論水泥分解爐中粉料滯留延時(shí)的機(jī)理及影響滯留比的因素

1、論水泥分解爐中粉料滯留延時(shí)的機(jī)理及影響滯留比的因素   分解爐中粉料為什么能滯留?影響滯留比的主要因素有那些?這是窯外分解技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)有不少水泥分解爐,因料粉、煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短,造成煤粉不完全燃燒,使出口氣溫過(guò)高而物料分解率降低,窯的產(chǎn)量下降而熱耗增高,嚴(yán)重時(shí)易結(jié)皮堵塞,使窯況惡化。    造成上述狀況的原因,主要是沒(méi)有控制好料粉、煤粉在爐內(nèi)的滯留。    不久前,筆者見(jiàn)到全國(guó)第二屆懸浮預(yù)熱和預(yù)分解窯技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集及第三屆會(huì)議的有關(guān)論文,讀到了有關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)分解爐內(nèi)三維流場(chǎng)、爐內(nèi)燃燒

2、、傳熱、分解作用的論述,其中有關(guān)爐內(nèi)旋流強(qiáng)度、粉料濃度分布、氣料停留時(shí)間,特別是對(duì)爐內(nèi)粉料滯留的機(jī)理及影響滯留比的因素的看法有大的分岐。為弄清問(wèn)題,有利于生產(chǎn)及科技的發(fā)展,愿提出商榷研討。    有不同看法的代表性論點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):    (1)認(rèn)為以江西水泥廠(chǎng)為代表的RSP分解爐的氣體三維流場(chǎng)不合理,SC室、MC室和斜煙道均存在嚴(yán)重的物料分散不好和均布性差的問(wèn)題,“特稀濃度區(qū)”占據(jù)了很大體積,分解爐容積利用率較低,并惡化了燃燒和分解反應(yīng)環(huán)境1,2,4。    (2)認(rèn)為RSP分解爐中粉料滯留時(shí)間tm隨

3、風(fēng)速的提高而降低,K值亦同,這主要是由于SC室的過(guò)強(qiáng)旋流造成物料貼壁運(yùn)動(dòng)所致2。    (3)認(rèn)為SLC爐中,由于其湍動(dòng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和立渦的存在,使?fàn)t內(nèi)物料分布不勻,存在“特稀濃度區(qū)”及短路流,容易造成燃料不完全燃燒并由此產(chǎn)生粘結(jié)堵塞2,3。2  分解爐內(nèi)粉料的滯留機(jī)理     筆者認(rèn)為首先應(yīng)正確處理粉料(指煤粉及料粉)在爐內(nèi)需要停留時(shí)間與粉料均勻分布的矛盾。如果強(qiáng)調(diào)粉料的均勻分布,可讓?xiě)腋饬髟跔t內(nèi)作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),但煤粉、料粉在爐內(nèi)的停留及反應(yīng)時(shí)間將與氣體一樣,按目前狀況計(jì),只23s,顯然這對(duì)煤粉的燃燒及料粉的分解是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

4、的。2.1  附壁效應(yīng)    為了延長(zhǎng)粉料在分解爐內(nèi)的停留、反應(yīng)時(shí)間,除保證一定的爐容積外,最重要的就是讓?xiě)腋饬髯鞣莿蛩僦本€(xiàn)運(yùn)動(dòng),使氣流與煤粉、料粉產(chǎn)生不同的加速度及方向,從而使煤粉、料粉產(chǎn)生附壁效應(yīng)即使懸浮氣流作非直線(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng),由于慣性力及阻力的影響,使粉體貼著爐壁運(yùn)動(dòng),由于爐壁的阻滯作用,使部分粉料作內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng),同時(shí)大大降低粉料的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度,使之滯后于氣流,從而延長(zhǎng)在爐內(nèi)或煙道分解系統(tǒng)內(nèi)的滯留時(shí)間。 2.2  旋風(fēng)效應(yīng)與噴騰效應(yīng)    在附壁效應(yīng)中,目前最多的是旋風(fēng)效應(yīng)及噴騰效應(yīng)。筆者1982年曾闡明過(guò)分

5、解爐內(nèi)粉料的滯留機(jī)理79,主要為:    (1)旋風(fēng)效應(yīng)是旋風(fēng)型分解爐及預(yù)熱器內(nèi)氣流作旋回運(yùn)動(dòng),使粉料滯后于氣流的效應(yīng)。    圖1為旋風(fēng)型分解爐,氣流經(jīng)下部渦流室造成旋回運(yùn)動(dòng),再以切線(xiàn)方向入爐,在爐內(nèi)旋回前進(jìn)。  圖1  旋風(fēng)型分解爐    懸浮于氣流的粉料,由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受離心力的作用,逐步被甩向爐壁。其中顆粒較大的粉料,因其單位質(zhì)量所具有的表面積較小,在其離心向壁運(yùn)動(dòng)中,所受阻力較小,離心向壁的傾向較大,因而比顆粒較小的粉料及氣流容易達(dá)到爐的邊緣。當(dāng)粉料顆粒達(dá)到爐壁的滯流層時(shí),或與

6、爐壁摩擦碰撞后,運(yùn)動(dòng)動(dòng)能大大降低,運(yùn)動(dòng)速度銳減;或是失速墜落,降至縮口時(shí)再被氣流帶起。    運(yùn)動(dòng)速度銳減的粉料,如果是在旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi),便沿筒壁逐漸下降至錐體而被從氣流中分離出來(lái)。而在旋風(fēng)分解爐中的粉料卻不沉降下來(lái),這是因?yàn)闋t內(nèi)氣流“后浪推前浪”的推動(dòng)作用,前面的氣流將粉料滯留下,而后面的氣流又將粉料繼續(xù)推向前進(jìn)。所以粉料總的運(yùn)動(dòng)趨向還是順著氣流,旋回前進(jìn)而出爐,但粉料的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度,卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氣流的速度,造成粉料在爐內(nèi)的滯留現(xiàn)象。    由于這種滯留現(xiàn)象,使?fàn)t內(nèi)氣流中粉料平均濃度大大高于進(jìn)口或出口濃度。  &#

7、160; (2)噴騰效應(yīng)是噴騰型分解爐或預(yù)熱器內(nèi)氣流作噴騰運(yùn)動(dòng),使粉料滯后于氣流的效應(yīng)。    圖2為噴騰型分解爐的示意圖,這種爐的結(jié)構(gòu)是爐筒直徑較大,底部喉管較細(xì),氣流以2040m/s的流速通過(guò)喉管,在爐筒一定高度內(nèi)形成一條上升流股,將爐下部錐體四周的氣體及粉料不斷裹吸進(jìn)來(lái),噴射上去,造成許多由中心向邊緣的旋渦,從而形成噴騰運(yùn)動(dòng)。在噴騰口,進(jìn)入氣流的粉料被氣流吹起、懸浮,其中有的料粉被直接拋向周壁,有的隨氣流旋回運(yùn)動(dòng),因受離心力及所受阻力不同,也被推向爐壁滯留層。碰壁減速后的粉料,一部分沿壁下墜,降至喉口又被吹起而作內(nèi)部循環(huán),一部分則沿爐壁被氣流“后浪推前浪”地

8、上推,直至出爐。    這種噴騰效應(yīng)也使粉料的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氣流,造成粉料在爐內(nèi)的滯留,從而大幅度延長(zhǎng)煤粉、料粉在爐內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間。    這種旋風(fēng)或噴騰效應(yīng)使粉料滯留的作用早已為科學(xué)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)際所證實(shí)。    以下是日本川崎重工業(yè)公司對(duì)KSV型分解爐的模型試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn),測(cè)定爐內(nèi)粉料的滯留量(如表)。  圖2  噴騰型分解爐         爐內(nèi)粉料的滯留量 喉部尺

9、寸（mm）風(fēng)速（m/s）物料滯留量（kg）物料滯留時(shí)間（s）喉部筒體35019.15.78.14.535019.18.36.83.83509.64.29.05.020018.63.69.85.4    試驗(yàn)爐的尺寸為640mm×4000mm,物料喂入量為108kg/min。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)筒體風(fēng)速為4.2m/s時(shí), 入筒風(fēng)量為4.2 × （0.64）2 × 60=81（m3/min）4    喂入口含塵濃度 = 108=1.3(kg/m3)81     

10、; 爐內(nèi)含塵濃度 = 滯留量9 =7.0(kg/m3)   =爐容積(0.64)2 ×  44      滯留比 = 7.0 = 5.4 1.3                           說(shuō)明當(dāng)截面風(fēng)速為4.2

11、m/s時(shí),氣體通過(guò)時(shí)間只需1s,而料粉卻滯留5s的時(shí)間。    武漢工業(yè)大學(xué)北京研究生部對(duì)冀東水泥廠(chǎng)的NSF旋風(fēng)型分解爐進(jìn)行了熱工測(cè)定,證實(shí)物料在分解爐內(nèi)停留分解時(shí)間平均約10s,滯留比在45之間。 2.3 正確處理粉料在爐內(nèi)停留時(shí)間與均勻分布的矛盾    由以上討論可見(jiàn),分解爐內(nèi)粉料滯留的機(jī)理是因懸浮氣流作旋流或噴騰運(yùn)動(dòng),使粉料受離心力及流體阻力不同而被推向邊壁,這時(shí)粉料受到兩種滯留作用,其一是粉料受邊壁阻滯而減慢前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度;其二是使粉料作爐內(nèi)循環(huán),從而延長(zhǎng)粉料在爐內(nèi)滯留時(shí)間。因此,要保持粉料在分解爐內(nèi)停留較長(zhǎng)時(shí)間,就需保持良好的

12、旋風(fēng)效應(yīng)、噴騰效應(yīng)或附壁效應(yīng),但這也帶來(lái)了粉料在爐內(nèi)分布的不勻,使粉料貼壁富集,而爐中、上部的中心形成“特稀濃度區(qū)”。這種現(xiàn)象雖在一定程度上影響爐內(nèi)的燃燒、傳熱及分解,但由于它大幅度(35倍)地延長(zhǎng)了粉料在爐內(nèi)的停留時(shí)間,其有利影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)不利影響。以下將進(jìn)一步分析其不利影響的程度。 3   粉料在爐內(nèi)分布不均對(duì)燃燒、傳熱、分解的影響程度 3.1  對(duì)燃料燃燒的影響    煤粉富集于爐壁滯流層,其燃燒條件當(dāng)然不如全爐均布,但滯流層中煤粉仍處于懸浮態(tài),它與氣流之間仍有相當(dāng)大的相對(duì)速度,就平均而言,氣流速度約比煤粉運(yùn)動(dòng)速度要大35倍,因而氣流中氧氣

13、向炭粒的擴(kuò)散、CO2向氣流的擴(kuò)散還是相當(dāng)快的。同時(shí)爐中部濃度特稀區(qū)與邊壁之間,距離不大,兩者間擴(kuò)散面積很寬,擴(kuò)散速度也快,所以這不會(huì)成為制約煤粉燃燒速度的重要因素。    同時(shí),分解爐內(nèi)的溫度在850950之間,煤粉的燃燒過(guò)程,處于擴(kuò)散燃燒與動(dòng)力學(xué)控制燃燒的過(guò)渡區(qū),這時(shí)影響燃燒速度的因素,除O2及CO2的擴(kuò)散速度外,還有燃燒化學(xué)反應(yīng)的速度,即煤粉燃燒反應(yīng)需要時(shí)間,12.5s肯定燃燒不完,擴(kuò)散速度再快亦無(wú)用,因而即使煤粉均布亦無(wú)濟(jì)于事。只有利用附壁效應(yīng),使燃燒時(shí)間延長(zhǎng)35倍,才能使煤粒燒完,并為O2及CO2擴(kuò)散獲得充分時(shí)間。    從另

14、一方面說(shuō),由于旋風(fēng)或噴騰效應(yīng),使?fàn)t內(nèi)煤粉濃度增大了35倍,這就增大了煤粉與氣流的接觸面積,增大了燃燒反應(yīng)面積,從而提高了爐內(nèi)的燃燒速度及發(fā)熱能力。 3.2  對(duì)氣固傳熱的影響    煤粉、料粉雖富集于邊壁,由于煤粉與氣體間有相當(dāng)大的相對(duì)速度,煤粉在快速燃燒著,并放出大量熱量。又由于煤粉、料粉雖富集于邊壁,但仍處于懸浮態(tài),氣固之間仍具有非常巨大的傳熱面積,所以煤粉燃燒所放出的熱量,能很快傳給滯流層,傳給靠得較近的料粉。    至于分解爐中部“特稀濃度區(qū)”內(nèi),煤粉較少,料粉也少,其中燃燒較快,它的溫度往往高于邊部。但它與邊部具有

15、巨大的傳熱面積,它們可以輻射和對(duì)流的方式,將熱量傳給料粉幕,或利用爐壁反射傳導(dǎo)給料粉。所以粉料在邊部的富集,對(duì)傳熱環(huán)節(jié)并無(wú)大影響。 3.3  對(duì)料粉分解的影響    料粉分解需經(jīng)氣固傳熱、內(nèi)熱傳導(dǎo)、化學(xué)分解、CO2內(nèi)部及外部擴(kuò)散五個(gè)分步,由于爐內(nèi)料粉仍處于懸浮態(tài)或流化態(tài),傳熱、擴(kuò)散面積大,氣固相對(duì)速度大,所以粉料在邊部的富集對(duì)傳熱、擴(kuò)散無(wú)大影響。    化學(xué)分解分步是五分步中需時(shí)最大的,不管爐內(nèi)料粉分布是否均勻,CaO晶核的形成和CaCO3的分解,需要一定時(shí)間(515s),所以附壁效應(yīng)使料粉在邊壁富集,不但對(duì)分解速度無(wú)大影響

16、,而且為分解贏(yíng)得了時(shí)間。因而不應(yīng)該破壞或減弱爐內(nèi)旋流或噴騰效應(yīng)去換取爐內(nèi)粉料的均布。 4  滯留比及其影響因素     分解爐內(nèi)料粉(煤粉與之相近)經(jīng)歷時(shí)間tm與氣體經(jīng)歷時(shí)間tg之比,用K表示(K=tm/tg)稱(chēng)它為滯留比。它也等于分解爐內(nèi)料粉平均濃度與爐進(jìn)出口氣體中濃度之比(未計(jì)分解出CO2的影響)。當(dāng)爐內(nèi)氣體流速一定時(shí),滯留比愈大,則粉料在爐內(nèi)經(jīng)歷、反應(yīng)時(shí)間愈長(zhǎng)。    根據(jù)爐內(nèi)粉料滯留機(jī)理及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析,影響滯留比K的主要因素有分解爐的構(gòu)造及規(guī)格,附壁效應(yīng)或旋風(fēng)、噴騰效應(yīng)的好壞;料粉在爐內(nèi)的流程;喂料喂煤的地點(diǎn)及方

17、式等。 4.1  分解爐的構(gòu)造及規(guī)格     爐筒的直徑及高度:當(dāng)爐容一定而直徑過(guò)小時(shí),雖其爐高較大,但斷面風(fēng)速過(guò)大,爐內(nèi)渦流增大,滯留層減薄,不利于旋風(fēng)或噴騰效應(yīng),K將減小。反之當(dāng)爐徑過(guò)大時(shí),粉料從爐中部到邊壁的距離加大,有的粉料往往來(lái)不及進(jìn)入滯流層就被氣流帶出,K將減小。    爐體形狀:當(dāng)前分解爐的主體多為圓柱形,可認(rèn)為是一種較好的爐形。從旋流滯留機(jī)理分析,旋流型分解爐的爐體或部分爐體制成上大下小的錐形較好,它有利于粉料在爐壁上的滯留。如果錐角大于70°,它不會(huì)引起爐內(nèi)嚴(yán)重結(jié)皮。  圖3 

18、 旋流型分解爐的錐形爐體     有的分解爐(如RSP的混合室)的橫截面做成矩形或方形,使?fàn)t內(nèi)形成四個(gè)角區(qū),進(jìn)入混合室的粉料,往往較多地集中在角區(qū),使角區(qū)深入的粉料與氣流間的擴(kuò)散增加了困難,料粉受熱條件也較差,所以混合室的斷面形狀以圓形為好。 4.2  氣流入爐方式及進(jìn)風(fēng)口形狀    噴騰式分解爐氣流入爐通常由下向上,垂直向上噴騰,以求將粉料迅速均勻地懸浮及良好的噴騰效應(yīng)。    旋流式分解爐通常氣流以切向入爐,以造成爐內(nèi)的旋流運(yùn)動(dòng)。三次風(fēng)入爐方式可采用全切渦殼式、全切直入式及部分切割式。筆者認(rèn)

19、為,全切渦殼式在爐內(nèi)形成的旋流效應(yīng)較強(qiáng),滯留比較高。    旋流分解爐進(jìn)風(fēng)口形狀以矩形為好,高寬比可1.52,以有利于粉料較快進(jìn)入滯流層。 4.3  氣體運(yùn)動(dòng)的速度    氣體帶著料粉在爐內(nèi)以一定速度作旋回或噴騰運(yùn)動(dòng),如果進(jìn)口風(fēng)速過(guò)小,粉料及氣流所受離心力小,粉料與氣體間相對(duì)速度小,則進(jìn)入滯流層的粉料將減少,滯留比將降低。    如果進(jìn)口風(fēng)速過(guò)大,不但流體阻力迅速增大,且使邊壁滯流層變薄,有的粉料在碰撞失速后,又被氣流迅速吹走,粉料停留時(shí)間也會(huì)縮短,K值降低。一般旋風(fēng)分解爐入口風(fēng)速在1825m/s,噴騰型