预分解窑工艺流程主要包括：燃烧、传热过程，各种气、固、液的化学反应，熟料的输送与冷却过程等。每个过程都与窑系统中的风、煤、料有着密切的关系，其中用煤量取决于喂料量，系统用风量取决于用煤量，而喂料量又取决于风、煤构成的煅烧状况，风、煤、料之间相互关联，相互制约。因此风、煤、料之间的合理匹配是稳定烧成系统的热工制度、提高窑的快转率和系统的运转率，提高熟料产质量和降低煤耗的关键之一。
本文针对国内某厂实际生产问题，在重要进出风口进行热工标定，根据窑炉内煤粉燃烧的特点，从实际生产数据出发，运用计算流体力学软件模拟分解炉与窑内气氛，着重分析窑炉用风量匹配关系，从而为工厂的实际操作提供借鉴。
1、分解炉内三次风与窑废气的匹配
分解炉是预分解系统的核心部分，对于在线分解炉，它汇聚着来自窑内含氧量低的窑废气和来自冷却机含氧量高的三次风，气氛较为复杂。在风、煤、料的匹配上应该注意：不同的生料在煤质与窑况不变的情况下需要相应的温度匹配；三次风与二次风的匹配；窑炉用煤量比例的匹配等等，操作上应兼顾各种匹配关系，提高回转窑单位有效容积的产量，为工厂优质、高产、低耗打下基础。
针对本旋喷分解炉的特点，在喂料量(360t/h)、喂煤量(窑用煤量10.0 t/h，炉用煤量16.5 t/h，窑炉用煤比38:62)以及窑尾高温风机转速等参数均不变的情况下，单纯进行了调整三次风门开度的试验，通过现场测定三次风、二次风、C1与C5处温度的变化及预热器系统内气压和CO浓度、O2浓度的变化，了解分解炉内煤粉的燃烧和生料分解状况。测定参数如表l所示。
表1? 不同开度下的窑系统参数
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三次风门开度/% |
25 |
30 |
45 |
|
三次风温/℃ |
845 |
868 |
880 |
|
二次风温/℃ |
951 |
975 |
980 |
|
分解炉温度/℃ |
878 |
882 |
888 |
|
C5温度/℃ |
912 |
924 |
928 |
|
窑尾负压/Pa |
-275 |
-284 |
-293 |
|
C5/Pa |
-l361 |
-1385 |
-1412 |
|
C1/Pa |
-5245 |
-5268 |
-5279 |
|
CO浓度(C5处)/% |
0.7 |
0.5 |
0.2 |
|
CO浓度(电收尘处)/% |
0.04 |
0.02 |
0.00 |
|
O2浓度(C5处)/% |
2.0 |
2.3 |
2.8 |
从表l可以看出，当三次风门开度减小或增大时，对生料分解率的变化有一定的影响，这是因为三次风门的变化使分解炉内煤粉的燃烧气氛产生变化，这从开度变化前后C0浓度和02浓度的改善可以看出(C5处CO浓度从0.7%降到0.2%O2浓度从2.0%升到2.8%)。同时观察分解率的变化发现：开度30%的比开度25%的分解率提高了1.18%，而开度45%的比开度30%的只提高了0.44%。故对三次风门的开度调控不宜过大，要综合考虑出冷却机后热风的分配问题(三次风门开度过小，C5筒出口温度与分解炉出口温度可能出现倒挂，造成结皮堵塞现象；三次风门开度过大，易对窑内供氧不足，煅烧气氛变差，影响熟料烧成)。同时随着三次风门的增大，生料分解率提高后，对窑的负荷减轻，更有利于熟料的烧结，进而促使了三次风温、二次风温的上升。总体上提高了窑系统的热利用率，优化了热工制度。
本文进一步运用计算流体力学(CFD)技术对喷腾分解炉内流场进行了数值模拟与分析，根据热工标定和化验室测定，设定边界条件及煤粉物理化学特性分别见表2、表3，对炉内CO、O2和CO2的质量份额作了计算，分析热态状况下分解炉内气相组份场分布值，为工业分析分解炉内的物理化学过程提供依据。图l(a)～(c)表示分解炉中心剖面(y=0)截面上CO、O2和CO2的质量分数分布。
表2? 喷旋分解炉数值模拟边界条件
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参数 |
温度/℃ |
风量/(m3/s) |
横截面积/m2 |
风速/(m/s) |
|
三次风 |
1166 |
189.2 |
5.26 |
35.97 |
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窑尾废气 |
1473 |
114.28 |
5.51 |
20.73 |
|
煤风 |
323 |
0.562 |
0.0314 |
18/0.79 |
图1?? 分解炉y=0截面的温度分布(K)
图1(a)给出了分解炉中心剖面上氧气的质量分数分布。可以看出：在分解炉下锥体部位由于二次风所含氧量，氧浓度有一峰值(21.8%)；在三次风进口内侧氧浓度有一低谷(1.54%)，凡内侧氧浓度较外侧的低，这是由于分解炉下部喷进的窑尾烟气和带旋流的三次风向上流动时主要经过炉膛外侧，且由于回流的作用延长了煤粉的停留时间，气流中可燃物逐渐燃烧耗氧造成的。
图1(b)给出了分解炉中心剖面上一氧化碳的质量分数分布。可以看出：挥发份的析出和燃烧是一个十分迅速的过程，挥发份只在煤粉进入分解炉的局部区域存在。在二次风进口内侧一氧化碳浓度有一峰值，这是由于在带旋流的二次风作用下，带煤粉的气流在该区域发生剧烈燃烧反应，生成CO，并且因回流的作用煤粉在该区域的停留时间较长，煤粉基本燃烧完全，具体表现在分解炉Z=25m以上区域CO的浓度已经非常低。
图1(c)给出了分解炉中心剖面上：氧化碳的质量分数分布情况。可以看出:在三次风进口内侧二氧化碳氧浓度有一峰值且内侧二氧化碳浓度较外侧的高，这是由于在该区域煤粉释放出的挥发份和C0与O2的燃烧造成的。
本喷旋分解炉采用旋流增加气体流动的横向作用和回流，同时延长了气流的运行迹线，将有利于提高回流率或返混程度，增加物料停留时间。合理匹配入炉的喷腾气体(窑风)和旋转气体(三次风)，才能充分发挥其各自优势，达到分解炉内气体和物料运动的最佳状态。
2、窑炉内风与温度之间的关系
窑炉内不同的位置需要不同的温度，保持温度在合理的范围，首先要严格控制煤的使用，其次更要注意风、料的搭配（料与温度的关系上文已提到)。风与温度之间相互影响，相互制约。在其它参数不变的情况下，分析ID风机转速变化对预分解系统内温度及气体组分等的影响和增湿塔温度变化对预分解系统内气体组分等的影响(分别见表3和表4)。
表3? ID风机转速变化的影响
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组份 |
ID风机转速 /(r/min) |
C1温度 /℃ |
分解炉温 度/℃ |
C5处CO 浓度/% |
C5处O2 浓度/% |
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? 增湿塔温度变化的影响
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组份 |
增湿塔 温度/℃ |
分解炉 温度/℃ |
C5处CO 浓度 /% |
C5处O2 浓度/% |
分解率 /% |
|
l |
220 |
870 |
0.4 |
2.5 |
96.45 |
|
2 |
235 |
865 |
0.7 |
1.9 |
94.70 |
从表3可以看出，随着ID风机转速的增大，C1筒出口温度上升了8℃，这是因为风速大小影响着对流传热系数，风速过高，易使风料换热不充分，造成C1出口处温度偏高，浪费热量。同时从CO浓度和O2浓度的变化发现，分解炉内的燃烧气氛变好，但因为物料在预热器内换热效果变差，进分解炉的温度变低，从而使分解炉内温度从872℃降到865℃，造成生料分解率下降。
本文考察的生料制备工艺为窑尾+立磨型，窑尾烟气通过增湿塔降温至烘干原料所需的温度，大约控制在220℃左右，但有时因为物料含水量较大的原因，需要控制更高些。从表4可以看出，对于风机置于增湿塔之后的情况，增湿塔出口温度从220℃上升到235℃时，分解炉内的燃烧气氛变差，C0浓度由0.4%升到0.7%，这是因为增湿塔出口温度越高，气体的密度越小，而风机在转速不变的情况下单位时间抽风的体积量是恒定的，密度变小，体积变大，单位时间内预热器系统内风速相对变慢，供氧量相对变少，燃烧气氛变差，以至影响分解炉内温度和牛料分解率下降。
3、结论
(1)三次风门开度从25%提高到30%，生料分解率提高l.18%，当三次风门开度提高到45%，生料分解率只提高了0.44%。同时结合分解炉中心剖面(y=0)截面上CO、O2和CO2的质量分数分布分析可知：应适当调整三次风门的开度，合理匹配二次风与三次风的用量，才能最佳的改善分解炉内煤粉的燃烧气氛和生料分解状况，保证生料分解完全。
(2)风量应与温度相匹配，当ID风机转速从920r/min提到940r/min，降低了风料的对流传热效率，尽管改善了分解炉及窑内的煅烧气氛，但分解炉温度还是降低了7℃；当增湿塔温度从220℃升高到235℃，预分解系统的煅烧气氛变差，分解率下降了1.75%。故根据生料的率值和细度，应合理匹配温度和风量。