水泥回轉窯內煤粉燃燒溫度的計算

陳昌華，馬嬌媚，李小燕

1 引言

隨著煤炭資源的日益消耗，近年來用于水泥生產線的煤的熱值也在不斷下降，品位越來越低。高熱值煤和低熱值煤對水泥熟料煅燒的影響主要體現在燃燒溫度上，計算回轉窯內煤粉燃燒溫度，可為水泥窯燃用低熱值煤提供理論依據。

2 理論燃燒溫度

理論燃燒溫度是燃料在絕熱條件下以理論空氣量完全燃燒，不考慮對外做功，煙氣可能達到的最高溫度[1]。理論燃燒溫度可用于比較不同燃料的熱值價值和適用范圍。

為方便計算，設定煤的干燥無灰基成分為：C：88.00%，H：2.00%，O：8.00%，N：1.00%，S：1.00%。按煤中水分及灰分變化得到兩組不同熱值的煤，其中一組水分為0，灰分變化，另一組灰分為0，水分變化。環境溫度設為20℃，計算煤的理論燃燒溫度（見圖1）。

計算結果：（1）理論燃燒溫度隨煤的熱值降低而降低，且熱值越低，理論燃燒溫度隨熱值降低的幅度越大；（2）相同熱值情況下，水分含量高的煤，理論燃燒溫度相對低。

3 回轉窯內煤粉燃燒溫度的計算

3.1 計算原理

回轉窯內有燃料燃燒、氣固傳熱、物料反應等復雜的物理化學過程，煤粉在回轉窯內的燃燒受到多種因素的影響，計算比較復雜。另外，回轉窯內熟料主要為堆積狀態，且粒度較大，不屬于流體的范疇，難以用CFD軟件進行數值模擬計算。

回轉窯內熱工計算原理為：采用微分法將回轉窯劃分成若干段，設定各段內的燃燒進度、物料組成、表面散熱、換熱系數，利用熱平衡方程、傳熱方程和初始條件計算出該段的物料和煙氣溫度，前一段的計算結果為后一段的輸入條件，依次計算整個回轉窯內的熱工制度。

圖1 不同熱值的煤對應的理論燃燒溫度

圖2 計算模型示意圖

熱平衡方程：對回轉窯微分單元進行分布熱平衡計算[1]，吸熱項主要為物料升溫吸熱、化學反應吸熱和表面散熱，放熱項主要為燃料燃燒放熱和氣體降溫放熱，氣料傳熱量、吸熱量、放熱量相等得到熱平衡方程。

傳熱方程：回轉窯內傳熱是兼有熱傳導、對流、輻射的綜合傳熱過程，以輻射傳熱為主。窯內氣料傳熱量采用式（2）計算[2]。

式中:

△x——計算單元，m

△Q——△x段氣固傳熱量，kJ/h

cs——物料比熱，kJ/（kg·℃）

cg——氣體比熱，kJ/（m3（標）·℃）

ms——物料量，kg/h

qg——氣體量，m3（標）/h

tx-△x——入口物料平均溫度，℃

tx——出口物料平均溫度，℃

Tx——入口氣體平均溫度，℃

Tx-△x——出口氣體平均溫度，℃

△?——△x單元內表面散熱與化學反應吸熱之和，kJ/h

△φ——△x單元內燃料燃燒放熱，kJ/h

C1——單位長度氣料熱傳導、對流綜合傳熱系數，kJ/（h·℃·m）

C2——單位長度氣料輻射傳熱系數，kJ/（h·℃4·m）

3.2 三種典型煤在回轉窯內燃燒溫度的計算

采用三種典型熱值的煤，干燥無灰基成分相同，收到基灰分相同，水分不同，煤的成分見表1。

由于回轉窯內熱工制度的影響因素較多，計算中設定了相同的輸入條件，以反映不同熱值的煤對窯內燃燒溫度及物料溫度分布的影響。設定生料入窯溫度為860℃，出窯熟料溫度為1420℃，燃燒空氣（一次風加二次風）溫度為1050℃，出窯過?？諝庀禂禐?.1，生料入窯分解率為92%，煤灰及熟料的成分見表2。

熟料產量按5500t/d計算，回轉窯規格為?4.8m×72m，火磚厚度為220mm，環境溫度取20℃，筒體平均溫度取280℃。每隔0.1m作為一個計算單位，設定每個單元中的CaCO3分解，C2S、C3A、C4AF、C3S生成的反應進度及煤粉的燃燒速度（窯內化學反應進度和燃燒速度雖與燃燒溫度相關，但影響因素很多，計算中進行了假定處理），忽略窯皮厚度不同對傳熱系數的影響，從窯尾至窯頭依次進行熱平衡和傳熱計算，計算結果見圖3及表3。

3.3 計算結果分析

3.3.1 窯內最高煙氣溫度

當計算單元中燃燒放熱量大于氣固傳熱量時，氣體溫度上升，反之則下降，窯內最高煙氣溫度的位置主要由煤粉燃燒進度決定。對于圖3中的煤粉燃燒進度曲線，氣體溫度的最高值對應的煤粉燃盡度為80%左右，對應窯內位置為距窯尾56m（距窯頭18m）左右。對于計算中采用的三種煤，20900kJ/kg、16720kJ/kg、12540kJ/kg熱值的煤對應的最高氣體溫度分別為1984℃、1961℃、1922℃，熱值高的煤對應的最高煙氣溫度相對高。

3.3.2 出窯煙氣溫度

出窯煙氣溫度反映煙室溫度，煙室溫度過高容易導致煙室結皮問題。上述計算中，生料入窯溫度、出窯熟料溫度及入窯二次風溫均設定為相同值，不同熱值的煤計算的窯尾煙氣溫度不同。對于計算中采用的三種煤，在相同的煤粉燃燒進度下，熱值低的煤對應的窯尾煙氣溫度相對高，計算結果見表3。

表1 三種煤的成分

表2 煤灰及熟料成分，%

圖3 三種不同熱值的煤在窯內燃燒溫度分布

表3 窯內熱工計算結果

3.3.3 出窯煙氣風速

熱值低、水分高的煤燃燒產生的煙氣量多，出窯煙氣風速大。計算結果，1號煤、2號煤、3號煤對應的出窯煙氣工況風速分別為7.34m/s、8.23m/s、10.04m/s，3號煤對應的出窯風速是1號煤的1.37倍。出窯風速高，隨煙氣排出回轉窯的粉塵量將增大，回轉窯及煙室的壓力損失也將增大。另外，窯內風速高，氣體停留時間短，不利于煤粉的完全燃盡。

3.3.4 窯內熱耗

采用低熱值煤時，窯內熱耗將增加。對于計算中采用的三種煤，2號煤比1號煤窯內單位熟料熱耗增加50.16kJ/kg，3號煤比1號煤增加154.66kJ/kg。由于窯內熱耗增加、出窯煙氣量增加，而出窯煙氣的熱焓僅有一部分可在分解爐及預熱器中回收利用，整個燒成系統的熱耗將相應增加。

4 結語

（1）煤的理論燃燒溫度隨煤的熱值降低而降低，且熱值越低，理論燃燒溫度隨熱值降低的幅度越大；熱值相同時，水分含量高的煤，其理論燃燒溫度相對低。

（2）以三種不同熱值的煤作為燃料，對水泥回轉窯進行了熱平衡和傳熱計算。在相同的煤粉燃燒進度等設定條件下，熱值低的煤，其燃燒最高煙氣溫度相對低，出窯煙氣溫度相對高，單位熟料窯內熱耗相對高。

[1]胡宏泰，朱祖培，陸純煊.水泥的制造和應用[M].山東：山東科學技術出版社，1994：221-223.

[2]孫晉濤.硅酸鹽工業熱工基礎[M].武漢：武漢理工大學出版社，2003:156-159.