对分解炉气体平均停留时间和容积热负荷关系之管见

对分解炉气体平均停留时间和容积热负荷关系之管见 对分解炉气体平均停留时间和容积热负荷关系之管见 南京水泥工业研究院季尚行 一、前育 在设计、研究分解炉以及评价、衡量分解炉特性的时候，我们通常以停留时间和容积 热负荷作为主要的热工特性参数。为了对这两个参数的意义和内在联系加深理解，在 研究分解炉时能简化计算并进行合理分析，特别是在工程应用中有效简捷地对分解炉特性 进行评判，我们感到有必要对此两个参数作一些数学推导和研究，并分析有关的影响因素， 以利于在设计、研究和工程应用中更科学的使用分解炉参数。本文就此发表个人的观点，请 同行批评指正。 =、分解妒窖积热负荷和炉内停留时间的物理意义 分解炉每立方米容积每小时发出的 热量称为分解炉容积热负荷。其取值大小，一方面 要考虑分解炉设备和内衬的安全使用，另一方面要考虑合适的炉子容积以保证炉内燃料的充分燃烧和生料达到合理的分解率。由于正常生产中分解炉内温度较低，分解炉本身又不 运动，炉体设备和内衬一般不常损坏，故分解炉容积热负荷的取值主要应考虑满足炉内燃 烧分解的要求。不同类型的分解炉，其气体流动、传热传质、燃烧分解形式不一样，容积 热负荷值也不相同。从统计情况看，现在该值太多在(3(o一9(o)×105(kJ,rn3(h)。 分解炉停留时间分为气体停留时间和物料停留时同。由于炉内气固两相运动情况复杂， 而且物料、燃料颗粒粒径不同，密度也不同，在燃烧分解过程中又时刻变化，同时进炉的 气、料不会同时出炉，因此，工程应用中通常以平均停留时间作为分解炉热工特性参数，在 分解炉的设计研究中，通常可通过实际测定气、料平均停留时间，或经计算求得气体平均 停留时间，再通过物料和气体停留时问比求得物科平均停留时间。设计分懈炉时，炉内气 体平均停留时间的确定，主要考虑使分解炉内燃料充分燃尽和生料达到合理的分解率所需 要的时间，南京化工大学胡道和等人测定了国内几种分解炉的料、气平均停留时间见 ?， 表1[1】。 囊1国内几种分解炉的科、气平均停留时间 耀县 scNGLz zJ LY DXSX JD护 基 也C NKSV RFC MFcsLC NSF RSP DE) SLC 4000 3200 4000 1000 2000 2000 产量(z,d) 2000 4000 1000 3(3 4(3 3(1 1(93 3(8 z(02 4(07 3(15 1(958 气体平均俸罾时问(B) 8(6 10(5 8(6 7(6Z 11(6 9(4 良417(o轫料平均停留时问“) >56(0 3(7 盘6 2，7 5(5 盘7 玉7 4，15 4，8 辩，气平均停留时周地 15(7 我们在设计研究分解炉容积大小时，就是以分解炉窖积热负荷和炉内气体平均停留时 334( 阊两参数来衡量的。而从物理意义上分析。此两参数的取值都是由炉内燃料燃尽和生科达 一定分解率的要求决定的，因此，这两个参数实际上是用不同的方式反映了同一个问。三、分解炉窖积热负荷和炉内气体平均停留时间关系的推导 根据分解炉气体平均停留时间的概念，可得到下式， <1) }=V,O 式中f——炉内气体平均停留时间($)I y— ? 分解炉容积(m3)， Q—— 分解炉内通过气体量(mVs)。 分解— 炉计算中 (2) Q=c(Qt+Q:+Q3) 。 式中Q。——分解炉内新鲜空气量(Nm3,s)|Q2——分 (Nm3Is)， Q。——分解炉内生解炉内煤燃烧废气量 (Nm3,s)， 科预热分解放出气体量 f——工况气体量与标况气体量的换算系数。 根据国家总局推荐 的燃煤近似计算公式并考虑分解炉燃煤情况有; ， (3)Ql。(0(241×10“×Q品+0(5)(口一c)m r ( (4) Q2=(o(213×10-3×Q品+1(65)(me) ?( 式中镰——燃煤热值(kJ,kg)} 、 d——分解炉内空气过剩系数f , 。m——分解炉燃煤量(在线炉为系统燃煤量)(kg,s)? j 。? ,——煤燃尽率(,)。 将(3)(4)式代入(2)式， t 整理得 t 、 Q=f(Q1+Q2+醌) 一cm(O(241a一0(028e)×lO“Q品+cCm(O(和 +1(15r)+Q3) ， (5)，j=amQ三v+b 式中d=f(O(241口一0(028e)×10_3 b=c[m(o(融+1(15,)+Q。] 将(5)式代入(1)式，得t 。 +(6)、t;V,O:v,(。mQYW+6):1,(amQ品v+b)1 对于离线分解炉，将(6)式化为 j ? 1。忙，,c去?晋净+矿b，=?“蠢。+引 (8) 式中g;3600!号釜(kJjm。“)，为离线分解炉容积热负荷。 、一由(8)式得: 3600"lQ品。， „ 、 g 335 ( 代人(7)式得到:+ (。( j ? t=，,(志a+意轰一号 即 (10) 幻;五 ?， 式中矧,[去h志)] 同理，对于在线分解炉，将(6)式化为 (9?)z为分解炉燃煤比例(,)。 t一1儿,rlli丽a q1磊丽---b孤(q J,ilj3=z 。百1 式即l tq;矗(10。) (8?) 中 在线分解炉容积热g一—36弋mQF—吾,一00w(负荷x 通 过上述推导可看出，炉内气体平均停留时间与分解炉容积热负荷成反比关系，如以q对t作图，可得一条双益线，见图1。 四、分析讨论 1(几个系数的讨论 前面式子中，c是工况气体量与标况气体量的换算系数，仅和分解炉 内温度、压力有关， 因炉内温度大多在850,92D?左右，炉内负压值本身不大，影响较小，故计算中棠取平均 温度、压力值，则c就是一个常数1分解炉空气过剩数“在操作中会根据窑内煅烧情况发生 变 多化，但从理论上说，该值一般不因炉型、规模、燃料、生料等不同而有大的不同，其值1(1,1(2左右，煤燃尽率e在分解炉燃烧过程中虽然是个变量，但生产正常的分解炉 内在 成加入的燃料必须在炉内烧烬才行，且在整个燃烧过程中，随着燃烧废气的增加，空气量 是比例减少，尽管燃烧每公斤煤所需空气量和产生的废气量数值不一样，但其总量相差不 100,I Q。与生料品质及炉内分解率有关，因单 位很大，一般在分解炉计算中，常将,作为 生料预热分解放出气体量Q;。数值比较接近，又控制入窑物料表观分解率在90,左右时， 其 55,,65,，故计算中妒内单位产量生科预热分解气体置可视为常 炉内真分解率约为(数，则鼠仅与产量有关。 分解炉燃煤量m则主要和燃煤热值、熟料烧成热耗、分解炉燃煤比例及生产线规模有 t关。 2(t,口双曲线方程中系数^的讨论 对(11)式 d，6代入，整理可得: 展开，将 t一，,{蒜-[(o(zt，n-(oozss，?1+业若韭+最]}im，，根据前面的定义，(1Z)式中。 ?(13) Q。=Q3(g、 (离线分解炉) f(r?x?g),Q品 ，( (14?， (在线分解炉) “21(r(g),Q品 式中Qs(——每公斤熟料对应生料预热分解气体量(Nm3,kg— c1)f 336 g——燕料产量(kg—ei,s)} r——熟料烧成热耗(kJ,kg—e1)( 将?(13)(14)代人(12)式，可得: 诤-,{赢?[(0(24i4_o(ozse;×10 -3飞=，,t业若业+慧”„(15) {赢?[(0(241a(--0zs0姚矿3+塑若韭+竿]}??， 式中h，——离线分解炉t,g比例系数，? 女t——与分解炉燃煤比倒z的乘积为在线分解炉f,口比例系数。即有 „ „ (商线分解炉 加=毛 (16) 在线分解炉 埘;靠2 接前面的讨论，在分解炉计算中c、口、e、Q。(可设为常数i则系数^实际上主要与燃 煤 要热值、熟料烧成热耗和分解炉燃煤比例有关，和分解炉炉型，生产线规模等无关。特别 },g比例系数h，本身与分解炉燃煤比倒是有关的，而在线分解炉 注意的是，离线分解炉 f,口比例系数，必须是,与屯的乘积，h。本身与分解炉燃煤比例没有关系。 3(对,,g关系及其物理意义的讨论 根据前面的讨论，我们看以，从数学关系上说， f和q不是分解炉的两个热工特性参数 独立的两个数，它们互成反比关系，而且一一对应，两者乘积为h(或xh)。由于推导过程中未作其他限定条件，因此，这种关系对水泥分解炉普遗适用。分解炉设计计算条件改变 时，只有比例系数h(z^)会相应变化，而t,口的反比及一一对应性质不会改变。比例系 数^(xh)主要与分解炉设计计算的基础条件燃煤热值、熟料烧成热耗和分解炉燃煤比例有 。美，当这几个基础条件确定后，女<{z)值就确定了，不论何种分解炉型或何种生产规模，其f,g的关系完全相同，此两者中只有一个自变量，人们不能人为的随意改变两个参数或 任意取此两值。当分解炉容积增大时，f值要增大，q值则按比例降低，两者对应，反之亦 然。这就使我们在研究考察分解炉时，可以只考察其中一个参数，只要其满足要求，另一 个参数必然也满足要求，可以不对此两个参数分别进行计算考察。 由于分解炉内煤粉燃尽时间通常大予生料达到要求分解率所需时间，因此分解炉容积 的大小，受控于煤粉燃尽所需的时问。合适的分解炉必须使其中煤粉停留时间大于或等于 煤粉燃尽时间。由于计算气体平均停留时间比较方便，在设计研究分解炉时，我们通常是 按各种分解炉塑特有的科气停留时间比，把物料停留时间转化为气体平均停留时间进行考 察比较，因此，该参数作为分解炉的热工特性参数，物理意义上十分明确。而容积热负荷 这一参数只反映了分解炉内热力强度的太小。对炉容能否满足煤粉燃尽的要求，并不能直 接表征，我们觉得其物理意义也不够明晰。因此，我们认为，在设计研究分解炉时，考察 比较气体平均停留时间更为方便。 需要说明的是，我们在上述推导分析申，对于在线分解炉的容积热负荷是按炉内发热 能力来考虑的，这符台我们通常对分解炉容积热负荷的计算分析方法，著要考虑窑气带入 分解妒的热量，从载热上考虑，则数学关系要复杂的多，本文暂未给以讨论。 五、工程应用计算分析 通过计算，我们可进一步分析t,日 关系在工程中的应用。 首先，按目前预分解窑生产技术水平(从普遍意义上我们取系数为t分解炉平均温度880??4为1，15;E为100,;炉内真分解率为60,(在线型窑(炉一起真分解率为80,)。 对于燃煤热值、烧成热耗及分解炉燃煤比例，按预分解窑常见情况分别列出，算出不同情 况下^值见表2。 襄2计算I值寰(×10„) ^1 ^2( ,o慧肌。 5ZOO 5400 6600 $200 5400 5600 5200 5400 5600 蒋耗, 分解炉燃煤比例:55, 分解炉燃煤比:60“ 在线分解炉 X4?18kJ,kg—, cl750 2，0341 2(0485 厶0620 2(0714 2(0863 2(1003 2(1584 2(1746 2(1898 770 二1115 20456 20601 20738 20823 20974 211679 21842 21996 ，(((((( 2(0566 2(0713 2(0851 2(0928 2(1080 2(1223 2(1769 2(1934 2(2089 由表2可见，在表列范围内，^-、也值各自非常接近。 因 为目前国内新型预分解窑生产线大多燃煤热值在 ,5600)X4(18kJ,kg之间t烧成热耗在(750,。 (5200 790)x4(18kJ,kg—cl及分解炉燃煤比例在55,,60,之墨 问，因此，工程应用中，我们可取表列中间值^。=2(08}壹 k2=2(18，作为预分解窑的t,g比例常数，得到分解炉f薯 ,口关系应用式: 离线分解炉 f?g=2(08X10„ 在线分解炉 #?g=2(18X106z Q为分解炉燃煤比例，,) t 困1 反比曲线见图l。 ,譬关系曲线 f 1一一线分?炉f,q曲线经对多台2000t,d以上规模预分解窑进行核算，误 kl=208X10„?( 差很小，故此式可在较广泛范围内使用。对于一些特殊 2--在线分解炉l一口曲线 的。其生产条件远在上述条件范围外的，可另行计算^^t208z0+6? 一(，;值。 3--在线分解炉I,q随线 „ 虹一2(18。z=o(55 六、结论 1(分解妒的两个重要热工特性参数t和哼不是独立 的 t。 两个数，它们互成反比关系，一一对应，两者乘积为 2(?的取值主要与燃煤热值、熟料烧成热耗和分解炉燃煤比例有关，和分解炉炉型、生 产线规模等无关。只要燃煤热值、熟料烧成热耗和分解炉燃煤比例确定了，各种分解炉的 t,g关系均相等。 3(根据目前国内多数新型预分解窑生产线情况，推导了工程应用中新型预分解窑系统 分解炉f,q的比侧常数值，毛=2(08X105I乜=2(18X106。因此，在大多条件下，分解炉 l,口关系为: 离线分解炉t?口=2(08×106 2(18X106z 在线分解炉t—q 4(由于上述关系，我们在研究设计或考察分解炉时，可以只考察比较其中一个参数，而 ! 不必对此两个参教分别进行计算考察，其效果是一样的。 参考文献 一 J E13 胡道和等，“陕西耀县水掘厂DD型分解炉反术研究。，新世纪水泥导报，1996(1 339