預(yù)分解窯工藝流程主要包括：燃燒、傳熱過程，各種氣、固、液的化學(xué)反應(yīng)，熟料的輸送與冷卻過程等。每個(gè)過程都與窯系統(tǒng)中的風(fēng)、煤、料有著密切的關(guān)系，其中用煤量取決于喂料量，系統(tǒng)用風(fēng)量取決于用煤量，而喂料量又取決于風(fēng)、煤構(gòu)成的煅燒狀況，風(fēng)、煤、料之間相互關(guān)聯(lián)，相互制約。因此風(fēng)、煤、料之間的合理匹配是穩(wěn)定燒成系統(tǒng)的熱工制度、提高窯的快轉(zhuǎn)率和系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，提高熟料產(chǎn)質(zhì)量和降低煤耗的關(guān)鍵之一。
本文針對(duì)國內(nèi)某廠實(shí)際生產(chǎn)問題，在重要進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行熱工標(biāo)定，根據(jù)窯爐內(nèi)煤粉燃燒的特點(diǎn)，從實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)出發(fā)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬分解爐與窯內(nèi)氣氛，著重分析窯爐用風(fēng)量匹配關(guān)系，從而為工廠的實(shí)際操作提供借鑒。
1、分解爐內(nèi)三次風(fēng)與窯廢氣的匹配
分解爐是預(yù)分解系統(tǒng)的核心部分，對(duì)于在線分解爐，它匯聚著來自窯內(nèi)含氧量低的窯廢氣和來自冷卻機(jī)含氧量高的三次風(fēng)，氣氛較為復(fù)雜。在風(fēng)、煤、料的匹配上應(yīng)該注意：不同的生料在煤質(zhì)與窯況不變的情況下需要相應(yīng)的溫度匹配；三次風(fēng)與二次風(fēng)的匹配；窯爐用煤量比例的匹配等等，操作上應(yīng)兼顧各種匹配關(guān)系，提高回轉(zhuǎn)窯單位有效容積的產(chǎn)量，為工廠優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗打下基礎(chǔ)。
針對(duì)本旋噴分解爐的特點(diǎn)，在喂料量(360t/h)、喂煤量(窯用煤量10.0 t/h，爐用煤量16.5 t/h，窯爐用煤比38:62)以及窯尾高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)均不變的情況下，單純進(jìn)行了調(diào)整三次風(fēng)門開度的試驗(yàn)，通過現(xiàn)場測(cè)定三次風(fēng)、二次風(fēng)、C1與C5處溫度的變化及預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)氣壓和CO濃度、O2濃度的變化，了解分解爐內(nèi)煤粉的燃燒和生料分解狀況。測(cè)定參數(shù)如表l所示。
表1? 不同開度下的窯系統(tǒng)參數(shù)
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三次風(fēng)門開度/% |
25 |
30 |
45 |
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三次風(fēng)溫/℃ |
845 |
868 |
880 |
|
二次風(fēng)溫/℃ |
951 |
975 |
980 |
|
分解爐溫度/℃ |
878 |
882 |
888 |
|
C5溫度/℃ |
912 |
924 |
928 |
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窯尾負(fù)壓/Pa |
-275 |
-284 |
-293 |
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C5/Pa |
-l361 |
-1385 |
-1412 |
|
C1/Pa |
-5245 |
-5268 |
-5279 |
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CO濃度(C5處)/% |
0.7 |
0.5 |
0.2 |
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CO濃度(電收塵處)/% |
0.04 |
0.02 |
0.00 |
|
O2濃度(C5處)/% |
2.0 |
2.3 |
2.8 |
從表l可以看出，當(dāng)三次風(fēng)門開度減小或增大時(shí)，對(duì)生料分解率的變化有一定的影響，這是因?yàn)槿物L(fēng)門的變化使分解爐內(nèi)煤粉的燃燒氣氛產(chǎn)生變化，這從開度變化前后C0濃度和02濃度的改善可以看出(C5處CO濃度從0.7%降到0.2%O2濃度從2.0%升到2.8%)。同時(shí)觀察分解率的變化發(fā)現(xiàn)：開度30%的比開度25%的分解率提高了1.18%，而開度45%的比開度30%的只提高了0.44%。故對(duì)三次風(fēng)門的開度調(diào)控不宜過大，要綜合考慮出冷卻機(jī)后熱風(fēng)的分配問題(三次風(fēng)門開度過小，C5筒出口溫度與分解爐出口溫度可能出現(xiàn)倒掛，造成結(jié)皮堵塞現(xiàn)象；三次風(fēng)門開度過大，易對(duì)窯內(nèi)供氧不足，煅燒氣氛變差，影響熟料燒成)。同時(shí)隨著三次風(fēng)門的增大，生料分解率提高后，對(duì)窯的負(fù)荷減輕，更有利于熟料的燒結(jié)，進(jìn)而促使了三次風(fēng)溫、二次風(fēng)溫的上升。總體上提高了窯系統(tǒng)的熱利用率，優(yōu)化了熱工制度。
本文進(jìn)一步運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)噴騰分解爐內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，根據(jù)熱工標(biāo)定和化驗(yàn)室測(cè)定，設(shè)定邊界條件及煤粉物理化學(xué)特性分別見表2、表3，對(duì)爐內(nèi)CO、O2和CO2的質(zhì)量份額作了計(jì)算，分析熱態(tài)狀況下分解爐內(nèi)氣相組份場分布值，為工業(yè)分析分解爐內(nèi)的物理化學(xué)過程提供依據(jù)。圖l(a)～(c)表示分解爐中心剖面(y=0)截面上CO、O2和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。
表2? 噴旋分解爐數(shù)值模擬邊界條件
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參數(shù) |
溫度/℃ |
風(fēng)量/(m3/s) |
橫截面積/m2 |
風(fēng)速/(m/s) |
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三次風(fēng) |
1166 |
189.2 |
5.26 |
35.97 |
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窯尾廢氣 |
1473 |
114.28 |
5.51 |
20.73 |
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煤風(fēng) |
323 |
0.562 |
0.0314 |
18/0.79 |
圖1?? 分解爐y=0截面的溫度分布(K)
圖1(a)給出了分解爐中心剖面上氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。可以看出：在分解爐下錐體部位由于二次風(fēng)所含氧量，氧濃度有一峰值(21.8%)；在三次風(fēng)進(jìn)口內(nèi)側(cè)氧濃度有一低谷(1.54%)，凡內(nèi)側(cè)氧濃度較外側(cè)的低，這是由于分解爐下部噴進(jìn)的窯尾煙氣和帶旋流的三次風(fēng)向上流動(dòng)時(shí)主要經(jīng)過爐膛外側(cè)，且由于回流的作用延長了煤粉的停留時(shí)間，氣流中可燃物逐漸燃燒耗氧造成的。
圖1(b)給出了分解爐中心剖面上一氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。可以看出：揮發(fā)份的析出和燃燒是一個(gè)十分迅速的過程，揮發(fā)份只在煤粉進(jìn)入分解爐的局部區(qū)域存在。在二次風(fēng)進(jìn)口內(nèi)側(cè)一氧化碳濃度有一峰值，這是由于在帶旋流的二次風(fēng)作用下，帶煤粉的氣流在該區(qū)域發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，生成CO，并且因回流的作用煤粉在該區(qū)域的停留時(shí)間較長，煤粉基本燃燒完全，具體表現(xiàn)在分解爐Z=25m以上區(qū)域CO的濃度已經(jīng)非常低。
圖1(c)給出了分解爐中心剖面上：氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。可以看出:在三次風(fēng)進(jìn)口內(nèi)側(cè)二氧化碳氧濃度有一峰值且內(nèi)側(cè)二氧化碳濃度較外側(cè)的高，這是由于在該區(qū)域煤粉釋放出的揮發(fā)份和C0與O2的燃燒造成的。
本噴旋分解爐采用旋流增加氣體流動(dòng)的橫向作用和回流，同時(shí)延長了氣流的運(yùn)行跡線，將有利于提高回流率或返混程度，增加物料停留時(shí)間。合理匹配入爐的噴騰氣體(窯風(fēng))和旋轉(zhuǎn)氣體(三次風(fēng))，才能充分發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)，達(dá)到分解爐內(nèi)氣體和物料運(yùn)動(dòng)的最佳狀態(tài)。
2、窯爐內(nèi)風(fēng)與溫度之間的關(guān)系
窯爐內(nèi)不同的位置需要不同的溫度，保持溫度在合理的范圍，首先要嚴(yán)格控制煤的使用，其次更要注意風(fēng)、料的搭配（料與溫度的關(guān)系上文已提到)。風(fēng)與溫度之間相互影響，相互制約。在其它參數(shù)不變的情況下，分析ID風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)預(yù)分解系統(tǒng)內(nèi)溫度及氣體組分等的影響和增濕塔溫度變化對(duì)預(yù)分解系統(tǒng)內(nèi)氣體組分等的影響(分別見表3和表4)。
表3? ID風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響
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組份 |
ID風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 /(r/min) |
C1溫度 /℃ |
分解爐溫 度/℃ |
C5處CO 濃度/% |
C5處O2 濃度/% |
分解率
/% |
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l |
920 |
352 |
872 |
0.5 |
2.0 |
96.85 |
|
2 |
940 |
360 |
865 |
0.3 |
2.4 |
94.52 |
?表4? 增濕塔溫度變化的影響
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組份 |
增濕塔 溫度/℃ |
分解爐 溫度/℃ |
C5處CO 濃度 /% |
C5處O2 濃度/% |
分解率 /% |
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l |
220 |
870 |
0.4 |
2.5 |
96.45 |
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2 |
235 |
865 |
0.7 |
1.9 |
94.70 |
從表3可以看出，隨著ID風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，C1筒出口溫度上升了8℃，這是因?yàn)轱L(fēng)速大小影響著對(duì)流傳熱系數(shù)，風(fēng)速過高，易使風(fēng)料換熱不充分，造成C1出口處溫度偏高，浪費(fèi)熱量。同時(shí)從CO濃度和O2濃度的變化發(fā)現(xiàn)，分解爐內(nèi)的燃燒氣氛變好，但因?yàn)槲锪显陬A(yù)熱器內(nèi)換熱效果變差，進(jìn)分解爐的溫度變低，從而使分解爐內(nèi)溫度從872℃降到865℃，造成生料分解率下降。
本文考察的生料制備工藝為窯尾+立磨型，窯尾煙氣通過增濕塔降溫至烘干原料所需的溫度，大約控制在220℃左右，但有時(shí)因?yàn)槲锪虾枯^大的原因，需要控制更高些。從表4可以看出，對(duì)于風(fēng)機(jī)置于增濕塔之后的情況，增濕塔出口溫度從220℃上升到235℃時(shí)，分解爐內(nèi)的燃燒氣氛變差，C0濃度由0.4%升到0.7%，這是因?yàn)樵鰸袼隹跍囟仍礁撸瑲怏w的密度越小，而風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速不變的情況下單位時(shí)間抽風(fēng)的體積量是恒定的，密度變小，體積變大，單位時(shí)間內(nèi)預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)速相對(duì)變慢，供氧量相對(duì)變少，燃燒氣氛變差，以至影響分解爐內(nèi)溫度和牛料分解率下降。
3、結(jié)論
(1)三次風(fēng)門開度從25%提高到30%，生料分解率提高l.18%，當(dāng)三次風(fēng)門開度提高到45%，生料分解率只提高了0.44%。同時(shí)結(jié)合分解爐中心剖面(y=0)截面上CO、O2和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布分析可知：應(yīng)適當(dāng)調(diào)整三次風(fēng)門的開度，合理匹配二次風(fēng)與三次風(fēng)的用量，才能最佳的改善分解爐內(nèi)煤粉的燃燒氣氛和生料分解狀況，保證生料分解完全。
(2)風(fēng)量應(yīng)與溫度相匹配，當(dāng)ID風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從920r/min提到940r/min，降低了風(fēng)料的對(duì)流傳熱效率，盡管改善了分解爐及窯內(nèi)的煅燒氣氛，但分解爐溫度還是降低了7℃；當(dāng)增濕塔溫度從220℃升高到235℃，預(yù)分解系統(tǒng)的煅燒氣氛變差，分解率下降了1.75%。故根據(jù)生料的率值和細(xì)度，應(yīng)合理匹配溫度和風(fēng)量。