分解爐的熱工性能分解爐生產(chǎn)工藝對熱工條件的要求如下。①爐內(nèi)氣流溫度不宜超過950℃，以防系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)皮、堵塞。②燃燒速度要快，以保證供應(yīng)碳酸鹽分解所需要的大量的熱量。③保持窯爐系統(tǒng)較高的熱效率和生產(chǎn)效率?！惨弧撤纸鉅t內(nèi)燃料的燃燒1、無焰燃燒與輝焰燃燒當(dāng)煤粉進(jìn)入分解爐后，懸游于氣流中，經(jīng)預(yù)熱、分解、燃燒發(fā)出光和熱，形成一個(gè)個(gè)小火星，無數(shù)的煤粉顆粒便形成無數(shù)的迅速燃燒的小火焰。這些小火焰浮游布滿爐內(nèi)，從整體看，看不見一定輪廓的有形火焰。所以分解爐中煤粉的燃燒并非一般意義的無焰燃燒，而是充滿全爐的無數(shù)小火焰組成的燃燒反響。有人把分解爐內(nèi)的燃燒稱為輝焰燃燒，這主要指分解爐內(nèi)將料粉或煤粉均勻分散于高溫氣流中，使粉料顆粒受熱達(dá)一定溫度后，固體顆粒發(fā)出光、熱輻射而呈輝焰。但并不能看到有形的火焰而只見滿爐發(fā)光。分解爐內(nèi)無焰燃燒的優(yōu)點(diǎn)是燃料均勻分散，能充分利用燃燒空間，不易形成局部高溫。燃燒速度較快，發(fā)熱能力較強(qiáng)。燃燒大致有兩種動(dòng)力學(xué)機(jī)制?！?〕以化學(xué)反響控制的機(jī)制，其燃燒特點(diǎn)如下。①燃燒與溫度的關(guān)系，提高溫度可大大提高反響速度。燃燒速率與溫度成指數(shù)關(guān)系。②炭粒燃盡時(shí)間τ與其初始直徑成正比。〔2〕以氧氣向煤粒外表擴(kuò)散控制的機(jī)制，特點(diǎn)如下。①燃燒受溫度的影響較小。②炭粒燃盡時(shí)間與其初始直徑的平方成正比。③燃燒與氣流流速和湍流度密切相關(guān)。通常煤燃燒在低溫下受化學(xué)反響控制，在高溫下受擴(kuò)散控制，大約在1000℃左右時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變。2、煤粉的著火著火就是煤的燃燒速率大于系統(tǒng)散熱速率時(shí)的狀態(tài)，而煤的著火點(diǎn)也就是導(dǎo)致燃燒速率大于散熱速率時(shí)的分界點(diǎn)的溫度值。因而煤的著火點(diǎn)并不是一個(gè)固有的物理性質(zhì)常數(shù)，它與具體系統(tǒng)的散熱條件有關(guān)，不同的散熱特性方程將有不同的著火點(diǎn)。在無CaCO3的條件下，一般燃燒爐中氣流溫度非恒溫，而是隨燃燒而變化。在這種條件下，煤的著火點(diǎn)可下降。這是因?yàn)榉纸鉅t爐體向周圍環(huán)境的散熱較燃燒的放熱可忽略不計(jì)，而CaCO3分解吸熱很大，往往超過煤的放熱速率。正如前述，煤的著火點(diǎn)不是固定的，而是隨燃燒環(huán)境的變化而變化的。當(dāng)環(huán)境的散熱速率較大時(shí)，著火點(diǎn)提高；當(dāng)環(huán)境的散熱較少時(shí)，煤的著火點(diǎn)就會(huì)降低，甚至可自燃。當(dāng)不考慮CaCO3的影響時(shí)，系統(tǒng)的相對吸熱將減少，煤的燃燒可使周圍氣流溫度升高，氣流溫度的升高又促進(jìn)煤的燃燒。如此，煤的燃燒將始終保持放熱大于散熱狀態(tài)，系統(tǒng)溫度持續(xù)升高，直到分解爐與周圍環(huán)境的散熱及煤粒熱輻射散熱與煤的放熱到達(dá)平衡為止。由此可見，分解爐中CaCO3含量減少，對煤的著火有利。因而在喂生料前先將煤喂入純空氣或僅有局部CaCO3或生料的氣流中進(jìn)行預(yù)燃，有利于煤在分解爐中的著火與燃燒。假設(shè)分解爐的設(shè)計(jì)沒有充分考慮預(yù)燃，煤的著火點(diǎn)按計(jì)算約為870℃。由于分解爐內(nèi)的煤粉為無焰燃燒，不會(huì)形成高溫集中的“火焰〞，因而煤只能靠迅速分散與爐內(nèi)氣流密切接觸，得到所需的氧氣和著火的溫度，才能較好地著火和燃燒。因此煤粉分散性不好或在爐內(nèi)分布不均是導(dǎo)致煤不能著火或僅局部著火的主要因素。著火時(shí)間主要指煤粉升溫和揮發(fā)分逸出所需的時(shí)間。通常煤著火的時(shí)間僅需零點(diǎn)幾秒。然而假設(shè)煤粉未充分分散，那么升溫時(shí)間可能較長，揮發(fā)分的揮發(fā)速率也會(huì)下降，從而使著火時(shí)間延長。另外許多分解爐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮到煤的預(yù)燃或預(yù)燃裝置沒有發(fā)揮功能，煤粉入爐就與大量的生料接觸。假設(shè)煤質(zhì)稍差就可能導(dǎo)致不著火，影響煤的燃燒效率。隨煤的活性的提高或揮發(fā)分含量高，著火點(diǎn)下降。揮發(fā)分由于自身著火溫度低，燃燒速率高，可帶動(dòng)固定碳的著火和燃燒，故高活性的煤對著火有利。3、CaCO3分解對煤燃燒的作用一定條件下分解爐中煤的燃燒與氣流間存在傳熱平衡，假設(shè)系統(tǒng)中存在CaCO3，那么CaCO3顆粒與氣流之間也存在傳熱平衡。煤粒放熱量傳遞到CaCO3顆粒主要通過對流換熱方式及少量輻射傳熱。在忽略煤粒對CaCO3顆粒的直接傳熱的條件下，爐內(nèi)氣流是煤粉與生料之間的傳熱中介。煤粉燃燒放出熱量傳遞給氣流，氣流又把這局部熱量傳給生料或CaCO3。CaCO3在不同溫度下的吸熱速率線見圖6-69中曲線3，它與氣流的換熱線Li相交得到平衡點(diǎn)e1。由于不同爐溫下CaCO3的分解速率不同，故CaCO3-氣流換熱平衡點(diǎn)也不同。在到達(dá)平衡時(shí)，CaCO3顆粒溫度Tca與氣流溫度Tg之間相差5℃左右。可以近似把CaCO3溫度等同于爐溫。在分解爐正常運(yùn)行的平衡狀態(tài)下，煤的放熱速率、CaCO3分解的吸熱速率、煤-氣間綜合換熱速率和CaCO3-氣間綜合換熱速率四項(xiàng)平衡忽略爐壁散熱。四相平衡是分解爐內(nèi)煤的燃燒，CaCO3分解和氣固換熱這一綜合平衡系統(tǒng)所具有的特征。忽略這種平衡關(guān)系就會(huì)偏離分解爐的實(shí)際情況。由于煤燃燒的終態(tài)d點(diǎn)的放熱速率與Tg有關(guān)，而CaCO3分解的吸熱速率也與Tgt有關(guān)，故上述四項(xiàng)平衡的關(guān)鍵是存在一個(gè)適當(dāng)爐溫即氣流溫度Tg。假定僅考慮反響初期的情況，忽略轉(zhuǎn)化率對放吸熱速率的影響，那么由以上動(dòng)力學(xué)的公式和計(jì)算，可求出對應(yīng)的Tg值為900℃。由于分解爐有CaCO3存在，爐內(nèi)的熱工工況受到影響。提高CaCO3的活性如細(xì)度提高及選用高活性的石灰石等將使分解爐爐溫下降。從圖可以看出，由于CaCO3吸熱率很大圖中吸熱曲線3很陡，提高煤的活性對爐溫影響極微，欲直接提高分解爐溫度是比擬困難的。從中還可看出，分解率的上下主要取決于煤的燃盡率。這也是分解爐爐溫相對較均勻，處于無焰燃燒的原因。燃燒動(dòng)力學(xué)圖如圖6-70所示，煤在低溫狀態(tài)時(shí)，燃燒速率與氣流速率無關(guān)，在高溫區(qū)>1000℃那么氣流對燃燒的作用顯現(xiàn)出來，由于擴(kuò)散速率受氣流流動(dòng)狀態(tài)的影響較大，而化學(xué)反響控制的燃燒根本與流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。煤在分解爐中燃燒機(jī)制的問題，長期以來，許多學(xué)者把它看成是由化學(xué)反響控制，原因是分解爐溫通常在低于900℃溫度范圍內(nèi)。然而在分解爐中，爐氣流溫度與煤自身的溫度并不相等。英國學(xué)者R．K．查克勒博等人曾把中心嵌有熱電偶接點(diǎn)的炭粒投入900℃的沸騰床內(nèi)，連續(xù)記下熱電偶輸出值。實(shí)驗(yàn)測得炭粒外表溫度高于爐溫50～2021，且炭粒越小溫差越大。在生產(chǎn)實(shí)際過程中，分解爐中煤粉呈明亮小火星狀漂浮在氣流中，說明煤粒比周圍氣流溫度高。雖然分解爐氣溫Tg<900℃，但此時(shí)煤粉著火后的顆粒外表溫度Tc>1000℃，高于爐氣流溫度Tg約2021以上。已進(jìn)入擴(kuò)散控制區(qū)或過渡區(qū)。由上可見，分解爐中雖然爐溫僅850℃左右，但煤粒外表實(shí)際的溫度超過1000℃，因而燃燒主要為擴(kuò)散控制或者化學(xué)反響與擴(kuò)散共同控制。對化學(xué)反響控制的燃燒，應(yīng)以提高燃燒溫度為主；對擴(kuò)散控制的燃燒，那么應(yīng)以增加湍流度和氣流的擾動(dòng)以及減小顆粒尺寸為主。在實(shí)際的操作過程中，增加煤粉細(xì)度，提高爐內(nèi)流動(dòng)湍流以及提高煤粉的分散度被證明是促進(jìn)煤燃燒的有效手段。然而從煤著火的角度來看，煤的燃燒只有在著火后才會(huì)處于高放熱狀態(tài)。假設(shè)煤未著火，燃燒只能處于化學(xué)反響控制狀態(tài)，燃燒的放熱速率較低。由此可見，在分解爐中煤著火過程的實(shí)質(zhì)，是燃燒從化學(xué)反響控制的狀態(tài)向過渡態(tài)或擴(kuò)散控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。同時(shí)這還意味著分解爐中煤處于未著火的狀態(tài)并不等于煤未燃燒，而僅僅代表了以較低的速度在燃燒。據(jù)計(jì)算煤著火后的燃燒速率約為106J／m3·s，而未著火的燃燒速率也可高達(dá)105J／m3·s。也就是說，分解爐中煤在著火狀態(tài)下較未著火狀態(tài)下的燃燒速率約高一個(gè)數(shù)量級。4、煤粉的燃燒狀況煤粉在分解爐內(nèi)的燃燒狀況，除受煤粉自身的燃燒性能影響外，還受爐內(nèi)操作溫度、氧氣濃度、空氣和煤粉混合狀況、生料與煤粉比例及煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間等因素的影響?！?〕分解爐操作溫度煤粉的燃燒大體分為揮發(fā)分的析出和著火燃燒、固定炭的燃燒兩個(gè)過程，這兩個(gè)過程都與燃燒環(huán)境的溫度有關(guān)。研究說明當(dāng)煤中揮發(fā)分從25％降到5％時(shí)，揮發(fā)分析出溫度將從約350℃升高到約500℃，其著火溫度也將升高約2021。固定炭的燃燒速度r與溫度T的關(guān)系遵循阿累尼烏斯公式r=eE/RT，當(dāng)溫度升高約70℃時(shí)，固定炭燃燒速度將提高約1倍。因此在設(shè)計(jì)分解爐時(shí)，要在保證爐內(nèi)不發(fā)生燒結(jié)的情況下，盡量提高爐內(nèi)煤粉著火區(qū)的溫度，以利于入爐煤的著火燃燒?！?〕分解爐中氧氣濃度煤粉燃燒是高溫下炭與氧的放熱化學(xué)反響，且是可逆反響，反響產(chǎn)物及其中間產(chǎn)物均為CO及CO2。根據(jù)化學(xué)反響濃度積規(guī)那么，要加快爐內(nèi)煤粉的燃燒反響速度，必須增加氧濃度。分解爐采用離線布置方式，通過三次風(fēng)管抽吸高溫新鮮空氣作分解爐助燃空氣，這樣可保持爐內(nèi)特別是爐下部氧分壓較高而CO、CO2分壓較低的狀況，有助于煤的燃燒。〔3〕空氣和煤粉的均勻混合煤的燃燒反響首先發(fā)生在煤粒外表并形成產(chǎn)物層，其后的燃燒速度既取決于炭粒的化學(xué)反響速度，也取決于氣體氧氣通過產(chǎn)物層的擴(kuò)散速度。研究說明：窯頭煤粉的燃燒速度主要受氣體的擴(kuò)散速度控制；而分解爐內(nèi)煤粉的燃燒速度主要受碳的化學(xué)反響速度和氣體擴(kuò)散速度控制。因此，在設(shè)計(jì)分解爐時(shí)應(yīng)盡量考慮使氣體和煤粉間保持較高的相對運(yùn)動(dòng)速度，促進(jìn)氣體擴(kuò)散，加速空氣和煤粉的均勻混合，以加快煤粉燃燒。〔4〕煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間燃料必須在分解爐內(nèi)充分燃盡才能產(chǎn)生足夠的熱量，滿足生料分解的要求，保證預(yù)熱器系統(tǒng)的正常運(yùn)行。煤粉顆粒的點(diǎn)燃燃燒燃盡過程需要一定時(shí)間。無煙煤的燃燒反響速度較慢，其需要的燃盡時(shí)間也較長。研究說明，在相同細(xì)度條件88μm篩余10％下，煤揮發(fā)分從26％降低到5％時(shí)，到達(dá)爐內(nèi)燃盡的煤粉停留時(shí)間要延長1倍以上。因此，在設(shè)計(jì)分解爐時(shí)，必須考慮延長煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間的相關(guān)技術(shù)措施。5分解爐內(nèi)生料與煤粉的比例生料與煤粉比例越高，生料分解吸熱越大，越不利于煤的燃燒。因此，在分解爐設(shè)計(jì)時(shí)，可采取相關(guān)的技術(shù)措施，降低爐內(nèi)生料的濃度，以利于爐內(nèi)煤的燃燒，確保入窯生料分解率。5、分解爐內(nèi)的溫度分布煤粉噴燃溫度可達(dá)1500～1800℃左右，分解爐內(nèi)氣流溫度之所以能保持在800～900℃之間，主要是因?yàn)槿剂吓c物料混合懸浮在一起，燃料燃燒放出的熱量，立即被料粉分解所吸收，當(dāng)燃燒快，放熱快時(shí)，分解也快；相反，燃燒慢，分解也慢。所以分解反響抑制了燃燒溫度的提高，而將爐內(nèi)溫度限制在略高于CaCO3平衡分解溫度20210℃的范圍。圖6-71所示為分解爐內(nèi)的等溫曲線。由圖可得以下結(jié)論。①分解爐的軸向及平面溫度都比擬均勻。②爐內(nèi)縱向溫度由下而上逐漸升高，但變化幅度不大。③爐的中心溫度較高，邊緣溫度較低。主要是爐壁散熱、中心料粉稀、邊緣濃所致。6、分解爐內(nèi)的燃燒速度分解爐內(nèi)的燃燒速度，影響著分解爐的發(fā)熱能力和爐內(nèi)的溫度，從而影響物料的分解率。燃燒速度快，放熱多，爐內(nèi)溫度就高，分解速度將加快。反之，分解率將降低。因此加快燃料燃燒的速度，是提高分解爐效能的一個(gè)重要問題。分解爐內(nèi)的燃燒溫度通常在860～950℃，燃燒過程的性質(zhì)處于低溫化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制范圍與高溫?cái)U(kuò)散控制范圍的交界，因此，影響這兩種過程的影響因素，均對分解爐內(nèi)的燃燒速度有重要影響。其中影響燃燒速度的化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素有燃料的種類、性質(zhì)、溫度、壓力及反響物濃度等，影響擴(kuò)散燃燒速度的主要因素有爐氣的紊流程度、燃料與氣流的相對速度、燃料的分散度等。為適當(dāng)加快燃燒速度，控制好爐溫，一般應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。①選擇適當(dāng)?shù)娜剂蠀⒓狱c(diǎn)并分成幾點(diǎn)參加。②適當(dāng)控制燃料的霧化粒度或煤粉細(xì)度。③選擇適當(dāng)?shù)娜剂掀贩N，例如煤粉中含有適當(dāng)?shù)膿]發(fā)物，使揮發(fā)物與焦炭先后配合燃燒，以到達(dá)好的熱效應(yīng)。④選擇適當(dāng)?shù)囊淮?、二次風(fēng)速以及適宜的加料點(diǎn)的位置。⑤調(diào)節(jié)燃料參加量以改變?nèi)紵目諝膺^剩系數(shù)。7、分解爐的容積熱負(fù)荷一些分解爐的容積熱負(fù)荷見表6-18。由表可見，各類分解爐的容積熱負(fù)荷相差較大，它與分解爐中的燃燒速度、氣體速度及爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。表6-18一些分解爐的容積熱負(fù)荷爐型KHDMFCSLCILCDDRS31300510/容積熱力強(qiáng)度A/202192508446559573774365307357667778414688468621容積熱力強(qiáng)度B/38811652021717241821185752〔二〕分解爐內(nèi)的傳熱在分解爐內(nèi)，由于料粉分散在氣流中，燃燒放出的熱量在很短時(shí)間內(nèi)被物料吸收，既到達(dá)高的分解率，又防止了過熱。1、分解爐內(nèi)傳熱的特點(diǎn)分解爐內(nèi)的傳熱方式主要為對流傳熱，其次是輻射傳熱。爐內(nèi)燃料與料粉懸浮于氣流中，燃料燃燒，燃料中的潛熱把氣體加熱至高溫，高溫氣流同時(shí)以對流方式傳熱給物料。由于氣固相充分接觸，傳熱速率高。分解爐中燃燒氣體的溫度在900℃左右，其輻射放熱性能沒有回轉(zhuǎn)窯中燃燒帶的輻射能力大。然而由于爐氣中含有很多固體顆粒，CO2含量也較多，增大了分解爐中氣流的輻射傳熱能力，這種輻射傳熱對促進(jìn)全爐溫度的均勻極為有利。分解爐內(nèi)傳熱公式可用下式表示，即〔式6-22〕式中——單位時(shí)間氣流向物料傳遞的熱量；F——?dú)饬髋c物料的傳熱面積；——?dú)饬鳒囟萾g與物料外表溫度ts的溫度差；——對流及輻射綜合傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)與顆粒直徑d2·℃之間。2、懸浮態(tài)傳熱分解爐內(nèi)傳熱最主要的因素是傳熱面積大大增加，料粉與氣流充分接觸，其傳熱面積即為料粉的比外表積。因此，氣流與料粉的溫度差很小，使料粉的升溫如750～900℃瞬間即可完成。也是由于這個(gè)原因，燃料放出的大量熱量，能迅速地被碳酸鹽分解吸收而限制了氣體溫度的提高。傳熱及傳質(zhì)速率的提高，使生料的碳酸鹽分解過程由傳熱、傳質(zhì)的擴(kuò)散控制過程轉(zhuǎn)化為分解的化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制過程。這種極高的懸浮態(tài)傳熱、傳質(zhì)速率與邊燃燒放熱、邊分解吸熱共同形成了分解爐的熱工特點(diǎn)。〔三〕分解爐內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)1分解爐對氣體運(yùn)動(dòng)的要求分解爐內(nèi)的氣流具有供氧燃燒、浮送物料及作傳熱介質(zhì)的多重作用。為了獲得良好的燃燒條件及傳熱效果，要求分解爐各部位保持一定的風(fēng)速，以使燃燒穩(wěn)定、物料懸浮均勻；為使在一定爐體容積內(nèi)物料滯留時(shí)間長些，那么要求氣流在爐內(nèi)呈旋流或噴騰狀，以延長燃料燃燒及物料分解的時(shí)間；為提高傳熱效率及生產(chǎn)效率又要求氣流有適當(dāng)高的料粉浮送能力，在加熱分解同樣的物料量時(shí)，以減少氣體流量，縮小分解爐的容積，并提高熱的有效利用率。在滿足上述工藝熱工要求的條件下，要求分解爐有較小的流體阻力，以降低系統(tǒng)的動(dòng)力消耗。概括說來，對分解爐氣體的運(yùn)動(dòng)有如下要求。①適當(dāng)?shù)乃俣确植?。②適當(dāng)?shù)幕亓骷拔闪鳌＂圯^大的物料浮送能力。④較小的流體阻力。2分解爐內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)速度分布分解