水泥回转窑内煤粉燃烧温度的计算

陈昌华，马娇媚，李小燕

1 引言

随着煤炭资源的日益消耗，近年来用于水泥生产线的煤的热值也在不断下降，品位越来越低。高热值煤和低热值煤对水泥熟料煅烧的影响主要体现在燃烧温度上，计算回转窑内煤粉燃烧温度，可为水泥窑燃用低热值煤提供理论依据。

2 理论燃烧温度

理论燃烧温度是燃料在绝热条件下以理论空气量完全燃烧，不考虑对外做功，烟气可能达到的最高温度[1]。理论燃烧温度可用于比较不同燃料的热值价值和适用范围。

为方便计算，设定煤的干燥无灰基成分为：C：88.00%，H：2.00%，O：8.00%，N：1.00%，S：1.00%。按煤中水分及灰分变化得到两组不同热值的煤，其中一组水分为0，灰分变化，另一组灰分为0，水分变化。环境温度设为20℃，计算煤的理论燃烧温度（见图1）。

计算结果：（1）理论燃烧温度随煤的热值降低而降低，且热值越低，理论燃烧温度随热值降低的幅度越大；（2）相同热值情况下，水分含量高的煤，理论燃烧温度相对低。

3 回转窑内煤粉燃烧温度的计算

3.1 计算原理

回转窑内有燃料燃烧、气固传热、物料反应等复杂的物理化学过程，煤粉在回转窑内的燃烧受到多种因素的影响，计算比较复杂。另外，回转窑内熟料主要为堆积状态，且粒度较大，不属于流体的范畴，难以用CFD软件进行数值模拟计算。

回转窑内热工计算原理为：采用微分法将回转窑划分成若干段，设定各段内的燃烧进度、物料组成、表面散热、换热系数，利用热平衡方程、传热方程和初始条件计算出该段的物料和烟气温度，前一段的计算结果为后一段的输入条件，依次计算整个回转窑内的热工制度。

图1 不同热值的煤对应的理论燃烧温度

图2 计算模型示意图

热平衡方程：对回转窑微分单元进行分布热平衡计算[1]，吸热项主要为物料升温吸热、化学反应吸热和表面散热，放热项主要为燃料燃烧放热和气体降温放热，气料传热量、吸热量、放热量相等得到热平衡方程。

传热方程：回转窑内传热是兼有热传导、对流、辐射的综合传热过程，以辐射传热为主。窑内气料传热量采用式（2）计算[2]。

式中:

△x——计算单元，m

△Q——△x段气固传热量，kJ/h

cs——物料比热，kJ/（kg·℃）

cg——气体比热，kJ/（m3（标）·℃）

ms——物料量，kg/h

qg——气体量，m3（标）/h

tx-△x——入口物料平均温度，℃

tx——出口物料平均温度，℃

Tx——入口气体平均温度，℃

Tx-△x——出口气体平均温度，℃

△ϕ——△x单元内表面散热与化学反应吸热之和，kJ/h

△φ——△x单元内燃料燃烧放热，kJ/h

C1——单位长度气料热传导、对流综合传热系数，kJ/（h·℃·m）

C2——单位长度气料辐射传热系数，kJ/（h·℃4·m）

3.2 三种典型煤在回转窑内燃烧温度的计算

采用三种典型热值的煤，干燥无灰基成分相同，收到基灰分相同，水分不同，煤的成分见表1。

由于回转窑内热工制度的影响因素较多，计算中设定了相同的输入条件，以反映不同热值的煤对窑内燃烧温度及物料温度分布的影响。设定生料入窑温度为860℃，出窑熟料温度为1420℃，燃烧空气（一次风加二次风）温度为1050℃，出窑过剩空气系数为1.1，生料入窑分解率为92%，煤灰及熟料的成分见表2。

熟料产量按5500t/d计算，回转窑规格为ϕ4.8m×72m，火砖厚度为220mm，环境温度取20℃，筒体平均温度取280℃。每隔0.1m作为一个计算单位，设定每个单元中的CaCO3分解，C2S、C3A、C4AF、C3S生成的反应进度及煤粉的燃烧速度（窑内化学反应进度和燃烧速度虽与燃烧温度相关，但影响因素很多，计算中进行了假定处理），忽略窑皮厚度不同对传热系数的影响，从窑尾至窑头依次进行热平衡和传热计算，计算结果见图3及表3。

3.3 计算结果分析

3.3.1 窑内最高烟气温度

当计算单元中燃烧放热量大于气固传热量时，气体温度上升，反之则下降，窑内最高烟气温度的位置主要由煤粉燃烧进度决定。对于图3中的煤粉燃烧进度曲线，气体温度的最高值对应的煤粉燃尽度为80%左右，对应窑内位置为距窑尾56m（距窑头18m）左右。对于计算中采用的三种煤，20900kJ/kg、16720kJ/kg、12540kJ/kg热值的煤对应的最高气体温度分别为1984℃、1961℃、1922℃，热值高的煤对应的最高烟气温度相对高。

3.3.2 出窑烟气温度

出窑烟气温度反映烟室温度，烟室温度过高容易导致烟室结皮问题。上述计算中，生料入窑温度、出窑熟料温度及入窑二次风温均设定为相同值，不同热值的煤计算的窑尾烟气温度不同。对于计算中采用的三种煤，在相同的煤粉燃烧进度下，热值低的煤对应的窑尾烟气温度相对高，计算结果见表3。

表1 三种煤的成分

表2 煤灰及熟料成分，%

图3 三种不同热值的煤在窑内燃烧温度分布

表3 窑内热工计算结果

3.3.3 出窑烟气风速

热值低、水分高的煤燃烧产生的烟气量多，出窑烟气风速大。计算结果，1号煤、2号煤、3号煤对应的出窑烟气工况风速分别为7.34m/s、8.23m/s、10.04m/s，3号煤对应的出窑风速是1号煤的1.37倍。出窑风速高，随烟气排出回转窑的粉尘量将增大，回转窑及烟室的压力损失也将增大。另外，窑内风速高，气体停留时间短，不利于煤粉的完全燃尽。

3.3.4 窑内热耗

采用低热值煤时，窑内热耗将增加。对于计算中采用的三种煤，2号煤比1号煤窑内单位熟料热耗增加50.16kJ/kg，3号煤比1号煤增加154.66kJ/kg。由于窑内热耗增加、出窑烟气量增加，而出窑烟气的热焓仅有一部分可在分解炉及预热器中回收利用，整个烧成系统的热耗将相应增加。

4 结语

（1）煤的理论燃烧温度随煤的热值降低而降低，且热值越低，理论燃烧温度随热值降低的幅度越大；热值相同时，水分含量高的煤，其理论燃烧温度相对低。

（2）以三种不同热值的煤作为燃料，对水泥回转窑进行了热平衡和传热计算。在相同的煤粉燃烧进度等设定条件下，热值低的煤，其燃烧最高烟气温度相对低，出窑烟气温度相对高，单位熟料窑内热耗相对高。

[1]胡宏泰，朱祖培，陆纯煊.水泥的制造和应用[M].山东：山东科学技术出版社，1994：221-223.

[2]孙晋涛.硅酸盐工业热工基础[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003:156-159.