預分解窯工藝流程主要包括：燃燒、傳熱過程，各種氣、固、液的化學反應，熟料的輸送與冷卻過程等。每個過程都與窯系統中的風、煤、料有著密切的關系，其中用煤量取決于喂料量，系統用風量取決于用煤量，而喂料量又取決于風、煤構成的煅燒狀況，風、煤、料之間相互關聯，相互制約。因此風、煤、料之間的合理匹配是穩定燒成系統的熱工制度、提高窯的快轉率和系統的運轉率，提高熟料產質量和降低煤耗的關鍵之一。
本文針對國內某廠實際生產問題，在重要進出風口進行熱工標定，根據窯爐內煤粉燃燒的特點，從實際生產數據出發，運用計算流體力學軟件模擬分解爐與窯內氣氛，著重分析窯爐用風量匹配關系，從而為工廠的實際操作提供借鑒。
1、分解爐內三次風與窯廢氣的匹配
分解爐是預分解系統的核心部分，對于在線分解爐，它匯聚著來自窯內含氧量低的窯廢氣和來自冷卻機含氧量高的三次風，氣氛較為復雜。在風、煤、料的匹配上應該注意：不同的生料在煤質與窯況不變的情況下需要相應的溫度匹配；三次風與二次風的匹配；窯爐用煤量比例的匹配等等，操作上應兼顧各種匹配關系，提高回轉窯單位有效容積的產量，為工廠優質、高產、低耗打下基礎。
針對本旋噴分解爐的特點，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)以及窯尾高溫風機轉速等參數均不變的情況下，單純進行了調整三次風門開度的試驗，通過現場測定三次風、二次風、C1與C5處溫度的變化及預熱器系統內氣壓和CO濃度、O2濃度的變化，了解分解爐內煤粉的燃燒和生料分解狀況。測定參數如表l所示。
表1? 不同開度下的窯系統參數
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三次風門開度/% |
25 |
30 |
45 |
|
三次風溫/℃ |
845 |
868 |
880 |
|
二次風溫/℃ |
951 |
975 |
980 |
|
分解爐溫度/℃ |
878 |
882 |
888 |
|
C5溫度/℃ |
912 |
924 |
928 |
|
窯尾負壓/Pa |
-275 |
-284 |
-293 |
|
C5/Pa |
-l361 |
-1385 |
-1412 |
|
C1/Pa |
-5245 |
-5268 |
-5279 |
|
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，當三次風門開度減小或增大時，對生料分解率的變化有一定的影響，這是因為三次風門的變化使分解爐內煤粉的燃燒氣氛產生變化，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%)。同時觀察分解率的變化發現：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%。故對三次風門的開度調控不宜過大，要綜合考慮出冷卻機后熱風的分配問題(三次風門開度過小，C5筒出口溫度與分解爐出口溫度可能出現倒掛，造成結皮堵塞現象；三次風門開度過大，易對窯內供氧不足，煅燒氣氛變差，影響熟料燒成)。同時隨著三次風門的增大，生料分解率提高后，對窯的負荷減輕，更有利于熟料的燒結，進而促使了三次風溫、二次風溫的上升。總體上提高了窯系統的熱利用率，優化了熱工制度。
本文進一步運用計算流體力學(CFD)技術對噴騰分解爐內流場進行了數值模擬與分析，根據熱工標定和化驗室測定，設定邊界條件及煤粉物理化學特性分別見表2、表3，對爐內CO、O2和CO2的質量份額作了計算，分析熱態狀況下分解爐內氣相組份場分布值，為工業分析分解爐內的物理化學過程提供依據。圖l(a)～(c)表示分解爐中心剖面(y=0)截面上CO、O2和CO2的質量分數分布。
表2? 噴旋分解爐數值模擬邊界條件
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參數 |
溫度/℃ |
風量/(m3/s) |
橫截面積/m2 |
風速/(m/s) |
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三次風 |
1166 |
189.2 |
5.26 |
35.97 |
|
窯尾廢氣 |
1473 |
114.28 |
5.51 |
20.73 |
|
煤風 |
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量分數分布。可以看出：在分解爐下錐體部位由于二次風所含氧量，氧濃度有一峰值(21.8%)；在三次風進口內側氧濃度有一低谷(1.54%)，凡內側氧濃度較外側的低，這是由于分解爐下部噴進的窯尾煙氣和帶旋流的三次風向上流動時主要經過爐膛外側，且由于回流的作用延長了煤粉的停留時間，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量分數分布。可以看出：揮發份的析出和燃燒是一個十分迅速的過程，揮發份只在煤粉進入分解爐的局部區域存在。在二次風進口內側一氧化碳濃度有一峰值，這是由于在帶旋流的二次風作用下，帶煤粉的氣流在該區域發生劇烈燃燒反應，生成CO，并且因回流的作用煤粉在該區域的停留時間較長，煤粉基本燃燒完全，具體表現在分解爐Z=25m以上區域CO的濃度已經非常低。
圖1(c)給出了分解爐中心剖面上：氧化碳的質量分數分布情況。可以看出:在三次風進口內側二氧化碳氧濃度有一峰值且內側二氧化碳濃度較外側的高，這是由于在該區域煤粉釋放出的揮發份和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的橫向作用和回流，同時延長了氣流的運行跡線，將有利于提高回流率或返混程度，增加物料停留時間。合理匹配入爐的噴騰氣體(窯風)和旋轉氣體(三次風)，才能充分發揮其各自優勢，達到分解爐內氣體和物料運動的最佳狀態。
2、窯爐內風與溫度之間的關系
窯爐內不同的位置需要不同的溫度，保持溫度在合理的范圍，首先要嚴格控制煤的使用，其次更要注意風、料的搭配（料與溫度的關系上文已提到)。風與溫度之間相互影響，相互制約。在其它參數不變的情況下，分析ID風機轉速變化對預分解系統內溫度及氣體組分等的影響和增濕塔溫度變化對預分解系統內氣體組分等的影響(分別見表3和表4)。
表3? ID風機轉速變化的影響
|
組份 |
ID風機轉速 /(r/min) |
C1溫度 /℃ |
分解爐溫 度/℃ |
C5處CO 濃度/% |
C5處O2 濃度/% |
分解率
/% |
|
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 /% |
|
l |
220 |
870 |
0.4 |
2.5 |
96.45 |
|
2 |
235 |
865 |
0.7 |
1.9 |
94.70 |
從表3可以看出，隨著ID風機轉速的增大，C1筒出口溫度上升了8℃，這是因為風速大小影響著對流傳熱系數，風速過高，易使風料換熱不充分，造成C1出口處溫度偏高，浪費熱量。同時從CO濃度和O2濃度的變化發現，分解爐內的燃燒氣氛變好，但因為物料在預熱器內換熱效果變差，進分解爐的溫度變低，從而使分解爐內溫度從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，但有時因為物料含水量較大的原因，需要控制更高些。從表4可以看出，對于風機置于增濕塔之后的情況，增濕塔出口溫度從220℃上升到235℃時，分解爐內的燃燒氣氛變差，C0濃度由0.4%升到0.7%，這是因為增濕塔出口溫度越高，氣體的密度越小，而風機在轉速不變的情況下單位時間抽風的體積量是恒定的，密度變小，體積變大，單位時間內預熱器系統內風速相對變慢，供氧量相對變少，燃燒氣氛變差，以至影響分解爐內溫度和牛料分解率下降。
3、結論
(1)三次風門開度從25%提高到30%，生料分解率提高l.18%，當三次風門開度提高到45%，生料分解率只提高了0.44%。同時結合分解爐中心剖面(y=0)截面上CO、O2和CO2的質量分數分布分析可知：應適當調整三次風門的開度，合理匹配二次風與三次風的用量，才能最佳的改善分解爐內煤粉的燃燒氣氛和生料分解狀況，保證生料分解完全。
(2)風量應與溫度相匹配，當ID風機轉速從920r/min提到940r/min，降低了風料的對流傳熱效率，盡管改善了分解爐及窯內的煅燒氣氛，但分解爐溫度還是降低了7℃；當增濕塔溫度從220℃升高到235℃，預分解系統的煅燒氣氛變差，分解率下降了1.75%。故根據生料的率值和細度，應合理匹配溫度和風量。