Теплообмен в пламенном пространстве печи

 

Рациональное сжигание топлива имеет важнейшее значение при эксплуатации цементных вращающихся печей. Путем регулирования процесса горения можно изменять гранулометрию клинкера и величину обмазки в зоне спекания, повышать стойкость футеровки и производительность печи, существенно снижать удельный расход тепла. Для этого необходимо обеспечивать высокий уровень теплообмена по всей длине факела и не допускать местного перегрева футеровки на коротком участке. При выявлении путей оптимизации теплопередачи в пламенном пространстве необходимо рассмотреть уравнение лучистого теплообмена, так как этот вид теплоотдачи от факела в зоне спекания составляет более 97%.

,

где Δ  – лучистый теплообмен от факела к материалу; 5,67 – постоянная Стефана-Больцмана, излучение абсолютно черного тела; ,  – степень черноты факела и материала; ,  – температура факела и материала в К;  – поглощающаяся способность факела.

 

Согласно уравнению Стефана-Больцмана с дополнениями Блоха, лучистый теплообмен во вращающейся печи определяется температурой и степенью черноты факела и материала. Далее будет рассматриваться влияние изменения параметров факела при постоянных параметрах материала. Теплообмен интенсифицируется наиболее сильно при увеличении температуры факела . Однако значительное увеличение температуры при высокой скорости горения приводит к местному перегреву огнеупора и низкой стойкости футеровки. Кроме того, при этом могут увеличиться теплопотери через корпус.

Поэтому для обеспечения достаточной величины теплообмена и высокой стойкости футеровки необходимо сжигать топливо с относительно умеренной температурой и высокой степенью черноты факела , которая выражается уравнением Бугера (рис. 5).

Рис. 5. Уравнение Бугера

Уравнение свидетельствует, что при неизменном диаметре и давлении газа в печи величину   можно увеличить только увеличением показателя k, который зависит от содержания в факеле трехатомных газов и твердых частиц Тв.ч., обуславливающих светимость пламени. Светимость пламени можно существенно изменять путем регулирования процесса горения топлива. Например, при уменьшении коэффициента избытка воздуха возрастает доля СО₂, Н₂О и концентрация углеродистых частиц в факеле вследствие снижения скорости горения. Другие способы формирования рационального факела будут приведены ниже.

 

  Оптимизация сжигания топлива во вращающейся печи

 

Рассмотрим влияние отдельных факторов на горение топлива.

В и д, с о с т а в и п а р а м е т р ы п о д г о т о в к и т о п л и в а. Наибольшие скорость и температура горения наблюдаются при сжигании угольного топлива, наименьшие – при применении газообразного. Существенное влияние на горение твердого топлива оказывают: содержание летучих , зольность , влажность  и тонкость помола по остатку R ₀₀₈на сите №008. С повышением содержания  происходит более раннее воспламенение топлива, увеличиваются длина факела. Ускоренное воспламенение угля можно обеспечить более тонким помолом, поэтому в зависимости от  рекомендуется придерживаться соотношения R ₀₀₈ = 0,5· , т.е. размалывать угольный порошок до остатка 10…12%. Сушить топливо во всех случаях нужно до гигроскопической влажности W =1…2%.

Оптимальные условия горения мазута достигаются при вязкости 1…2°ВУ, которое обеспечивается при температуре подогрева до 100…120ºС.

Для рационального сжигания газообразного топлива необходимо давление перед горелкой не ниже 2 бар.

П е р в и ч н ы й в о з д у х.   Количество первичного воздуха является одним из главных факторов, определяющих интенсивность горения топлива. С увеличением доли первичного воздуха   и скорости вылета угольно-воздушной смеси из форсунки W _ф происходит более дальнее воспламенение топлива, усиливается турбулентность потока и укорачивается факел.

О б щ и й в о з д у х.  Избыток воздуха в печи зависит в основном от работы печного дымососа. С повышением разрежения за обрезом печи увеличивается количество и коэффициент избытка воздуха α в печи и уменьшается температура факела  из-за увеличения объема продуктов горения V _пг.

 

где , , ,– теплота сгорания топлива, энтальпия воздуха, теплоотдача от факела; ,  – объем и теплоемкость продуктов горения

 

Одновременно снижается теплообмен в печи и возрастает расход топлива (рис. 6). Так, повышение α от 1,03 до 1,25 приводит к кон­центрации температуры на 20…30 м от головки печи и быстрому прожогу футеровки на этом участке. Рациональный факел получается при снижении α до 1,05…1,10. При этом топливо воспламеняется ближе к форсунке, несколько снижается скорость горения, увеличиваются степень черноты и теоретическая температура факела , что обеспечивает интенсивный теплообмен и высокую стойкость футеровки.

 

Рис. 6. Влияние коэффициента избытка воздуха на теоретическую температуру факела и теплоту сгорания топлива

 

В то же время необходимо тщательно следить за тем, чтобы не происходил недожог топлива, так как при этом как показано ниже, резко уменьшится теплота сгорания и температура факела , что приведет к перерасходу топлива и выпуску брака.

 

С + О₂ = СО₂ + 33,9 МДж   = 2200ºС

С + О₂ = СО   + 10,9 МДж    = 1360ºС

 

С к о р о с т ь т о п л и в а  на выходе из форсунки оказывает большое влияние на длину факела. С увеличением скорости интенсифицируется смешение топлива с воздухом, удаляется точка воспламенения, ускоряется горение и сокращается длина факела. На современных печах с колосниковыми холодильниками необходимо поддерживать скорость потока из сопла форсунки для угольного и мазутного топлива 60…80 м/с, а для газа – 200…350 м/с.

Т е м п е р а т у р а в т о р и ч н о г о в о з д у х а. Так как скорость горения топлива в печи, в основном, определяется турбулентной диффузией, то с увеличением  уменьшается плотность и растет вязкость воздуха, что затрудняет смешение его с топливом и удлиняет факел.

П о л о ж е н и е ф о р с у н к и и н а п р а в л е н и е ф а к е л а. Регулировать длину факела можно также путем изменения положения форсунки. Форсунку рекомендуется устанавливать ниже оси печи, смещать ее в сторону материала на 0,05…0,1 диаметра печи и наклонять вниз под углом 1…3%. Чем ближе к клинкеру располагается пламя, тем более затруднен доступ кислорода к топливу и тем длиннее факел.

С о в о к у п н о е в л и я н и е   отдельных факторов на горение топлива. Естественно, что все вышеуказанные факторы взаимосвязаны и не могут быть рассмотрены изолированно друг от друга. При изучении совокупности воздействий установлено, что важнейшее влияние на скорость горения оказывает предварительное смешение топлива с воздухом до момента его воспламенения, которое в значительной степени определяется удалением факела от форсунки. Чем дальше в печи загорается топливо, тем больше оно предварительно смешивается с воздухом до воспламенения и тем, следовательно, короче зона горения. Если же путем уменьшения количества и скорости первичного воздуха, разрежения за обрезом печи или увеличения тонкости помола, температуры вторичного воздуха и содержания летучих в угле приблизить факел к форсунке, то он становится желтым и непрозрачным. Видимость в печи резко ухудшается, что свидетельствует о высокой степени черноты факела. При этом создаются рациональные условия сжигания топлива, обеспечивающие защитную обмазку по длине всей зоны спекания, высокую стойкость футеровки, низкий расход тепла и хорошую гранулометрию клинкера (рис.7).

Таким образом, основным параметром, определяющим рациональное сжигание топлива, является расстояние от точки воспламенения топлива до устья форсунки L ₀, которое контролируется по удаленности максимальной температуры корпуса печи от ее горячего обреза L _max. Для вращающихся печей длиною от 100 до 185 метров оптимальной величиной является L _max= 11…13 метров. При сжигании угольного топлива следует поддерживать L ₀ на уровне 0,5…1,5 метра.

 

Для увеличения длины факела следует:

·  уменьшать значения регулируемых параметров W _ф, , α;

·  увеличивать  и угол наклона горелки β на материал.

Для сокращения длины факела необходимо осуществлять противоположные действия.

 

Рис. 7. Способы регулирования факела: Wф – скорость потока в сопле форсунки; – объем воздуха; α – коэффициент избытка воздуха;  – темпера-тура вторичного воздуха; β – угол наклона горелки на материал