回转窑内燃料的燃烧

第二章回转窑第五节回转窑内燃料的燃烧回转窑可以采用气体、液体和粉状固体染料。煅烧粘土、高铝熟料和水泥熟料多采用粉状固体燃料—煤粉。煅烧镁石、白云石熟料，由于要求的煅烧温度高，多采用天然气、重油和液化石油气等高热值的燃料。不同的燃料燃烧具有各自不同的特点。一、回转窑用煤的质量要求：回转窑用煤的热值越大越好，灰分越低越好，这样可以有利于达到要求的火焰温度。至于挥发分则要求在一定范围之内，这是因为如果煤的挥发分过低（＜18%），着火缓慢，形成的黑火头过长，使高温部分火焰变短，影响熟料质量;如果挥发分过高（＞30%），火焰变长，同时在对煤进行烘干时，会有一部分挥发分溢出，造成浪费。窑型干燥基灰分（%）干燥基挥发分（%）干燥基低位热值（kj/kg）湿法窑＜2818~30＞21000干法窑＜2518~30＞23000二、煤粉燃烧过程：回转窑煤粉的燃烧设备为单管式烧嘴。（关于燃料的燃烧过程已在《硅酸盐工业热工基础》中燃烧学部分讨论，要课程不再重复）SC2CaOfSC3SC3在回转窑的烧成带，物料进行的主要物理化学反应是吸收生成，这是微吸热反应。为了使生成的反应完全，必须使物料在1400～1450℃的高温下停留一定的时间。回转窑喂煤系统1、燃料在回转窑内燃烧应满足的要求燃料燃烧的火焰温度要达到1600～1800℃；（保持高温）火焰要有适当的长度；（保持物料高温时间）处于适当的位置。（适合SC3的形成的反应）为了使生成SC3的反应完全，使生料烧成熟料并获得较高的产量，燃料在转窑内的燃烧必须满足一定的要求：2、回转窑对入窑煤粉和助燃空气的要求（1）对入窑煤粉的质量要求低热值：kgkJQgDW/20600挥发份：gv=18～30%灰分：gA＜25～30%水分：yW＜1～2%细度：＜15%（0.08mm方孔筛筛余）这些要求都是为了保证烧成带温度和热力强度以及火焰的稳定性而提出的，当采取有效措施（如提高助燃空气温度等）改善燃烧条件时，对煤质的要求也可适当放宽。另外，现国内有不少企业已成功采用无烟煤作为回转窑生产燃料，这是一项目前在水泥行业的新技术，对提高水泥企业经济效益效果显著。（2）对入窑助燃空气的要求煤粉自喷煤管以较高气速（40～80m/s）送入窑内。通过喷煤管输送煤粉的空气，习惯上称为一次风。从安全角度考虑，一般一次风不预热。因此其用量不宜过多，因窑型和燃烧器的不同，其量约占总燃烧空气量的10～30%，大量的二次风由冷却机提供，故已被预热到600～1000℃，它既能回收熟料中的热量，又可促进燃烧反应完全并提高实际燃烧温度。为了确保窑内燃料燃烧完全和燃烧安全，一、二次风用量的总和应略高于理论空气需要量，控制过剩空气系数为1.05～1.10为宜。3、回转窑内的燃烧带与烧成带火焰覆盖的区域，称为燃烧带。火焰中部区域温度高，达1600～1800℃，此时熟料被加热到1300～1450℃，其中有相当量（约25～30%）的组分熔融成液相，粘附在窑内耐火材料的表面上形成一定厚度的粘稠状物料，即俗称的主窑皮。窑内这一区域称为烧成带。通常烧成带的长度用主窑皮的长度来判定。由此可见，烧成带是燃烧带中高温部分。平整的窑皮、合适的厚度和长度，是窑内煅烧制度正常稳定的标志。窑皮的形成还可以保护窑内耐火衬料，延长回转窑的运转周期。4、窑内火焰长度与火焰温度分布（火焰形状）对烧成的影响（1）火焰长度火焰长度及火焰长度对烧成的影响：火焰的长度一般是指从喷煤管口到火焰终止断面的距离，燃烧条件的变化则火焰长度会有很大的变化。火焰长度对烧成工艺影响很大，当发热量一定时，如火焰过长，烧成带的温度就会降低，物料过早出现液相，易引起结圈，此外还会造成不完全燃烧，废气温度会提高，煤耗加大等。相反，火焰过短，高温部分过于集中，容易烧垮窑皮及衬料，不利于窑的长期安全运转。因此，火火焰长度应根据窑的实际操作条件，加以调整与控制。影响窑内火焰长度的因素：有很多。主要有：燃烧速度和窑内气体的流速。燃烧速度：粉煤的细度、煤粉与空气混合情况、一、二次风的温度等因素有关。煤粉粉愈细，或在喷煤管内加装风翅，以加还煤与空气的混合，或提高一、二次空气的温度，均能提高燃烧速度，而使火焰短。风煤的混合速度和均匀程度也是影响燃烧速度的关键。气体流速：主要指一次风一次空气主要供挥发分燃烧，因此一次风量主要决定于煤粉中挥发的含量。挥发分多的煤粉，如一次风量少燃烧速度就减慢，会使火焰拉长。回转窑的直径愈大，一次风速愈高，直么2.5～4.0米的回转窑，一次风速为50～70米/秒。一次风速增加，一方面能增加煤粉单位时间的有效射程，另一方面又使煤粉的燃烧速度加快，燃烧时间缩短，因此在实际操作中，一次风速增加后，火焰变长或变短，应视两者的影响程度而定。（2）火焰温度分布（火焰形状）窑内火焰温度分布，通常是两头低、中间高。热端较低温度区就是窑内的冷却带。煤粉从喷管喷出后，须经过干燥预热至700～800℃才着火燃烧，回转窑中所看到的黑火头就是煤粉从喷出后至着火燃烧前气流所移动的距离。黑火头长则使回转窑的传热面积减小，对产量、质量不利，黑火头过短则冷却带短，熟料离窑的温度提高，增加冷却机的负荷。影响黑火头长度的因素有：煤粉的组成与细度、一次空气的温度和流速、二次风量与风温等。煤粉愈细，煤粉中挥发分的含量越高，提高一次风温，增加一次空气的比例，都会使黑火头缩短。在窑的操作中，应形成适合烧成需要的好火焰，即高温部分较长，黑火头较短，火焰平稳。燃烧器5、煤粉燃烧器（喷嘴）—喷煤管煤粉在窑内的燃烧情况与喷煤管的结构尺寸和参数选择有很大关系。喷嘴的形状和出口尺寸主要影响煤粉和一次风的混合程度和喷出速度。（1）传统喷嘴①传统喷嘴的形状如图所示为常用的几种传统喷嘴。直管型拔哨型缩口型风翅型缩口型：有一节1～6°的缩口（也称拔哨），其作用是使煤粉和空气接触机会增加，混合较好，从而使火焰集中，适用于烟煤。直管型：风煤直线喷出，不利于风煤混合，不利于煤粉充分燃烧。直管型拔哨型缩口型风翅型直管型拔哨型缩口型风翅型目前大多数窑上的喷煤管装成活动的，在操作时可以根据窑内煅烧情况前后移动，以改变喷嘴在窑体中位置。拔哨型：在缩口外再加一节平头，能延长火焰，且使火焰平衡。风翅型：为加速风煤的混合，在喷煤管内加装风翅，翅片与管壁中心线呈7～30°，角度大，火焰短，但流股发生旋转，会扫伤窑皮。直管型拔哨型缩口型风翅型直管型拔哨型缩口型风翅型②喷嘴的直径这种传统简单喷嘴直径可以用下式计算：vVd130.11000式中：d—喷嘴直径，mm；1Vsm/3—一次风用量，v—喷嘴内风速，m/s。在常规情况下，一次空气量约占总空气用量15～20%。10036001GPVVa式中：aVkgm/3—燃烧1kg煤所需实际空气量，N—单位熟料煤耗，kg煤/kg熟料；G—每小时熟料产量kg/h；P—一次空气占总空气用量的百分率。因此例：在下述条件下，计算喷煤管的直径d。G=300吨/日=12500kg/h；=0.2kg煤/kg熟料；【解】v=60m/s10036001GPVVa1003600201250020.08.7sm/3==1.08NvVd130.110006008.130.1=1000=153（mm）此为喷嘴有效内径的估算值。P=20%aVkgm/3=7.8N煤；（2）新型燃烧器（三通道、多通道喷煤管）随着窑外分解技术的发展，窑的单机产量增大以及为了适应煤质的变化，近年来各国水泥设备制造公司对于喷煤管的结构作了大量的开发与研究工作，取得了卓有成效的成就。主要是开发的多通道喷煤管。新型喷煤管很多，共同的特点是喷出的空气分成多股，即内风、外风和煤风，各有不同的风速和方向，从而形成多个通道。最常用的是三通道喷煤管。这种喷煤管，内、外两个通道为净风道，分别称内风和外风。内风通道的出口端装有旋流叶片，所以又称为旋流风。中间通道为输送煤粉的通道，称为煤风。三股风在出口处汇合形成了同轴旋转的复杂射流。操作时通过改变内、外风速和风量的比例，可以灵活调节火焰形状和燃烧强度，以满足窑内煅烧熟料温度分布的要求。当旋风强度大，火焰变得粗而短，高温带会相对更集中。反之，火焰会被拉长。煤风采用浓相低速喷射，通常在保证不发生回火的条件下取接近输送粉料的速度20～30m/s。由于粉粒体的存在强化了射流中的湍流强度，因而改善了煤粉与一、二次风的微观混合。内外净风出口风速可高达75～150m/s。煤风浓度允许有较大波动（经验为3.5～8.0kg煤粉/m3空气）。故在窑用煤量有所变动时，输送煤粉的空气量也可保持稳定不变。这对喷煤管的空气动力学设计是有利的。当喷煤管喷射流动动量很大时，会引射下游区域的高温燃气而形成回流。这种回流一方面会提高上游火焰温度，提高燃烧速度，从而使煤粉着火稳定，另一方面又可能冲淡可燃混合物中氧气含量，使燃烧速度降低，从而增长了火焰长度。另外还有多种形式的喷煤管，其目的是加强风煤混合、一、二次的混合，减少一次风用量，加快燃烧速度。目前我国一些水泥厂采用无烟煤技术，其关键是用好三通道或多通道喷煤管。6、窑的发热能力、燃烧带的热力强度（热力强度也称窑的热负荷）（1）回转窑的发热能力：就是窑单位时间内发出的热量。为了满足生产熟料所需的热量，回转窑必须具有一定的发热能力，其大小为：yDWBQmqQ式中：Q—窑的发热能力，kJ/h；m—窑的小时产量，kg/h；q—熟料烧成热耗，kJ/kg熟料；B—窑小时用煤量，kg/h；yDWQ—煤的应用基低热值，kJ/kg煤。（2）燃烧带的容积热力强度（也称容积热负荷）：——指燃烧带内单位时间、单位容积所发出的热量。显然，提高窑的发热能力，能为回转窑增产创造条件。但发热能力受到燃烧空间的限制，因回转窑燃烧带的容积热力强度是有限的，过高会损坏窑的内衬，会使熟料中液相增多。多数工厂回转窑燃烧带的容积热力强度控制在1.2～1.5×106kJ/m3h左右，个别的也有高达2.1×106kJ/m3h。容积热力强度的计算公式为：142ffvLDQq式中：vq—窑内物料的填充系数，一般为0.06～0.15；—窑内物料的填充系数，一般为0.06～0.15；fD—燃烧带的直径，m；fL—燃烧带的长度，m。燃烧带长度：根据实际生产情况，燃烧带的长度可按下式计算：湿法长窑：带多筒冷却机，带单筒冷却机，fLfD=4.9fLfD=4.2立波尔窑：fLfD=3.2烧成带长度：燃烧带只是烧成带中温度最高的部分，烧成带长度sL可按下式计算：sLfL=（0.60～0.65）（3）燃烧带的表面积热力强度（也称表面积热负荷）和截面积热力强度（也称截面积热负荷）表面积热力强度：燃烧带单位表面积上所发出的热量。截面积热力强度：燃烧带单位截面积上所发出的热量。计算公式分别为：ffFLDQq24fADQq式中：Fq—燃烧带表面积热力强度，kJ/m2h；Aq—燃烧带截面积热力强度，kJ/m2h。FqAq随着窑径增大，、的数值增高。（五）回转窑内的传热回转窑是个高温反应器，因此回转窑的传热问题对于回转窑的产质量至关重要。1、研究回转窑内传热的目的（1）对窑内各带传热机制进行理论分析，从而理解窑的下列因素对传热过程的影响，达到提供调节控制窑内各带传热条件与措施的理论依据。结构参数：如窑的直径、窑型及窑内特殊构件等；操作参数：如气体与物料运动速度，气体、物料及进出口温度；窑的转速；物料在窑内的填充系数等；物性参数：如气体、物料及衬料的导热系数、黑度、热容、密度等；（2）对已投产运行的窑（规格尺寸已知、生产条件相对固定），可根据给定的操作情况通过传热计算，分别求得窑内各带相应点处气体、物料与窑衬的温度，从而绘出沿窑长温度分布曲线，作为评价分析窑内煅烧工艺和热工制度的依据。（3）在设计时根据生料煅烧过程中复杂的物理化学变化所需的总热量和窑内各带高温气体通过各种途径传给物料按单位长度计的传热总量，再结合设计生产条件和烧成工艺要求而确定回转窑的规格和尺寸。2、研究的难度上述要求是对于化学反应器传热计算的一般要求，但对于