富氧燃烧在水泥回转窑中的应用
  1富氧燃烧缩短燃料完全燃烧所需的时间
   增加空气中氧气的浓度,如氧的浓度能提高到25%,则煤粉的燃烧时问可大大缩短,为此,按无灰碳粒燃烧的计算公式 进行估算 设τ1为当空气中氧气的浓度为21% 时,碳粒完全燃烧所需的时间(s)τ1。设τ2为当空气中氧气的浓度为25%时,碳粒完全燃烧所需的时间(s)τ2。
   τ1=ρδ/(8mD×0.21×1.428) (1)
   τ2=ρδ/(8mD×0.25×1.428) (2)
   式中:ρ为碳粒的密度(kg/m3),δ为碳粒的颗粒直径(m);D为氧气的扩散系数(m2/s);m为碳与氧的化学当量E(0.375);1.428为氧气在标准状态下的密度(kg/Nm3)。由(1)/(2),得
   τ2=0.84τ1
   由此得出结论,如氧气的浓度提高至25%时,煤粉的燃烧时问可缩短16%。在空间尺寸不变的情况下,由于煤粉燃尽时间缩短,煤粉燃尽的程度自然提高。这就减少了煤粉的不完全燃烧所造成的热量损失,达到节能目的。另外CO、N 等有害气体生成量相应减少,有利于环保
   2富氧燃烧提高了窑内气流对物料的辐射传热速率
   在水泥回转窑内火焙向物料传热的主要方式是辐射传热-而窑内气流对物料的辐射传热速率又主要取决于气流的温度和气疯的黑度,二者越高,辐射传热量越多,富氧燃烧能达此目的。由于空气中氧气的浓度提高,相应可减少空气量,使得进燃烧室的N2量下降,火焰的总体积下降(即火焰的体积流量下降)。在燃料的加入量不变的情况下,火焰的温度相应提高,提高的程度主要取决于空气中氧气的浓度。
   如某厂水泥回转窑的台时产量为26t/h 煤耗为0.25 kg/kg熟料,每小时烧煤量6500kg,燃烧带的过剩空气系数为1.1。燃煤的理论空气量为6Nm/kg(煤)。论文参考网。
   由此看出,需含氧气为21%的空气量:
   V=26000X0.25×6×1.1=42900Nm/h
   在此空气中的含氧量=42900X21%=9009Nm/h。当空气中氧气的浓度提高至25 时,所需的空气量
   V=9009/0.25=36036Nm/h
   因此,空气量减少16%
   进入燃烧室的N2量相应下降20%,使得火焰的总体积下降,在燃料的加入量不变的情况下,火焰温度提高,提高的程度主要取决于空气中氧的浓度,当空气中氧气的浓度达到25%时,经计算,火焰温度可提高lO0℃左右。另外因入窑空气量减少,使得火焰中CO2与H2O的体积百分比浓度升高,火焰的黑度也相应增大。
   根据计算得知,当助燃空气中氧含量为25%时,CO2的体积百分浓度提高17.5%,水蒸汽的体积百分浓度相应提高17.7% ,由于CO2与H2O的浓度均增加许多,火焰的黑度相应增大,当空气中氧气的浓度为21%时。火焰的黑度经计算为0.2104,当空气中氧气的浓度为25%时,火焰的黑度经计算为0.2245。增加的程度约6%,火焰对物料的辐射传热量提高的程度大致计算如下:
  对水泥回转窑来说,气流对物料的辐射传热量由下式计算
   Qfm= 5.699×δgδm×[(Tg/1OO)4-(Tm/1OO)4]×Fm×ψg.m/(l-(1-δg)(1-δm )]W (3)
   式中;δg 为火焰的黑度, δm为物料的黑度。Tg为火焰的温度(K);Tm为物料的温度(K);Fm为火焰的表面积(即容器的内表面积,m2 );ψg.m为火焰对物料的辐射角系数。
   由于
   ψg.m = Fm/Fg×ψm.g 而ψm.g =1 (4)
   ψm.g为物料表面对火焰的辐射角系数;Fm为物料的表面积(m2 )。将式(4)代人式(3)并转化为对流换热的形式得:
   αgm= 5.699×δgδm×[(Tg/1OO)4-(Tm/1OO)4]/[(l-(1-δg)(1-δm )×ΔT] (5)
   式中,αgm为火焰对物料的辐射传热系数(W/m .℃);ΔT为燃烧带火焰温度与该带物料温度之差。
   由公式(5)计算,当空气中氧气的浓度为2l% 时:
   αgm=257.4 W/m2·℃
   当空气中氧气的浓度为25% 时:
   αgm=310 W/m2·℃
   由此看出,水泥回转窑燃烧带火焰对物料的辐射传热量提高的程度应为20.4% 。回转窑其他各带的辐射传热量都相应提高,提高的幅度不会相差很大。
   3 讨论
   为使生料完成一系列的物理化学过程变成质量较高的熟料.必须在回转窑内保持一定温度,并供给物料一定热量以及一定范围内保持足够的反应时间,这就要求煤粉燃烧后造成高温的同时,形成的火焰有一定长度、形状和稳定性,以满足水泥生产的工艺要求。
   富氧燃烧技术的应用,一方面可使火焰温度及黑度提高,从而加大火焰对物料的辐射传热能力.有利于水泥生产。同时因减少空气用量,以及煤燃烬程度的提高,使燃料的燃烧效率提高,达到节能降耗减少污染的目的。但另一方面,由于煤燃烧速度的提高,使火焰长度缩短,若操作不当。论文参考网。易造成短焰急烧,使高温部分过于集中,易烧垮“窑皮”及衬料,不利于窑的长期安全运转。同时由于氮气的减少,导致窑内对流减弱,不利于对流传热,并增加窑内温度的不均匀性和易产生热斑。为充分发挥富氧燃烧的优势而避免带来不利影响。必须在燃烧
   水泥设备及工艺操作方面作相应调整,如采用新型的适于富氧燃烧的燃煤喷枪。或在煤燃烧时适当提高煤将喷出的速度,并努力实现烟气循环利用,加大窑内气流动量,改善窑内对流传热等等。以满足生产对火焰长度及温度场的要求。
   当然,富氧燃烧技术的应用还将受到制氧设备及成本的限制。但随着社会对节能环保要求的日趋强烈,以及高效制氧技术的发展,富氧燃烧在水泥窑的应用将有可能成为现实。
   4 结束语
   富氧燃烧可改善回转窑煤的燃烧条件,缩短燃烧所需时间,实现燃料的完全燃烧。同时也可使传热速率大幅度提高,因此有利于水泥生产,此外,采用富氧燃烧,可使废气排放量及CO、NO 等有害气体的产生量下降。有利于水泥生产线节能环保,但富氧空气的引入不可避免地会政变水泥的原有工况条件,因而在操作及设备方面必须作相应的调整,以满足水泥回转窑生产中所要求的火焰及温度场要求。