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水泥回转窑内煤粉燃烧温度的计算

2014-04-25陈昌华马娇媚李小燕

水泥技术 2014年3期
关键词:窑内回转窑热值

陈昌华,马娇媚,李小燕

1 引言

随着煤炭资源的日益消耗,近年来用于水泥生产线的煤的热值也在不断下降,品位越来越低。高热值煤和低热值煤对水泥熟料煅烧的影响主要体现在燃烧温度上,计算回转窑内煤粉燃烧温度,可为水泥窑燃用低热值煤提供理论依据。

2 理论燃烧温度

理论燃烧温度是燃料在绝热条件下以理论空气量完全燃烧,不考虑对外做功,烟气可能达到的最高温度[1]。理论燃烧温度可用于比较不同燃料的热值价值和适用范围。

为方便计算,设定煤的干燥无灰基成分为:C:88.00%,H:2.00%,O:8.00%,N:1.00%,S:1.00%。按煤中水分及灰分变化得到两组不同热值的煤,其中一组水分为0,灰分变化,另一组灰分为0,水分变化。环境温度设为20℃,计算煤的理论燃烧温度(见图1)。

计算结果:(1)理论燃烧温度随煤的热值降低而降低,且热值越低,理论燃烧温度随热值降低的幅度越大;(2)相同热值情况下,水分含量高的煤,理论燃烧温度相对低。

3 回转窑内煤粉燃烧温度的计算

3.1 计算原理

回转窑内有燃料燃烧、气固传热、物料反应等复杂的物理化学过程,煤粉在回转窑内的燃烧受到多种因素的影响,计算比较复杂。另外,回转窑内熟料主要为堆积状态,且粒度较大,不属于流体的范畴,难以用CFD软件进行数值模拟计算。

回转窑内热工计算原理为:采用微分法将回转窑划分成若干段,设定各段内的燃烧进度、物料组成、表面散热、换热系数,利用热平衡方程、传热方程和初始条件计算出该段的物料和烟气温度,前一段的计算结果为后一段的输入条件,依次计算整个回转窑内的热工制度。

图1 不同热值的煤对应的理论燃烧温度

图2 计算模型示意图

热平衡方程:对回转窑微分单元进行分布热平衡计算[1],吸热项主要为物料升温吸热、化学反应吸热和表面散热,放热项主要为燃料燃烧放热和气体降温放热,气料传热量、吸热量、放热量相等得到热平衡方程。

传热方程:回转窑内传热是兼有热传导、对流、辐射的综合传热过程,以辐射传热为主。窑内气料传热量采用式(2)计算[2]。

式中:

△x——计算单元,m

△Q——△x段气固传热量,kJ/h

cs——物料比热,kJ/(kg·℃)

cg——气体比热,kJ/(m3(标)·℃)

ms——物料量,kg/h

qg——气体量,m3(标)/h

tx-△x——入口物料平均温度,℃

tx——出口物料平均温度,℃

Tx——入口气体平均温度,℃

Tx-△x——出口气体平均温度,℃

△ϕ——△x单元内表面散热与化学反应吸热之和,kJ/h

△φ——△x单元内燃料燃烧放热,kJ/h

C1——单位长度气料热传导、对流综合传热系数,kJ/(h·℃·m)

C2——单位长度气料辐射传热系数,kJ/(h·℃4·m)

3.2 三种典型煤在回转窑内燃烧温度的计算

采用三种典型热值的煤,干燥无灰基成分相同,收到基灰分相同,水分不同,煤的成分见表1。

由于回转窑内热工制度的影响因素较多,计算中设定了相同的输入条件,以反映不同热值的煤对窑内燃烧温度及物料温度分布的影响。设定生料入窑温度为860℃,出窑熟料温度为1420℃,燃烧空气(一次风加二次风)温度为1050℃,出窑过剩空气系数为1.1,生料入窑分解率为92%,煤灰及熟料的成分见表2。

熟料产量按5500t/d计算,回转窑规格为ϕ4.8m×72m,火砖厚度为220mm,环境温度取20℃,筒体平均温度取280℃。每隔0.1m作为一个计算单位,设定每个单元中的CaCO3分解,C2S、C3A、C4AF、C3S生成的反应进度及煤粉的燃烧速度(窑内化学反应进度和燃烧速度虽与燃烧温度相关,但影响因素很多,计算中进行了假定处理),忽略窑皮厚度不同对传热系数的影响,从窑尾至窑头依次进行热平衡和传热计算,计算结果见图3及表3。

3.3 计算结果分析

3.3.1 窑内最高烟气温度

当计算单元中燃烧放热量大于气固传热量时,气体温度上升,反之则下降,窑内最高烟气温度的位置主要由煤粉燃烧进度决定。对于图3中的煤粉燃烧进度曲线,气体温度的最高值对应的煤粉燃尽度为80%左右,对应窑内位置为距窑尾56m(距窑头18m)左右。对于计算中采用的三种煤,20900kJ/kg、16720kJ/kg、12540kJ/kg热值的煤对应的最高气体温度分别为1984℃、1961℃、1922℃,热值高的煤对应的最高烟气温度相对高。

3.3.2 出窑烟气温度

出窑烟气温度反映烟室温度,烟室温度过高容易导致烟室结皮问题。上述计算中,生料入窑温度、出窑熟料温度及入窑二次风温均设定为相同值,不同热值的煤计算的窑尾烟气温度不同。对于计算中采用的三种煤,在相同的煤粉燃烧进度下,热值低的煤对应的窑尾烟气温度相对高,计算结果见表3。

表1 三种煤的成分

表2 煤灰及熟料成分,%

图3 三种不同热值的煤在窑内燃烧温度分布

表3 窑内热工计算结果

3.3.3 出窑烟气风速

热值低、水分高的煤燃烧产生的烟气量多,出窑烟气风速大。计算结果,1号煤、2号煤、3号煤对应的出窑烟气工况风速分别为7.34m/s、8.23m/s、10.04m/s,3号煤对应的出窑风速是1号煤的1.37倍。出窑风速高,随烟气排出回转窑的粉尘量将增大,回转窑及烟室的压力损失也将增大。另外,窑内风速高,气体停留时间短,不利于煤粉的完全燃尽。

3.3.4 窑内热耗

采用低热值煤时,窑内热耗将增加。对于计算中采用的三种煤,2号煤比1号煤窑内单位熟料热耗增加50.16kJ/kg,3号煤比1号煤增加154.66kJ/kg。由于窑内热耗增加、出窑烟气量增加,而出窑烟气的热焓仅有一部分可在分解炉及预热器中回收利用,整个烧成系统的热耗将相应增加。

4 结语

(1)煤的理论燃烧温度随煤的热值降低而降低,且热值越低,理论燃烧温度随热值降低的幅度越大;热值相同时,水分含量高的煤,其理论燃烧温度相对低。

(2)以三种不同热值的煤作为燃料,对水泥回转窑进行了热平衡和传热计算。在相同的煤粉燃烧进度等设定条件下,热值低的煤,其燃烧最高烟气温度相对低,出窑烟气温度相对高,单位熟料窑内热耗相对高。

[1]胡宏泰,朱祖培,陆纯煊.水泥的制造和应用[M].山东:山东科学技术出版社,1994:221-223.

[2]孙晋涛.硅酸盐工业热工基础[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003:156-159.

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