1、合理選擇和優化1. 研究意義回轉窯工作原理是利用回轉著的窯筒體，不斷旋轉帶動固體物料不斷翻滾，以其暴露的新表面與掠過的氣體進行傳熱和傳質并產生化學反應?由于回轉窯內的物料是處于堆積態，窯內氣-固、固-固之間的換熱效率就相對較低，研究高溫熱處理條件下回轉窯內發生的物質與能量的轉化與傳遞，研究空氣過剩系數、二次風溫度、內外風量比等操作參數對窯內傳熱過程的影響，并對操作參數進行優化，從而求得煙氣、物料、窯內外壁沿窯長方向的溫度變化規律，借此了解煅燒窯內溫度分布及爐窯熱工特性，可為優化窯的操作參數提供理論依據。并對煤粉燃燒器的操作參數進行優化，這對提高回轉窯內換熱效率、降低回轉窯能耗具有重要的意義。水

2、泥熟料燒成反應是指硅酸二鈣與氧化鈣生成的液固相反應。由于水泥熟料強度的主要組成來源是GS,因此GS+CaSGS的燒成過程對整個煅燒過程具有至關重要的作用。對C-S-A-F-MgO系統而言，該反應主要發生在熔融的液相中，液相出現的溫度約為1550K（1277）。燒結反應的機理可以這樣描述：固相反應生成的C2S和之前未被反應的CaO在液相中溶解、擴散并在液相中發生反應、經液相的過飽和及反擴散,最后經過再結晶形成新相C3S。從傳熱學的角度來說，窯內物料因入窯生料表觀分解率為9095%,分解吸熱反應所需的熱量很少，公斤熟料約200100千焦，物料升溫吸熱量約為450500千焦，而熟料礦物形成是以放熱反

3、應為主，設熟料中C2s占%C3S占%C3A占%C4AF占%反應過程放熱量約為655千焦。基于窯內熟料形成熱基本是一個負值，所以可以認為窯內傳熱已不是主要矛盾，而熟料礦物生成的晶格形成和晶體生長所需維持的高溫條件及在燒成帶的停留時間成為矛盾的主要方面。2. 回轉窯用燃燒器對性能的要求根據物料煅燒難易程度、窯的工況調節火焰形狀。因此回轉窯對煤粉燃燒器的性能要求是必須易于調節。煤粉燃燒形成的火焰形狀應是肥瘦適宜的棒槌狀，這樣的火焰形狀可使整個燒成帶具有強而均勻的熱輻射，從而在燒成帶形成致密又穩定的窯皮，既可生成質量均勻且優質的水泥熟料，又延長了水泥回轉窯耐火磚的使用壽命?3. 煤粉燃燒和火焰形成過程

4、煤粒燃燒過程是一個非常復雜的氣固兩相流動與煤粉燃燒共同存在的過程，具體包括了預熱、揮發份析出、揮發份燃燒及焦炭的燃燒。煤粒反應過程：圖1煤粒反應模型火焰的燃燒過程：圖2火焰燃燒各個階段區域A區：黑火頭，長，在該區域燃料和助燃空氣充分混合，但燃料尚未點燃，處于加熱階段。溫度逐漸上升到600。B區：火焰的誕生地，揮發物質和助燃輕質油析出和燃燒生成CO2和HQ所達溫度600-1100CoA區和B區的邊界稱為火焰的起點。C區：煤燃燒和燃油裂化釋放出碳。溫度上升到1100-1600C。D區：H2和CO班原反應生成CO口H。溫度上升到高于1600CoEK:H和CO燃燒重新得到CO才口H2Q伴隨有白熾粒子。

5、F區：燃燒的最后階段，生成CO前H2Q并伴有過剩空氣。火焰形狀的調節火焰粗短的調節：增大旋流風出風面積和角度，火焰變粗，同時增大外軸流風的風速，保證外軸流風包裹火焰形狀，即減小外軸風的出風面積，提高外軸風的風速和風壓。標尺直觀判斷：旋流風標尺數字變大，外軸風標尺數字變小。火焰細長的調節：減小旋流風出風面積和角度，火焰變細，同時減小外軸流風的風速，保證外軸流風包裹火焰形狀，即增大外軸風的出風面積，減小外軸風的風速和風壓。標尺直觀判斷：旋流風標尺數字變小，外軸風標尺數字變大。增加推力意味著供給煤管的軸向風更多的能量。增加旋轉力意味著增加放射性能量從而增加了氣流量。圖3火焰調整示意圖4. 回轉窯內煤

6、粉燃燒模型的建立假設條件回轉窯內煤粉燃燒數學模型包括煙氣的紊流、氣體燃燒和輻射現象。這里用到兩個假設：一是煙氣流動為穩態條件，且窯內壓力恒定；二是煙氣按不可壓縮流對待。物理模型回轉窯的原型規格為（1）4X60m?去除燃燒帶內襯及窯皮的厚度之后，有效內徑為力。模擬區域取為20nl包括了從窯頭開始至燒成帶結束的連續區域。網格化的回轉窯模型：圖4回轉窯模型基于四通道煤粉燃燒器已在新型干法水泥生產線上得以廣泛應用，本文也選取四通道煤粉燃燒器進行模擬。四風道煤粉燃燒器的結構見圖，選取的計算區域見圖圖5燃燒器模型1-外凈風道；2-煤風道；3-內凈風道；4-中心風道；5-點火油槍通道煤燃燒模型煤粉由四通道煤

7、粉燃燒器送入，煤粉與高溫空氣在進入窯內后進行混合，其燃燒特征符合非預混燃燒模型，因此煤粉的氣相燃燒模型采用非預混燃燒模型?煤粉的流動用離散相模型來模擬，此模型可以預測出單個煤粒的運動軌跡?離散項的軌跡與氣相連續方程交替計算也包含了煤粒與氣體間的熱量、動量和質量的傳遞?輻射模型由于回轉窯內的輻射換熱主要體現在氣體與顆粒之間。在氣體與煤粉湍流運動的基礎上，引入非預混燃燒模型計算煤粉的燃燒，與此同時耦合計算氣體與煤粉顆粒之間的輻射換熱。初始條件及邊界條件二次風、煤風和內凈風進口采用風速邊界條件，根據實測工況參數范圍直接設定入窯速度？燃燒器的中心風、外凈風出口速度很大，為可壓縮流，進口采用質量邊界條件

8、，直接設定入窯質量流率？出口采用壓力邊界條件，出口壓力設定為-70Pa。對于近壁面，以及氣固界面，沿煙氣流動方向采用壁面函數？計算選取的各種初始條件及邊界條件見表:項目風道入口溫度/K入口速度/m/s質量流率/kg/s二次風次風中心風內凈風煤風一外凈風表1初始條件及邊界條件項目MadAadVadFCad煤粉表2煤的工業分析煤粉低位發熱量(DAF)為kg,熱值為1000J/(kgX),密度為m3一次風和二次風為凈空氣，由21%的氧氣和79%勺氮氣組成。5模擬結果及分析本文采用同規格生產線的熱工標定實測參數作為初始參數進行計算。著重研究了空氣過剩系數、內外風量比及二次風溫度對窯內溫度分布的影響。測

9、試工況下內外風量比為，二次風量為s,窯頭過剩空氣系數為，二次風溫度為1373K?窯內溫度分布模擬結果見圖。窯內溫度分布的主要影響因素內外風量比R、空氣過剩系數n、二次風溫度T(K)和旋流角a(°)的值列在圖下方？圖6模擬工況下窯內溫度分布圖由圖6可以看出，火焰形狀呈向外波動的棒槌形，這與從工程經驗所知的實際火焰形狀相符。如圖6指示，煤粉在離燃燒器噴嘴較遠的一個窄而短的區域內高溫燃燒，噴嘴附近的煙氣溫度均比較低，黑火頭較長，這使得實際的燒成帶較短，而使冷卻帶延長，預熱分解帶也相應縮短,這種窯內溫度分布會降低窯的有效傳熱面積，因此不能滿足水泥燒結所需的溫度要求？同時由于高溫區域較小，煤粉

10、極易燃燒不完全，未來得及燃燒的煤粒或在物料內燃燒,或被物料帶出，還有的甚至被煙氣帶出窯外，造成較大的機械損失及化學不完全燃燒熱損失，甚至出現結皮、燒損襯料與窯壁等事故？回轉窯的現場熱工測試結果也證明了這一點？過剩空氣系數n對燃燒過程的影響在燃燒器的主要操作參數中，窯頭空氣過剩系數對窯內火焰形狀及煙氣溫度分布有重要影響，同時也關系著燃燒器性能的發揮？因此通過調整空氣過剩系數n來改善窯內火焰形狀及煙氣溫度分布。在R=,T=1373K,a=150條件下，空氣過剩系數從到的范圍變化時窯內火焰形狀和煙氣溫度分布情況，結果見圖7？圖空氣過剩系數n=時窯內火焰形狀及煙氣溫度分布圖空氣過剩系數n=時窯內火焰形

11、狀及煙氣溫度分布圖空氣過剩系數n=時窯內火焰形狀及煙氣溫度分布圖空氣過剩系數n=時窯內火焰形狀及煙氣溫度分布圖是不同空氣過剩系數時回轉窯內火焰形狀及煙氣溫度分布情況?由圖可知，隨著空氣過剩系數的增大，高溫區域逐漸向后移動且變得狹長，平均溫度下降?空氣過剩系數n=時，火焰短而粗，平均溫度較高，火焰長度11m，熟料燒成溫度有效區間長度為，黑火頭長度?根據工程經驗，回轉窯內黑火頭的長度一般在m-1m范圍內為好?黑火頭過長，會降低對回轉窯的有效傳熱面積，對煅燒不利，進而影響產品質量；黑火頭過短，會使出窯熟料溫度過高，導致冷卻機負荷增加，易燒壞噴煤嘴?空氣過剩系數為時，火焰長度為13ml熟料燒成溫度有效

12、區間長度為8m,火焰形狀為良好的棒槌狀，但黑火頭長度為4m長度過長?當過剩空氣系數n=時，火焰變細變長，火焰平均溫度降低，熟料燒成溫度有效區間長度為6m，窯壁區域煙氣溫度下降，燃燒區域較長?空氣過剩系數過大造成的長火焰適于在點火烘窯或當窯溫過高、耐火內襯有燒損時使用，且過多的助燃空氣還會造成煙氣排放損失?空氣過剩系數n=時，煤粉在燃燒器噴嘴前方燃燒，火焰集中，熟料燒成溫度有效區間長度為9m,黑火頭長度為，符合黑火頭最佳長度為的要求，火焰形狀和長度適中,有利于強化生產，屬于比較理想的活潑型火焰？煤粉燃燒中心溫度高達2000K煤粉燃燒集中在距燃燒器噴嘴較遠處一個“窄而短”的區域?這使得在燃燒帶較長

13、距離釋放出熱量，可成倍增加燒成帶的長度,成倍提高燒成熟料能力，從而成倍增加窯產量?這種火焰尤其適用于新型的干法窯?并且可以看到在靠近燃燒器頭部的位置，形成了一個長度適中的低溫區域，這可以用于冷卻燃燒器的噴嘴，起到保護燃燒器的作用?由以上對比結果可知，空氣過剩系數對火焰形狀及性能有重要影響，過剩空氣系數較小時，火焰粗而短，平均溫度比較高；當過剩空氣系數過大時，火焰細而長，火焰平均溫度降低，燃燒區域變長，且過多的助燃空氣還會延遲煤粉燃燒的時間，這是噴嘴附近煙氣溫度較低，黑火頭較長的主要原因?圖中顯示最佳的空氣過剩系數為，可根據窯況在合適的范圍內進行調節?內外風量比R對燃燒過程的影響在實際生產過程中

14、，經常通過調節內、外風量的方法來調節火焰形狀?所以現在研究不同內、外風量比時窯內火焰形狀、煙氣溫度分布的變化規律？確定空氣過剩系數n=,在a=15°,T=1373K條件下，R值從到的范圍內變化，比較不同內外風量比時窯內煙氣溫度分布情況？內外風量的變化會引起一次風量的變化，通過調整二次風量來保證的空氣過剩系數？模擬結果見圖8？圖內外風比R=寸窯內火焰形狀及煙氣溫度分布圖內外風比R=寸窯內火焰形狀及煙氣溫度分布圖內外風比R=寸窯內火焰形狀及煙氣溫度分布圖內外風比R=寸窯內火焰形狀及煙氣溫度分布圖為不同內外風量比時窯內溫度分布情況？雖然旋流內風所占比例較小，旋流強度不大，但煤粉噴出后的著火

15、不僅需要靠外風對高溫二次空氣的卷吸作用來預熱煤粉，而且要與內風進行混合？由圖(a)(b)所示，內外風量比由增大到，由于內風量的增加使得內風速度增加了15m/s,有利于徑向上煙氣和煤粉的混合，但外風量的減小使得外風速度降低了6m/s，降低了外風對高溫二次風的卷吸，但旋流程度大大增強，而卷吸影響相對較小，的內外風量比使得窯內高溫區域在徑向和軸向都能擴展，火焰變粗變短，黑火頭長度適中，可較好地保護燃燒器噴嘴，窯內火焰形狀及其溫度分布都能滿足窯頭冷卻帶、燃燒帶的溫度要求，可保證水泥熟料的燒成質量?保持內風量不變，通過降低外風量增大內外風量比?隨著內外風量比進一步增大，由圖(c)所示,的內外風量比，外風

16、道速度降低了69m/s,圖(d)所示，的內外風量比使得外風速度降低了129m/s,大大降低了外風對高溫二次風的卷吸作用，延遲了煤粉的點火時間，使火焰變細變長，黑火頭較長，軸向流動和溫度衰減加快，窯內溫度分布不利于強化生產?可根據水泥工藝對火焰形狀和溫度分布的要求選擇不同的內外風量比。一般地，內外風量比不宜過小或過大，根據模擬結果，本課題所用的四風道煤粉燃燒器的最佳內外風量比為。根據窯的工況可調整內外風量比的值在附近。二次風溫度T對燃燒過程的影響在回轉窯的主要操作參數中，二次風起到預熱煤粉、使煤粉著火的作用，因此二次風的溫度對煤粉的燃燒具有重要作用?確定R=，R=,a=15,二次風溫度取值從10

17、00K到1550K的范圍內變化時，對比窯內火焰形狀和煙氣溫度分布情況，計算結果見圖?為不同的二次風溫度時窯內煙氣溫度分布情況?高溫二次風被外風卷吸，把熱量傳遞給一次風與煤粉，進而預熱并點燃煤粉?隨著二次風溫度的提高，煤粉著火位置越靠近噴嘴，火焰形狀變粗變短?如圖（a）和圖（b）所示，溫度T=1000K與T=1250K時，火焰形狀細長，煤粉燃燒延后，且黑火頭較長，T=1000K時，火焰最高溫度為1600KT=1250K時，火焰最高溫度為1800K,都無法達到水泥燒結所需的溫度要求？如圖所示，溫度T=1373K時，火焰形狀肥瘦適宜，黑火頭長度適中，且最高溫度達到2000K，火焰溫度分布能夠滿足水泥

18、回轉窯的工藝要求？二次風溫度再升高，當二次風溫度T=1550K時，如圖（d）所示，火焰最高溫度為1900K，火焰高溫燃燒區域縮短，火焰溫度分布不符合水泥生產的溫度要求？因此，內外風量比一定時，二次風溫度過高或過低都不適合，根據模擬計算，二次風溫度應取1373K?與工況條件下相比，優化之后的操作參數為空氣過剩系數由調整到了，而二次風溫度與內外風量比的值不變。操作參數優化后，黑火頭長度適中，火焰形狀肥瘦適宜，火焰高溫區域集中，大大提高窯的有效傳熱面積，有利于熟料的強化生產，保證了熟料的燒成質量。操作參數優化后窯內溫度場、速度場及濃度場對本課題選用的同規格的回轉窯及其所用的四風道煤粉燃燒器而言，最佳

19、的內外風量的比約為，燒成帶過剩空氣系數為，二次風溫度為1373K，此時燃料煤粉能得到充分的燃燒，窯內溫度分布也能滿足水泥熟料燒成的需要?（1）溫度場操作參數優化后回轉窯內軸向溫度分布見圖，不同橫截面上的溫度分布見圖。橫截面溫度分布圖為操作參數優化后回轉窯內軸向溫度分布圖，圖為參數優化后窯內不同橫截面上的溫度云圖。由圖可知窯內煤粉燃燒形成的火焰為理想的活潑型火焰，火焰形狀肥瘦適宜，高溫區域集中，這樣的火焰形狀與溫度分布符合水泥熟料燒成的工藝要求。由圖可知窯內各橫斷面的火焰近似呈圓形，火焰肥瘦與窯壁斷面相適應，并能均勻地布滿整個窯斷面。火焰外廓與窯皮之間有一定的空隙，這種火焰對熟料燒成質量以及煤粉

20、的燃燒效率都比較有利，火焰高溫區域集中在水泥熟料的燒成位置，滿足水泥熟料燒成帶的高溫要求。（2）速度場速度場可以顯示煤粉與煙氣的運動特性，用于評判煤粉燃燒情況。參數優化之后窯內煙氣軸向流動速度見圖，橫截面上運動速度見圖。（a）z=0面的速度矢量圖(b)區域1的局部放大圖(c)區域2的局部放大圖圖中心縱切面z=0上的窯頭速度矢量圖圖x=1截面速度矢量圖參數優化后窯內中心縱切面z=0上的窯頭速度矢量見圖，x=1截面速度矢量見圖。由圖(a)可知回轉窯總體速度場分布形態由“雙峰”型向“單峰”型轉變。一次風與二次風極大的速度差異使得在燃燒器噴嘴附近一次風對二次風產生強大的卷吸作用，如圖所示。另外由于燃燒

21、器旋流風引起的離心力作用，在噴嘴附近會形成內回流區，如圖(b)所示，內回流區一方面可以穩定火焰形狀，另一方面為燃料與空氣的混合提供了時間。由于二次風與一次風的速度差異太大，在遠離燃燒器的窯壁附近會形成外回流區,如圖(c)所示。外回流區可以保護窯皮免受高溫氣流的沖刷，從而起到保護窯壁的作用。(3)濃度場沿窯長方向上O2、CO、CO2的摩爾濃度分布見圖，由此可知煤粉燃燒的特性。圖窯內O2COCO21勺摩爾濃度分布圖是窯長方向上O2COCO2的摩爾濃度分數分布曲線。在這條a-f表示。在a(x二)處CQCO薛爾分數為0,此處煤粉揮發分開始揮發，但還未燃燒。在a和b(x=1m)之間，CO的濃度迅速增大，并且02濃度開始減少，C02濃度開始增加，表明焦炭開始著火燃燒，燃燒過程中產生CO。由此也表明窯內黑火頭長度約為m。在c(x=2m)和d(x=4m)之間出現了02和C02的平緩區，這是在近壁面處產生的外回流區造成的，而CO濃度繼續增大，這表明在d之前，焦炭燃燒產生的CO速率遠遠大于CO的消耗速率，在d之后由于焦炭燃燒產生的CO1率小于CO燃燒的消耗速率，CO的摩爾濃度分數迅速降低，直到e(x=8M)處降到為0。在f(x二)處O2與CO2的摩爾濃度分數