的局部放大图 图 3.11  中心纵切面 z=0上的窑头速度矢量图 图3.12  x=1截面速度矢量图 参数优化后窑内中心纵切面 z=0上的窑头速度矢量见图 3.11， x=1截面速度矢量见图3.12。由图 3.11(a)可知回转窑总体速度场分布形态由“双峰”型向“单峰”型转变。一次风与二次风极大的速度差异使得在燃烧器喷嘴附近一次风对二次风产生强大的卷吸作用，如图 3.12所示。另外由于燃烧器旋流风引起的离心力作用，在喷嘴附近会形成内回流区，如图3.11(b)所示，内回流区一方面可以稳定火焰形状，另一方面为燃料与空气的混合提供了时间。由于二次风与一次风的速度差异太大，在远离燃烧器的窑壁附近会形成外回流区,如图3.11(c)所示。外回流区可以保护窑皮免受高温气流的冲刷，从而起到保护窑壁的作用。 （3）浓度场 沿窑长方向上 O2、CO、CO2的摩尔浓度分布见图 3.13，由此可知煤粉燃烧的特性。 图 3.13窑内O2、CO、CO2的摩尔浓度分布 图 3.13是窑长方向上O2、CO、CO2的摩尔浓度分数分布曲线。在这条曲线上出现了一些反映煤粉燃烧机理的特征点，分别用符号a-f表示。在a（x=0.5）处 CO、CO2摩尔分数为0，此处煤粉挥发分开始挥发，但还未燃烧。在 a和 b(x=1m)之间， CO的浓度迅速增大，并且 O2浓度开始减少， CO2浓度开始增加，表明焦炭开始着火燃烧，燃烧过程中产生 CO。由此也表明窑内黑火头长度约为1.0 m。在 c（x=2m）和 d(x=4m)之间出现了O2和 CO2的平缓区，这是在近壁面处产生的外回流区造成的，而 CO浓度继续增大，这表明在d之前，焦炭燃烧产生的CO速率远远大于CO的消耗速率，在 d之后由于焦炭燃烧产生的CO速率小于CO燃烧的消耗速率， CO的摩尔浓度分数迅速降低，直到 e（x=8m）处降到为 0。在f（x=11.8m）处O2与 CO2的摩尔浓度分数达到平衡，不再发生变化，这表明焦炭燃烧完全，反应结束。 通过对参数优化之后窑内火焰形状及其温度场、速度场及浓度场的分析可知，操作参数优化后煤粉得到充分的燃烧，火焰形状及其温度分布符合水泥工艺的要求，黑火长度适中，可有效保护喷煤嘴，同时保证了水泥熟料的烧成质量。 各操作参数对窑内煤粉燃烧特性及烟气温度分布的影响规律为：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，模拟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；内外风量比过小，不利于径向上高温烟气和煤粉的混合，会延迟煤粉的着火时间，而通过降低外风量来增大内外风量比，值过大时会大大降低了外风对高温二次风的卷吸作用，同样会延迟了煤粉的点火时间，使火焰变细变长，黑火头较长，轴向流动和温度衰减加快，模拟显示最佳的内外风量之比为0.47；在内风、外风速度一定时，二次风温度过低，火焰形状细长，煤粉燃烧延后，且黑火头较长，火焰最高温度无法达到水泥烧结所需的温度要求；二次风温度过高，火焰高温燃烧区域缩短，且黑火头长度增大，火焰温度分布不符合水泥生产的温度要求?由此可知，内外风量比一定时，二次风温度过高或过低都不适合，根据模拟计算，二次风温度应取1373K。窑长方向上的O2、CO、CO2的摩尔浓度分数分布表明窑内煤粉燃烧情况复杂，煤粉燃烧产生的 CO量比较少，这是空气过剩系数、内外风量比相对合理，煤与风混合比较好的结果。且在靠近燃烧器中心区域的内回流区和远离燃烧器的窑壁处形成的外回流区表明燃烧器的生产操作参数和二次风的风速都达到了燃烧所需的要求。