说明材料工程技术专业《分解炉的热工性能》

分解炉的热工性能分解炉生产工艺对热工条件的要求如下。①炉内气流温度不宜超过950℃，以防系统产生结皮、堵塞。②燃烧速度要快，以保证供应碳酸盐分解所需要的大量的热量。③保持窑炉系统较高的热效率和生产效率。〔一〕分解炉内燃料的燃烧1、无焰燃烧与辉焰燃烧当煤粉进入分解炉后，悬游于气流中，经预热、分解、燃烧发出光和热，形成一个个小火星，无数的煤粉颗粒便形成无数的迅速燃烧的小火焰。这些小火焰浮游布满炉内，从整体看，看不见一定轮廓的有形火焰。所以分解炉中煤粉的燃烧并非一般意义的无焰燃烧，而是充满全炉的无数小火焰组成的燃烧反响。有人把分解炉内的燃烧称为辉焰燃烧，这主要指分解炉内将料粉或煤粉均匀分散于高温气流中，使粉料颗粒受热达一定温度后，固体颗粒发出光、热辐射而呈辉焰。但并不能看到有形的火焰而只见满炉发光。分解炉内无焰燃烧的优点是燃料均匀分散，能充分利用燃烧空间，不易形成局部高温。燃烧速度较快，发热能力较强。燃烧大致有两种动力学机制。〔1〕以化学反响控制的机制，其燃烧特点如下。①燃烧与温度的关系，提高温度可大大提高反响速度。燃烧速率与温度成指数关系。②炭粒燃尽时间τ与其初始直径成正比。〔2〕以氧气向煤粒外表扩散控制的机制，特点如下。①燃烧受温度的影响较小。②炭粒燃尽时间与其初始直径的平方成正比。③燃烧与气流流速和湍流度密切相关。通常煤燃烧在低温下受化学反响控制，在高温下受扩散控制，大约在1000℃左右时发生转变。2、煤粉的着火着火就是煤的燃烧速率大于系统散热速率时的状态，而煤的着火点也就是导致燃烧速率大于散热速率时的分界点的温度值。因而煤的着火点并不是一个固有的物理性质常数，它与具体系统的散热条件有关，不同的散热特性方程将有不同的着火点。在无CaCO3的条件下，一般燃烧炉中气流温度非恒温，而是随燃烧而变化。在这种条件下，煤的着火点可下降。这是因为分解炉炉体向周围环境的散热较燃烧的放热可忽略不计，而CaCO3分解吸热很大，往往超过煤的放热速率。正如前述，煤的着火点不是固定的，而是随燃烧环境的变化而变化的。当环境的散热速率较大时，着火点提高；当环境的散热较少时，煤的着火点就会降低，甚至可自燃。当不考虑CaCO3的影响时，系统的相对吸热将减少，煤的燃烧可使周围气流温度升高，气流温度的升高又促进煤的燃烧。如此，煤的燃烧将始终保持放热大于散热状态，系统温度持续升高，直到分解炉与周围环境的散热及煤粒热辐射散热与煤的放热到达平衡为止。由此可见，分解炉中CaCO3含量减少，对煤的着火有利。因而在喂生料前先将煤喂入纯空气或仅有局部CaCO3或生料的气流中进行预燃，有利于煤在分解炉中的着火与燃烧。假设分解炉的设计没有充分考虑预燃，煤的着火点按计算约为870℃。由于分解炉内的煤粉为无焰燃烧，不会形成高温集中的“火焰〞，因而煤只能靠迅速分散与炉内气流密切接触，得到所需的氧气和着火的温度，才能较好地着火和燃烧。因此煤粉分散性不好或在炉内分布不均是导致煤不能着火或仅局部着火的主要因素。着火时间主要指煤粉升温和挥发分逸出所需的时间。通常煤着火的时间仅需零点几秒。然而假设煤粉未充分分散，那么升温时间可能较长，挥发分的挥发速率也会下降，从而使着火时间延长。另外许多分解炉结构在设计时未充分考虑到煤的预燃或预燃装置没有发挥功能，煤粉入炉就与大量的生料接触。假设煤质稍差就可能导致不着火，影响煤的燃烧效率。随煤的活性的提高或挥发分含量高，着火点下降。挥发分由于自身着火温度低，燃烧速率高，可带动固定碳的着火和燃烧，故高活性的煤对着火有利。3、CaCO3分解对煤燃烧的作用一定条件下分解炉中煤的燃烧与气流间存在传热平衡，假设系统中存在CaCO3，那么CaCO3颗粒与气流之间也存在传热平衡。煤粒放热量传递到CaCO3颗粒主要通过对流换热方式及少量辐射传热。在忽略煤粒对CaCO3颗粒的直接传热的条件下，炉内气流是煤粉与生料之间的传热中介。煤粉燃烧放出热量传递给气流，气流又把这局部热量传给生料或CaCO3。CaCO3在不同温度下的吸热速率线见图6-69中曲线3，它与气流的换热线Li相交得到平衡点e1。由于不同炉温下CaCO3的分解速率不同，故CaCO3-气流换热平衡点也不同。在到达平衡时，CaCO3颗粒温度Tca与气流温度Tg之间相差5℃左右。可以近似把CaCO3温度等同于炉温。在分解炉正常运行的平衡状态下，煤的放热速率、CaCO3分解的吸热速率、煤-气间综合换热速率和CaCO3-气间综合换热速率四项平衡忽略炉壁散热。四相平衡是分解炉内煤的燃烧，CaCO3分解和气固换热这一综合平衡系统所具有的特征。忽略这种平衡关系就会偏离分解炉的实际情况。由于煤燃烧的终态d点的放热速率与Tg有关，而CaCO3分解的吸热速率也与Tgt有关，故上述四项平衡的关键是存在一个适当炉温即气流温度Tg。假定仅考虑反响初期的情况，忽略转化率对放吸热速率的影响，那么由以上动力学的公式和计算，可求出对应的Tg值为900℃。由于分解炉有CaCO3存在，炉内的热工工况受到影响。提高CaCO3的活性如细度提高及选用高活性的石灰石等将使分解炉炉温下降。从图可以看出，由于CaCO3吸热率很大图中吸热曲线3很陡，提高煤的活性对炉温影响极微，欲直接提高分解炉温度是比拟困难的。从中还可看出，分解率的上下主要取决于煤的燃尽率。这也是分解炉炉温相对较均匀，处于无焰燃烧的原因。燃烧动力学图如图6-70所示，煤在低温状态时，燃烧速率与气流速率无关，在高温区>1000℃那么气流对燃烧的作用显现出来，由于扩散速率受气流流动状态的影响较大，而化学反响控制的燃烧根本与流动状态无关。煤在分解炉中燃烧机制的问题，长期以来，许多学者把它看成是由化学反响控制，原因是分解炉温通常在低于900℃温度范围内。然而在分解炉中，炉气流温度与煤自身的温度并不相等。英国学者R．K．查克勒博等人曾把中心嵌有热电偶接点的炭粒投入900℃的沸腾床内，连续记下热电偶输出值。实验测得炭粒外表温度高于炉温50～2021，且炭粒越小温差越大。在生产实际过程中，分解炉中煤粉呈明亮小火星状漂浮在气流中，说明煤粒比周围气流温度高。虽然分解炉气温Tg<900℃，但此时煤粉着火后的颗粒外表温度Tc>1000℃，高于炉气流温度Tg约2021以上。已进入扩散控制区或过渡区。由上可见，分解炉中虽然炉温仅850℃左右，但煤粒外表实际的温度超过1000℃，因而燃烧主要为扩散控制或者化学反响与扩散共同控制。对化学反响控制的燃烧，应以提高燃烧温度为主；对扩散控制的燃烧，那么应以增加湍流度和气流的扰动以及减小颗粒尺寸为主。在实际的操作过程中，增加煤粉细度，提高炉内流动湍流以及提高煤粉的分散度被证明是促进煤燃烧的有效手段。然而从煤着火的角度来看，煤的燃烧只有在着火后才会处于高放热状态。假设煤未着火，燃烧只能处于化学反响控制状态，燃烧的放热速率较低。由此可见，在分解炉中煤着火过程的实质，是燃烧从化学反响控制的状态向过渡态或扩散控制的状态转变的过程。同时这还意味着分解炉中煤处于未着火的状态并不等于煤未燃烧，而仅仅代表了以较低的速度在燃烧。据计算煤着火后的燃烧速率约为106J／m3·s，而未着火的燃烧速率也可高达105J／m3·s。也就是说，分解炉中煤在着火状态下较未着火状态下的燃烧速率约高一个数量级。4、煤粉的燃烧状况煤粉在分解炉内的燃烧状况，除受煤粉自身的燃烧性能影响外，还受炉内操作温度、氧气浓度、空气和煤粉混合状况、生料与煤粉比例及煤粉在炉内的停留时间等因素的影响。〔1〕分解炉操作温度煤粉的燃烧大体分为挥发分的析出和着火燃烧、固定炭的燃烧两个过程，这两个过程都与燃烧环境的温度有关。研究说明当煤中挥发分从25％降到5％时，挥发分析出温度将从约350℃升高到约500℃，其着火温度也将升高约2021。固定炭的燃烧速度r与温度T的关系遵循阿累尼乌斯公式r=eE/RT，当温度升高约70℃时，固定炭燃烧速度将提高约1倍。因此在设计分解炉时，要在保证炉内不发生烧结的情况下，尽量提高炉内煤粉着火区的温度，以利于入炉煤的着火燃烧。〔2〕分解炉中氧气浓度煤粉燃烧是高温下炭与氧的放热化学反响，且是可逆反响，反响产物及其中间产物均为CO及CO2。根据化学反响浓度积规那么，要加快炉内煤粉的燃烧反响速度，必须增加氧浓度。分解炉采用离线布置方式，通过三次风管抽吸高温新鲜空气作分解炉助燃空气，这样可保持炉内特别是炉下部氧分压较高而CO、CO2分压较低的状况，有助于煤的燃烧。〔3〕空气和煤粉的均匀混合煤的燃烧反响首先发生在煤粒外表并形成产物层，其后的燃烧速度既取决于炭粒的化学反响速度，也取决于气体氧气通过产物层的扩散速度。研究说明：窑头煤粉的燃烧速度主要受气体的扩散速度控制；而分解炉内煤粉的燃烧速度主要受碳的化学反响速度和气体扩散速度控制。因此，在设计分解炉时应尽量考虑使气体和煤粉间保持较高的相对运动速度，促进气体扩散，加速空气和煤粉的均匀混合，以加快煤粉燃烧。〔4〕煤粉在炉内的停留时间燃料必须在分解炉内充分燃尽才能产生足够的热量，满足生料分解的要求，保证预热器系统的正常运行。煤粉颗粒的点燃燃烧燃尽过程需要一定时间。无烟煤的燃烧反响速度较慢，其需要的燃尽时间也较长。研究说明，在相同细度条件88µm筛余10％下，煤挥发分从26％降低到5％时，到达炉内燃尽的煤粉停留时间要延长1倍以上。因此，在设计分解炉时，必须考虑延长煤粉在炉内停留时间的相关技术措施。5分解炉内生料与煤粉的比例生料与煤粉比例越高，生料分解吸热越大，越不利于煤的燃烧。因此，在分解炉设计时，可采取相关的技术措施，降低炉内生料的浓度，以利于炉内煤的燃烧，确保入窑生料分解率。5、分解炉内的温度分布煤粉喷燃温度可达1500～1800℃左右，分解炉内气流温度之所以能保持在800～900℃之间，主要是因为燃料与物料混合悬浮在一起，燃料燃烧放出的热量，立即被料粉分解所吸收，当燃烧快，放热快时，分解也快；相反，燃烧慢，分解也慢。所以分解反响抑制了燃烧温度的提高，而将炉内温度限制在略高于CaCO3平衡分解温度20210℃的范围。图6-71所示为分解炉内的等温曲线。由图可得以下结论。①分解炉的轴向及平面温度都比拟均匀。②炉内纵向温度由下而上逐渐升高，但变化幅度不大。③炉的中心温度较高，边缘温度较低。主要是炉壁散热、中心料粉稀、边缘浓所致。6、分解炉内的燃烧速度分解炉内的燃烧速度，影响着分解炉的发热能力和炉内的温度，从而影响物料的分解率。燃烧速度快，放热多，炉内温度就高，分解速度将加快。反之，分解率将降低。因此加快燃料燃烧的速度，是提高分解炉效能的一个重要问题。分解炉内的燃烧温度通常在860～950℃，燃烧过程的性质处于低温化学动力学控制范围与高温扩散控制范围的交界，因此，影响这两种过程的影响因素，均对分解炉内的燃烧速度有重要影响。其中影响燃烧速度的化学动力学因素有燃料的种类、性质、温度、压力及反响物浓度等，影响扩散燃烧速度的主要因素有炉气的紊流程度、燃料与气流的相对速度、燃料的分散度等。为适当加快燃烧速度，控制好炉温，一般应注意以下几个方面。①选择适当的燃料参加点并分成几点参加。②适当控制燃料的雾化粒度或煤粉细度。③选择适当的燃料品种，例如煤粉中含有适当的挥发物，使挥发物与焦炭先后配合燃烧，以到达好的热效应。④选择适当的一次、二次风速以及适宜的加料点的位置。⑤调节燃料参加量以改变燃烧的空气过剩系数。7、分解炉的容积热负荷一些分解炉的容积热负荷见表6-18。由表可见，各类分解炉的容积热负荷相差较大，它与分解炉中的燃烧速度、气体速度及炉的结构有关。表6-18一些分解炉的容积热负荷炉型KHDMFCSLCILCDDRS31300510/容积热力强度A/202192508446559573774365307357667778414688468621容积热力强度B/38811652021717241821185752〔二〕分解炉内的传热在分解炉内，由于料粉分散在气流中，燃烧放出的热量在很短时间内被物料吸收，既到达高的分解率，又防止了过热。1、分解炉内传热的特点分解炉内的传热方式主要为对流传热，其次是辐射传热。炉内燃料与料粉悬浮于气流中，燃料燃烧，燃料中的潜热把气体加热至高温，高温气流同时以对流方式传热给物料。由于气固相充分接触，传热速率高。分解炉中燃烧气体的温度在900℃左右，其辐射放热性能没有回转窑中燃烧带的辐射能力大。然而由于炉气中含有很多固体颗粒，CO2含量也较多，增大了分解炉中气流的辐射传热能力，这种辐射传热对促进全炉温度的均匀极为有利。分解炉内传热公式可用下式表示，即〔式6-22〕式中——单位时间气流向物料传递的热量；F——气流与物料的传热面积；——气流温度tg与物料外表温度ts的温度差；——对流及辐射综合传热系数。传热系数与颗粒直径d2·℃之间。2、悬浮态传热分解炉内传热最主要的因素是传热面积大大增加，料粉与气流充分接触，其传热面积即为料粉的比外表积。因此，气流与料粉的温度差很小，使料粉的升温如750～900℃瞬间即可完成。也是由于这个原因，燃料放出的大量热量，能迅速地被碳酸盐分解吸收而限制了气体温度的提高。传热及传质速率的提高，使生料的碳酸盐分解过程由传热、传质的扩散控制过程转化为分解的化学动力学控制过程。这种极高的悬浮态传热、传质速率与边燃烧放热、边分解吸热共同形成了分解炉的热工特点。〔三〕分解炉内的气体运动1分解炉对气体运动的要求分解炉内的气流具有供氧燃烧、浮送物料及作传热介质的多重作用。为了获得良好的燃烧条件及传热效果，要求分解炉各部位保持一定的风速，以使燃烧稳定、物料悬浮均匀；为使在一定炉体容积内物料滞留时间长些，那么要求气流在炉内呈旋流或喷腾状，以延长燃料燃烧及物料分解的时间；为提高传热效率及生产效率又要求气流有适当高的料粉浮送能力，在加热分解同样的物料量时，以减少气体流量，缩小分解炉的容积，并提高热的有效利用率。在满足上述工艺热工要求的条件下，要求分解炉有较小的流体阻力，以降低系统的动力消耗。概括说来，对分解炉气体的运动有如下要求。①适当的速度分布。②适当的回流及紊流。③较大的物料浮送能力。④较小的流体阻力。2分解炉内气体运动速度分布分解