回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰溫度熱平衡法模擬計(jì)算

1、Vol .2 7 No . 9Sep.2005武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF WUHAN UNIVER SITY OF TECHNOLOGY回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰溫度熱平衡法模擬計(jì)算楊力遠(yuǎn)管宗甫1鄭合心2侯偉芳2楊俊1450062)(1鄭州大學(xué)材料學(xué)院，鄭州 4 5 0 0 5鄭州金龍水泥股份有限公司，鄭州摘 要：基于硅酸鹽水泥熟料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒過(guò)程熱平衡和物料平衡基本理論，建立起回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒模型 。通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)窯煅燒過(guò)程中相關(guān)氣體和固體的比熱進(jìn)行回歸計(jì)算，建立和引用與溫度相 關(guān)的數(shù)學(xué)模 型，提高了模擬 計(jì)算的精確度。模擬推導(dǎo)出回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒火焰最高溫度 ，并在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中得到了驗(yàn)證 ，模擬計(jì)算結(jié)果

2、與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程有較好的 擬合 度。關(guān)鍵詞：熱平衡；物料平衡；模擬；火焰溫度中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 17 2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16714431 (2005) 09 A Mathematical Model for the Calcinatio ns Process in RotaryKil n Based on the Heat ala nee a nd Materiel ala nee TheoryYANG Li uan1，GUA N Zongu1, ZHENG He-xin 2, HOU Weiang，YANG Jun1(LSchool of Materials ,Zhe ngzhou Un

3、i versity ,Zhe ngzhou 4 5 0 0 Ch2a; 2Zhe ngzhou Jin Io ng Ceme nt Ltd，Zhengzhou 4 5 0 06h2a)Abstra ct: With the heat and mater balancesmethod，the specific heat of gasand solid in the clinkering processwas statisti cally regressed. And a mathematical model was put forward，with which the burning tempe

4、rature in rotary kiln can be exactly calculated . The flame temperature calculated with the model function was corresponding with the testing result .Key word s：heat balanee； mass balanee；simulation ； flame temperature回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)過(guò)程中最重要的熱工設(shè)備。它的運(yùn)轉(zhuǎn)和熱工制度的穩(wěn)定直接關(guān)系到燒成熟料的質(zhì)量，而窯內(nèi)氣體溫度、過(guò)?？諝庀禂?shù)等又是影響熱工制度的重要因 素。因此，開(kāi)展回轉(zhuǎn)

5、 窯內(nèi)燃燒火焰最高溫度模擬計(jì)算，可以了解回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱工制度，同時(shí)也可以掌握熟料的煅燒狀況。該研究以1min運(yùn)行時(shí)間 和0C為基準(zhǔn)，對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒過(guò)程中熱量收支項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算。研究對(duì)熟料煅燒過(guò)程中氣、固體的比熱進(jìn)行 回歸，最后利用回歸得到的動(dòng)態(tài)比熱再進(jìn)行熱工計(jì)算。1熱工計(jì)算公式的推導(dǎo)1) 數(shù)據(jù)采集方法目前，新型干法窯的控制基本上是采用集 散控制系 統(tǒng)，具有較高的自動(dòng)化程度，能夠?qū)崟r(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程中的固體和氣體的流量、 溫度、壓力、氣體成分等參數(shù)，完全滿足研究的參數(shù)采集需求。以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度、壓力以及化驗(yàn)室對(duì)燃料的工業(yè)分析結(jié)果作為計(jì)算依據(jù)。2) 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒模型以燃料與一次空氣和二次空氣共同作用 瞬

6、間完全 燃燒為 基礎(chǔ)，以燃燒前 后熱量平衡理論作為依據(jù)，計(jì)算燃料燃燒理論最高溫度，然后進(jìn)一步計(jì)算燃燒實(shí)際最高溫度?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒熱平衡模型如圖1所示。收稿日期：2 0 0 5 0.5 1 0 基金項(xiàng)目：鄭州大學(xué)青年骨干教師項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：楊力遠(yuǎn)(1 9 6 4 )，男，畐【J教mail:yangly zzu .edu .cn武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)圖1何轉(zhuǎn)曲內(nèi)燃燒熱半衡漠熨3) 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)空氣量計(jì)算(1) 窯內(nèi)空氣過(guò)剩系數(shù)kyg (%)計(jì)算在已知 窯尾廢 氣中02含量的情況下，可以換算出窯內(nèi)空氣 過(guò)剩 系數(shù)。理論上認(rèn)為一般窯尾煙氣中 0 2含量應(yīng)控制在 1.0%1. 5%之 間。當(dāng)煙氣中沒(méi)有 CO時(shí)，可用佩

7、里柴可 頓和容克柏 特里克公式計(jì)算kyg =2 1/(2壬0 2),式中,2為窯尾煙氣中02的百分含量(%)；K為系數(shù)，煙煤取0.96。當(dāng)窯尾煙氣中 02小于1 %時(shí)，通常在煙氣中會(huì)含有微量的 CO,可用下式進(jìn)行計(jì)算kyg =18 9 (22C0)/ N 2 1.8 9 02 C0)式中，02、N2、C0分別為窯尾煙氣中 02、N2、C0的百分含量(%)(2) 窯內(nèi)理論空氣需要量 Vyl L Nm /kg 煤)計(jì)算Vyll = 0.08Cad + 0 .26HTad +0.03 Sad( Oad)如進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的燃煤量為Mym kg/min )，則Vylk = Vyll Mym式中，Cad、Ha

8、d、Sad、Oad分別為入窯燃煤分析基化學(xué)成分中碳、氫、硫、氧元素的含量百分 數(shù)；VyLK為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒理論空氣量(Nm/min )，以下意義相同。(3) 入回轉(zhuǎn)窯實(shí)際空氣量Vysj (Nm /min)計(jì)算Vysj = kyg Vylk式中，Vysj為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)實(shí)際空氣量(Nm/min)。(4) 入窯一次風(fēng)量 Vyck (Nm /min)計(jì)算Vyck = Vyce kyc式中，Vyce為一次風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量(Nm/min);kyc為即一次風(fēng)機(jī)負(fù)荷開(kāi)度系數(shù)。(5) 入窯二次風(fēng)量 Veck Nm /min )計(jì)算 Veck = Vysj Vyc k4) 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒廢氣量計(jì)算(1) 燃燒廢氣中CO2量V

9、yc (Nm/min )計(jì)算3(2) 燃燒廢氣中N 2量Vynz Nm /min )計(jì)算(3) 燃燒廢氣中H 2O量Vyh Nm/min)計(jì)算a(4) 燃燒廢氣中SO2量 Vys Nm /min)計(jì)算(5) 過(guò)剩的02 量 Vyo Nm /min )計(jì)算 VyoVyc =0.01 6 Cad X MymVy nz = (0 7 9 Vys j + 0.0 0N8ad) X M ymVyh = (Q11Had + 0.0 1 4 Wad ) X M Y mVys = 0.0 0 6SX Mym= 0.2 1(a Vylk X Mym5) 比熱回歸模型 在回轉(zhuǎn)窯熱工計(jì)算過(guò)程中，氣體、 物料等比熱是

10、一個(gè)重要參數(shù)。它直接影響到溫度傳遞和散失，也影響到回轉(zhuǎn)窯的熱工性能。在以往諸多熱工計(jì)算過(guò) 程中，比熱當(dāng)作固定 值引用于計(jì)算，或者取某溫度區(qū)間內(nèi)的平均比熱 2 3：，計(jì)算精確度受到一定影響。利用比熱測(cè)定數(shù) 據(jù)和數(shù) 學(xué)統(tǒng)計(jì)工 具，參考有關(guān)模 型建立方法4, I對(duì)熟料煅燒過(guò)程中氣體、物料的比熱進(jìn)行回歸，得到了比較準(zhǔn)確的比熱計(jì)算公式。(1) 熟料比熱回歸模型Csl = 0 .0 0 (2 3 2T + 0.7 7 0式中，Csl為熟料比熱(kJ/ kg? C)；為熟料溫度(C)。回歸的判定系數(shù)R =0.9 6 5。(2) 空氣比熱回歸模型Ckq =0.0 0 0 2 0T + 1.288式中，Ckq為

11、空氣比熱(kJ/ Nm ? C) T為空氣溫度C)?；貧w的判定系數(shù) R2=0.9 9 5。(3CO 2氣體比熱回歸模型Cfc = 0.0 0452T +1.730式中，Cfc為CO 2氣體比熱(kJ/ (Nm? C) T為氣體溫度(C)?；貧w的判定系數(shù) R2 =0.9 4 5。(4) O氣體比熱回歸模型Cfh =0 .0 0 0 5 7T + 1.4 6 3式中，Cfh為H2O氣體比熱(kJ/ Nm3? C) T為氣體溫度(C)?；貧w的判定系數(shù)R2 = 0.9 9 8。(5) 氣體比熱回歸模型Cfn =0.0 0 0 0 8T + 1.284式中，Cfn為N 2氣體比熱(kJ/ Nm? C)

12、T為氣體溫度(C)。回歸的判定系數(shù)R2 =0.9 9 8。(6SO2氣體比熱回歸模型Cfs =0 .0 0 4 4 0T + 1 .8 0 832式中，Cfs為SO2氣體比熱(kJ/ Nm ? C) T為氣體溫度(C)?；貧w的判定系數(shù) R = 0.9 4 7。( 702氣體比熱回歸模型Cfo =0.0 0 0 5 7T + 1.317式中，Cfo為02氣體比熱(kJ/ Nm? C) T為氣體溫度(C)。回歸的判定系數(shù) R2 =0 .9 8 2。第2 7卷第9期楊力遠(yuǎn)，等：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰溫度熱平衡法模擬計(jì)算552熱平衡法計(jì)算回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒火焰溫度1) 燃燒前收入熱量計(jì)算(1) 入窯燃煤帶入顯熱Qym

13、 kJ/min)當(dāng)入窯煤的溫度為T(mén)ym時(shí)，入窯燃煤的比熱為 Cym，則有Qym = Cym X Tym X M ym(2) 入窯燃煤燃燒放熱 Qy MR kJ/min )Qym R = Qnet ad X M YM式中，Qnet .ad為入窯燃煤低位熱值(kJ/kg)o(3) 次空氣帶入顯熱Qyck kJ/min)當(dāng)一次空氣溫度為T(mén)yck時(shí)，根據(jù)空氣比熱 Cyck kJ/ Nm ? C)回歸公式，有Cyc k = 0.00Q2QTyck +1 .2 8 (SQyck = Cyck X Tyck X Vyck(4) 二次空氣帶入顯熱Qeck kJ/min)當(dāng)二次空氣溫度為T(mén)eck時(shí)，根據(jù)空氣比熱

14、 Ceck kJ/ Nm ? C)回歸公式，有Cec k = 0.00Q2(DTeck +1.2 8 8Qec k = Ce ck X Te ck X Vec k(5) 燃燒前總熱量Qrsq k/min)計(jì)算 Qrsq = Qy m + Q YM R + QyC K + Qec k2) 燃燒后廢氣比熱和顯熱計(jì)算假定條件為絕熱(Qs = 0)和完全燃燒Qu = 0)時(shí)，能夠達(dá)到的燃燒溫度稱(chēng)為理 論燃燒溫 度Tm。它是分 析窯爐的熱工過(guò)程和進(jìn)行熱工計(jì)算的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。設(shè)理論燃燒溫度為T(mén)m，則燃燒后廢氣比熱和廢氣熱容量計(jì)算如下：(1) 高溫帶廢氣中CO2比熱 Cfcm kJ/ Nm? C)和顯熱Qf

15、cm kJ/min)計(jì)算Cfc m = 0.0 0 0 5 2 X T m +1.73Qfcm = Cfcm X Vyc X T m3(2) 高溫帶廢氣中N 2比熱 Cfnm kJ/ Nm?C)和顯熱Qfnm kJ/min)計(jì)算Cf nm = 0.0 0 0 0 8 X T m + 1 .2 8 4 Qfnm = Cfnm X Vynz X T m(3) 高溫帶廢氣中H 2O比熱Cfhm k/Nm? C)和顯熱Qfhm kJ/min )計(jì)算Cfhm= 0.0 0 0 57XTm+1.463Qfhm=CfhmXVyhXTm(4) 高溫帶廢氣中SO2比熱 CfsmkJ/Nm?C)和顯熱QfsmKJ

16、/min)計(jì)算Cfsm= 0.0 0 444XT m+1 .809Qfsm=CfsmXVy s XT m(5) 高溫帶廢氣中O2比熱 Cfom k/ Nm? C)和顯熱Qfom kJ/min)計(jì)算Cfo m=0.00057XT M+1.31 7Qfom=CfomXVyoXTm(6) 燃燒后高溫氣體總顯熱Qrsh kJ/min )計(jì)算 Q rsh = Qfcm + Qfn m + Qfhm + Qfsm + Qfo m3) 燃燒火焰理論溫度Tm (C)計(jì)算根據(jù)熱平衡原理，建立熱平衡方程如下Qrsh = Qrsq推導(dǎo)計(jì)算燃燒火焰理論溫度為T(mén)m = (- B。+、B0 -4A0 C0/2A0式中，A 0=0.00052 Vyc +0.0000 8 Vynz +0.0005 7 Vyh + 0.00440 Vys + 0.00Q5 7 VyoB0 = 1.7 3/yc +1 .2 8 4Vynz + 1.46 3 Vyh + 1.8 0 9 Vys + 1.31 7VyoC0 = Qrsq4) 燃燒火焰實(shí)際溫度Tysj (C)計(jì)算由于燃煤的機(jī)械或化學(xué)不完全燃燒等原因，使系統(tǒng)收入的熱量不能夠完全用于提高燃燒產(chǎn)物的溫度。故實(shí)際燃