（材料学专业论文）水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究.pdf

，i 声：j ： i 攀燃 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：红丝 日 期：匕聋：丛! 翻 导师签名： 鱼国塾 日 期：垒! f 哇童日1 3 旦 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究中文摘要 中文摘要 煤的燃烧特性是水泥工业分解炉设计的重要依据，若不能加以掌握，分解炉 设计和操作就存在很大的盲目性。 煤的燃烧特性可以通过试验来测定，但测定结果可靠性取决于试验方法的合 理性。以往采用热分析方法，样品呈堆积状态，难以很好地反映煤粉在悬浮状态 下的燃烧规律。为充分反映煤粉悬浮态燃烧状况，试验条件需模拟分解炉工况， 但完全模拟非常困难，如果追求真实模拟而将煤粉燃烧和生料分解合在一起进行， 则难以观察单一物料的行为，通常分别研究煤粉和生料分解的高温行为。 为获取粉体在悬浮态下的高温反应特征，自行开发出高温悬浮态反应试验台， 它不仅能把物料加热到所需的高温，而且能保持物料在反应区域稳定地悬浮，比 较真实地模拟工业反应过程，并能在线实时检测，其结果和反应器的形式无关， 只与物料本身的特性有关。本文对不同煤种、温度、反应环境的c 0 2 浓度、粒径等 条件下进行了烟煤煤焦和无烟煤煤焦悬浮态燃烧试验，探讨影响燃烧速率的因素； 对新密无烟煤焦、西安烟煤焦开展动力学特性研究，将不同温度下燃尽率与时间 的关系曲线与已知模型进行拟合，借助相关性系数选取最佳的燃烧模型。通过此 种方法获得新密煤焦、西安煤焦的燃烧模型，并根据所求理论模型数据与实验数 据比较吻合良好，说明求取模型的方法具有可靠性，所得规律对于分解炉的设计 和操作有重要的指导意义。 关键词：煤焦；悬浮态；动力学模型；相关性系数 作者：赵俊 指导教师：肖国先( 教授) a b s t r a c t s t u d yo nk i n e t i c sc h a r a c t e r so f c o a lc h a rs u s p e n s i o nc o m b u s t i o ni nc e m e n tp r e c a l c i n e r s t u d yo nk i n e t i c sc h a r a c t e r so fc o a lc o k es u s p e n s i o n 1 j_1jn1 l j o md n s t i o nl nl j e m e n tr r e c a l c l n e r a b s t r a c t t ok n o wt h ep r o p e r t i e so fc o a lc o m b u s t i o ni st h eb a s i sf o rt h ed e s i g no fc e m e n t p r e e a l c i n e r i ft h ep r o p e r t i e so fc o a lc o m b u s t i o na r en o tm a s t e r e d ，t h ed e s i g no fc e m e n t p r e c a l c i n e ri so fg r e a tb l i n d n e s s n e p r o p e r t i e so fc o a lc o m b u s t i o na r eu s u a l l ym e a s u r e db ye x p e r i m e n t ，b u tt h e r e l i a b i l i t yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e p e n d so nt h er a t i o n a l i t yo ft h et e s tm e t h o d t h e t r a d i t i o n a lt h e r m a la n a l y s i sm e t h o dc a n tr e f l e c tt h eb u r n i n gc h a r a c t e r si ns u s p e n s i o n s t a t e ，b e c a u s et h es a m p l ei sa c c u m u l a t e d i no r d e rt or e f l e c tt h eb u mc h a r a c t e r so fc o a l i nc e m e n tp r e c a l c i n e r , t h et e s tc o n d i t i o n ss h o u l db es i m u l a t e dw i t hi n d u s t r i a lc o n d i t i o n s ， b u ti t sv e r yd i f f i c u l tt of u l l ys i m u l a t e i fc o a lc o m b u s t i o na n dc a r b o n a t ed e c o m p o s i t i o n a r ec o n s i d e r e dt o g e t h e rt op u r s u er e a ls i m u l a t i o n ，i ti sd i f f i c u l tt oo b s e r v et h et h e r m a l b e h a v i o ro fs i n g l em a t e r i a l u s u a l l y , t h et h e r m a lb e h a v i o r so fc o a lc o m b u s t i o na n d c a r b o n a t ed e c o m p o s i t i o na r es t u d i e ds e p a r a t e l y t oo b t a i nt h et h e r m a lr e a c t i o nb e h a v i o ro fp o w d e ri ns u s p e n s i o n ，t h er e a c t i o n d e v i c ef o rh i g ht e m p e r a t u r ea n ds u s p e n s i o ns t a t ew a sd e v e l o p e d ，w h i c hc a l lh e a tp o w d e r t oah i g ht e m p e r a t u r e ，m a i n t a i ns t a b l yp o w d e ri ns u s p e n s i o n ，r e l a t i v e l yr e a l l ys i m u l a t e t h ei n d u s t r yp r o c e s s ，a n dt h eo n l i n er e a l - t i m ed e t e c t i o nc a nb ec a r r i e do u t n e m e a s u r e m e n tr e s u l t sa r en o tc o r r e l a t i v et ot h er e a c t o rf o r m ，b u tt ot h em a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tf o rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， s u c ha sc o a lt y p e s ，t e m p e r a t u r e ，e n v i r o n m e n to fc 0 2c o n c e n t r a t i o n ，p a r t i c l es i z e ，t o d i s c u s st h e i ra f f e c t so nt h eb u mo f fr a t eo ft h eb i t u m i n o u sc o k ea n dt h ea n t h r a c i t ec o k e 1 1 l cr e s e a r c ho nt h eb u md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fx i n m ia n t h r a c i t ec o k ea n d x i 。a nb i t u m i n i t ec o k ew e r em a d e 1 1 l er e l a t i o nc u r v eo fb u mo f fr a t ea n dt i m eu n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r ef i t t e dw i mt h ek n o w nd y n a m i cr e a c t i o nm o d e lc u r v e s n e m o s ts u i t a b l eb u r n i n gm o d e lc a nb es e l e c t e db yt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t w i t l lt h eh e l p o ft h i sm e t h o d ，t h ed y n a m i cb u r nm o d e lo fx i n m ia n t h r a c i t ea n dx i a nb i t u m i n i t ew e r e i l s o b t a i n e d t h ee x p e r i m e n td a t ac u r v e sa n dm o d e lc u r v e so fx i n m ia n t h r a c i t ea n dx i a n b i t u m i n i t ew e r ed e m o n s t r a t e da n dc o m p a r e dt os h o wt h a tt h e ya r ei ng o o da c c o r da n d t h em e t h o dt og e tr e a c t i o nm o d e l si sc r e d i b l e t h er e s e a r c hr e s u l t sa r eo fi m p o r t a n t g u i d a n c ef o r t h ed e s i g na n do p e r a t i o no f t h ec e m e n tp r e c a l c i n e r k e yw o r d s ：c o a lc o k e ；s u s p e n s i o ns t a t e ；k i n e t i cm o d e l ；c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t i i i w r i t t e n b y ：z h a oj u n s u p e r v i s e db y ：p r o f x i a og u o x i a n 目录 第一章绪论l 1 1 引言l 1 2 国内外关于煤燃烧特性的研究”2 1 3 选题的依据、意义5 1 4 论文研究的主要内容5 第二章高温悬浮态气固反应试验台的开发8 2 1 高温悬浮态气固反应试验台”8 2 。2 混合气体配比器系统9 2 2 1 混合气体配比器的特点9 2 2 2 气体混合配比器的工作原理9 2 2 3 气体混合配比器的操作流程l0 2 3 红外线气体分析仪1 1 2 3 1 气体分析仪的系统组成1 l 2 3 2 红外线气体分析仪的工作原理1 1 2 4 高温反应炉管的设计1 2 2 4 1 反应区炉管管径的计算1 2 2 4 2 反应炉管管长的确定1 6 第三章煤焦燃尽率影响因素的研究2 0 3 1 试验原理及方法2 0 3 1 1 煤粉燃烧过程的研究2 0 3 1 2 传递函数的应用2 l 3 1 3 传递函数的求解2 2 3 1 4 燃尽率转化及燃烧模型的选取2 3 3 2 实验操作过程2 3 3 3 试样制备2 4 3 4 重复性试验2 5 3 5 煤种的影响2 9 3 6 温度对煤焦燃烧速率的影响3 3 3 7 粒径对煤焦燃烧速率的影响”3 6 3 8 气氛对燃烧速率的影响3 9 3 9 本章小结”4 2 第四章煤焦动力学特性的研究4 4 4 1 实验原理与方法4 4 4 2 计算结果分析与煤焦模型选取4 5 4 3 动力学参数的求取和模型验证4 6 4 4 本章小结“4 8 第五章结论4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的论文5 5 致谢5 6 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 水泥生产技术发展到今天，已经进入到新型干法生产技术占主导地位的时代 【l 】，而新型干法生产线中分解炉结构的优化，趋向于设法提高炉内物料的分解率和 燃料煤粉的燃尽度，并为低活性燃料的使用准备条件【2 】。随着对分解炉内煤粉燃烧 过程理解的加深，以及对燃料、原料及窑型三者相互匹配的关注【3 】，已逐渐认识到， 解决燃料燃烧问题已成为解决分解炉达产达标的关键【4 】。要实现煤粉的完全燃烧， 不但决定于炉型，而且也决定于对煤质了解和对操作条件的控制。如果预分解系 统结构设计合理，功能优越，就可能对中、低值煤的适应性更强些【5 】。而在炉型结 构已确定需改变煤质的情况下，及时了解不同煤质的燃烧特性和采取优化燃烧的 技术，对合理组织生产至关重要。在分解炉内【6 1 ，煤粉与生料混合悬浮在热气流中， 煤粉燃烧放热，碳酸盐吸热分解，分解炉内加入的煤粉量占水泥烧成过程所需总 量的6 0 1 7 1 以上。而煤粉的燃烧速度要慢得多，煤粉的燃尽时间通常大于生料分解 所需的时间【8 】，所以分解炉内煤粉的燃烧速率制约水泥生料的分解，其燃尽程度影 响水泥生产的热耗 9 1 。因此，目前世界主要的水泥工业研究部门都十分重视如何保 证燃料在分解炉内的燃烬问题【1 0 1 。 但是目前的水泥厂在判断煤的品质优劣上，大多数一直沿用国家标准 g b 7 9 2 1 2 t 1 1 】。这在煤质的评判上有着明显的不足。因为不同品质的煤即使工业分 析和发热量相近，其燃烧特性也有着明显的差别【1 2 】，这种差别不是传统工业分析 和发热量所能反映的。因此就迫切需要一种科学、可靠的评判方法来替代传统的 评判方法。 我国煤的空间地域分布不均，优质煤相对较少，这决定了我国是个贫煤国家 f 1 3 】。水泥行业面临着很大的用煤压力不仅优质煤当地少，长途运输加大成本。水 泥厂用煤不但趋向于用无烟煤甚至贫煤，煤质的好坏直接影响到水泥的品质，用 煤不稳定对整个水泥窑系统对煤的适应性提出了较高的要求【1 4 】。因此如何准确了 解煤在分解炉环境下的燃烬问题【1 5 】【1 6 1 和动力学燃烧特性及其影响因素，如何在水 泥工业中针对不同煤质及时采取优化燃烧措施，如何使煤在分解炉内充分、稳定 地燃烧，成为解决劣质、低值煤应用的重要研究内容之一f 1 7 】。 第一章绪论水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究 煤具有许多方面的性质，不同部门由于使用目的不同，对煤质特性研究的侧 重点也不同。例如对煤结构微观、显微组成、表面结构的研究【l 引、对煤的气化液 化的研究【1 9 1 、对煤的热解的研究【2 0 1 、对煤的催化燃烧【2 l 】【2 2 】【2 3 1 、煤燃烧的污染特性 阱】等的研究。通常煤粉燃烧特性的研究主要集中在四个方面煤粉的热解特性、煤 粉的着火特性、煤焦的燃尽特性及煤的结渣特性【2 5 】。对水泥工业领域来说，大多 数水泥窑以煤粉燃烧作为提供热源的最主要方式，煤粉燃烧动力学参数对燃烧设 备的设计、运行及对燃烧过程的数值模拟都起着十分重要的作用，它能够从本质 上反映煤粉燃烧特性的本质。在此就煤焦的燃尽特性和燃烧动力学特性的研究方 法作相关的阐述。 从反应工程学的角度来看，分解炉实际上是一个高温气固反应器。在分解炉 内部，既有流动、混合、传热、传质等物理过程存在，也有分解、燃料燃烧等化 学反应发生。分解炉内部的分解反应过程，是这些物理、化学过程综合作用的结 果。所以，分解炉的设计和操作应以工业反应动力学作为理论依据。 目前，对分解炉内高温气固反应动力学的研究，国内外学者采用不同的实验 方法( 如热重分析法、差热分析、管式沉降炉及脉冲激光点燃等) ，对此做了大量 的研究工作，从燃烧动力学机理上对煤粉燃烧的本质进行了分析【2 6 。3 1 】。虽然热天 平具有测量准确、可重复性好、操作简单、数据处理方便等优点，但在反应器内 物料是处于堆积状态，其实验结果与生产中常用的粉体有很大差距，特别是进行 煤粉燃烧动力学实验时，煤粉和氧气的接触方式与实际情况相比差异更大1 3 2 1 。在 工业分解炉中，物料是悬浮在热气流中进行燃烧反应的，利用悬浮分解炉对煤粉 燃烧动力学研究将更接近实际工况。高温悬浮态气固反应试验台，它不仅能把物 料加热到所需的高温，而且能保持物料在反应区域稳定地悬浮，真实地模拟工业 反应工况，并能在线实时检测，其结果和反应器的形式无关，只与物料本身的特 性有关，所得规律对于评议、改造现有分解炉，设计、制造新型分解炉以及对分 解炉的操作，有重要的指导意义。 1 2 国内外关于煤燃烧特性的研究 煤粉的燃尽问题归根到底就是煤焦的燃尽问题【3 3 】，煤焦燃烧时间占了整个燃 烧过程的百分之九十。早期研究煤粉的燃尽时间是在热天平【3 4 。3 7 】上进行的，认为 煤粉煤焦质量在一定时间不再变化的时刻作为燃尽时间，但是影响因素较多，不 同的热天平所得到的燃尽时间都不相同，即使是同一热天平由于进样的多少、煤 2 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究第一章绪论 粉的燃烧条件的不同所得到的燃尽时间也不相同，而且煤粉的燃烧状况与水泥工 业分解炉的工况相差甚远，因此对水泥行业指导意义远远不够。煤粉燃烧动力学 参数对燃烧设备的设计、运行及对燃烧过程的数值模拟都起着十分重要的作用， 它能够从本质上反映煤粉燃烧特性的本质。 武汉理工大学的刘长江【3 8 】开发的热天平实验装置。热天平是由电炉、温度控 制器、电子天平、样品盘及微型计算机组成。采用管式电炉，通过智能仪表和可 控硅模块组成的温度控制器模拟工况温度，控温热电偶作环境温度控制。进样时， 通过升降杆将样品盘定位于电炉正中间，样品盘同时处于进样杆正下方。温度控 制器和电子天平通过一个通讯接口与微机连接实现数据实时自动采集。 煤燃烧综合测试仪是由燃烧炉、温度控制器、气氛控制器、样品送料机构、 气路控制系统、样品温度采集系统构成，本实验在燃烧炉里内嵌石英玻璃管作为 炉膛。炉膛采用管式电炉，通过智能仪表和可控硅模块组成的温度控制器模拟工 况温度，控温热电偶作环境温度控制。样品温度采集用美国n i 仪器有限公司的 u s b 9 2 1 1 进行采集，可每秒采集温度信号4 个或热电偶电压信号4 个。样品温度采 集也可采用研华公司的p c i 1 7 11 l 进行采集，最快的采集速率可达每秒2 5 0 个左右。 若采集的为电压信号，则通过作者编写的热电偶电压信号转换程序将其转换为温 度值。 南京化工学院和天津水泥设计酣3 9 】【4 0 】自行设计出了煤粉悬浮燃烧器。南京化 工学院的仪器装置中，试验所用的气体经配气混合后进入预热器，被加热到所需 的高温，然后从下部送入反应器，反应后的气体从反应器的顶部流出。反应器中 的气体温度可控制在1 0 0 1 4 0 0 之间，以满足不同的需要。粉体物料由反应器的顶 部间歇式加入，稳定地悬浮在热气流中进行反应，与反应器出口相联接的多组分 气体分析仪可以对反应过程进行在线检测】。其试验台还可以随时终止反应，取 料进行分析。南京化工学院张薇【4 2 】【4 3 】1 等人通过采用自行开发的高温悬浮态气固 反应试验台，进行了几种煤粉的燃尽特性研究。物料可在反应器中悬浮反应，同 时通过烟气分析仪在线检测物料反应的动态过程。实验的操作流程为：实验所用的 气体经配气混合后进入预热器加热到所需温度后，再从下部送入反应器，反应后 的气体从反应器顶部流出。煤粉从反应器上端间歇式加入，稳定地悬浮在热气流 中进行燃烧反应，与反应器出1 ：3 相接的多组分气体分析仪可对反应产物( c 0 2 ) 进行 在线检测，其结果输送到计算机进行数据采集。反应温度通过反应器中设置的多 第一章绪论水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究 支热电偶来检测控制，以保证反应器内温度的均匀性。根据不同的需要，反应温 度可控制在1 0 0 - - 1 2 0 0 。实验结果说明在8 0 0 - 9 0 0 的中温条件下，煤粉在悬 浮和沸腾状态下燃烧，其燃尽时间在几十秒的量级，这和实际生产情况比较相符。 通过几种煤粉的燃烧动力学试验的结果显示不同种类的燃料，即使工业分析值和 发热量值很相近，其燃尽时间仍然差异很大，燃烧特性差异也很大。 天津水泥工业设计研究院胡芝娟等人【4 5 j 研究的高温气固悬浮试验台。物料可 在分解炉中悬浮反应，同时通过烟气分析仪在线检测物料反应的动态过程。反应 温度通过电炉可控硅控制器保持在一个恒定温度，实验时气体经混气瓶配气后自 预热器下端通入，经过预热腔流经喷管，最终由反应器上端的敞口排出，通过锥 形底部的一个很轻的陶瓷球来稳定控制气流的大小，煤样从反应器上端通过漏斗 一次性加入，于喷管上方的锥体部位形成悬浮状态，试验完毕后停止通气，反应 残余物从反应器下端卸出。与反应器出口相连的气体分析仪可对反应产物n o 进 行在线检测。其结果输送到计算机进行数据采集。反应器内设置多支热电偶以检 测、控制反应器的温度，保证反应器内温度的均匀性。他们选取了多个指标【4 6 】【4 7 】 来衡量煤粉燃尽效果好坏，即燃尽时间、燃尽率和燃尽指数。 清华大学傅维镰【4 3 】等对煤焦的燃尽过程问题做了较多理论讨论，得出了碳炭 粒燃烧速率的通用曲线求解法、大颗粒的含灰煤焦的燃烧以及强迫对流条件下碳 粒煤焦的燃烧速率，从而计算得出碳粒煤焦的燃尽时间，和实验数据相比较的结 果表明计算值与实验值相对误差较小。但是傅维镰的研究都是停留在大颗粒上， 而分解炉内的煤粉都是粒径很细的颗粒，因此还需要作进一步的研究。 武汉工业大学李建锡【4 9 】就分解炉中煤的着火和燃烧特点进行了理论研究与分 析。研究表明分解炉中煤的燃烧以扩散控制为主，煤的着火意味着燃烧从受化学 反应控制到受扩散控制的转变。武汉理工大学谢峻林【5 0 】等对分解炉内的煤燃尽特 性也进行了研究。对燃尽机理的研究发现，在分解炉的工作温度下，煤粒的燃烧 过程不属于空气扩散层扩散控制。在煤焦燃烧过程中，其控制反应过程由受化学 反应过程控制向灰层扩散控制过度。不同煤质的煤焦，在燃烧时表现出的控制过 程有所区别。 综上所述，国内学者的研究出发点为使煤粉能稳定的悬浮在炉膛中燃烧，最 终研究落脚点都在煤的燃尽时间上。不管采用何种形式来评价煤在动态下进行煤 的悬浮燃烧，都能在不同程度上反映出煤质的优异。这样就可以根据这些指数来 4 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究第一章绪论 定量地了解或判断煤的燃烧特性，为对煤进行理论分析和实际应用提供依据。 上世纪六十年代，美国首次采用热分析技术对煤的燃烧特性进行了分析【5 l 】。 由于该技术操作简单，结果重现性好，因而自七十年代以来，在我国也得到了较 广泛的应用5 2 】【5 3 】【5 4 1 。除用热天平外，w a l l 5 5 】【5 6 】阳等人让煤粉从垂直沉降炉中落下， 记录不同炉温时煤粉出现火光的频率，并从炉中取样分析氧气、二氧化碳及一氧 化碳的含量变化情况。他们采用闪光频率计数法将出现规则的火星或闪光时的温 度定义为着火温度。 1 3 选题的依据、意义 新型干法水泥熟料烧成系统，是现代水泥生产技术的发展主流，其过程的研 发和设计，在水泥工程技术研发活动中占有重要的地位。预分解系统在烧成系统 中占有重要的地位，其设计的好坏直接影响到烧成系统的技术性能。分解炉汇集 了复杂反应过程，既有燃料燃烧，又有气固相换热和碳酸盐分解的分解，甚至少 量的中间矿物的合成反应。承担着气固两相输送、混合、分散、换热和化学反应 的复杂任务，并且伴随颗粒粒径、气固流量及温度、压力等复杂的变化。而上述 功能和各种物理化学过程又是彼此相互关联、相互作用和相互制约的。对于性能 优良的分解炉，要求分解率高，运行可靠，既要求分解炉满足生料的分解率、煤 粉的燃尽率、污染物的产生、后续燃烧等方面具有较好的性能，又需要有良好的 抗波动能力。 由于在实际生产过程中，具体的影响因素各不相同，因此根据具体的原、燃 料参数( 如烟煤、无烟煤的成分，及其相关的动力学参数，石灰石分解动力学参 数) ，当地的环境条件( 如海拔) ，以及客户的具体需求对分解炉系统进行个性化 设计是完全有必要的。 要取得这些变化的各种物性参数，需要通过实验来得到。在众多影响因素中， 煤粉燃烧动力学参数和碳酸钙分解动力学参数至关重要，为了真实反映分解炉中 的工作状况，有必要在悬浮态燃烧分解实验装置上获取相关数据。 1 4 论文研究的主要内容 ( 1 ) 新型悬浮态试验装置的开发与建立 开发设计悬浮态高温气固试验台，使试验台具有以下特点：反应区内温度分 布均匀；通入反应器的气体成分根据要求可以调整；物料在高温区稳定悬浮，在 5 第一章绪论 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究 一定的粒径范围内，防止细粉逸出和粗粉沉落的干扰；反应器内温度随时间波动 小，反应后的气体成分可在线检测。进而利用高温悬浮态气固反应实验台使煤粉 始终悬浮在反应区域中，研究等温条件下煤粉或煤焦的燃烧反应，并着重分析该 燃烧反应的动力学参数，建立煤焦燃烧的动力学模型。 ( 2 ) 煤粉燃烧过程中c 0 2 释放速率的检测 用间断式动态实验方法在高温悬浮态气固反应实验台上通过烟气分析仪在线 检测气体组份变化来获得煤的燃烧过程。烟气分析仪检测数据必须可靠、真实， 但由于反应器容积大，反应区到气体检测探头还有一定的管道和附属装置，而且 气体可能在反应腔中发生一定混合流等，气体分析仪检测的结果不是实际反应的 纯滞后，而是被该反应器、流程和气体检测系统特有的组合滞后歪曲了的信号。 因此，有必要对气体分析仪检测到的数据进行传递函数的修正，这样才能更加真 实的反映物料实际的反应过程。 但是一般来说，线性系统是不存在的，只能在某种程度上对系统进行近似。 近似采用线性系统的一些特性对高温气固悬浮试验台进行近似描述。 ( 3 ) 传递函数的确定 传递函数是一种用系统表示输出量与输入量之间关系的表达式，它只取决与 系统或元件的结构和参数，而与输入量的形式无关，也不反映系统内部的任何信 息。 实验时，通过向系统反应区输入阶跃函数，即突然通入一定体积分数的二氧 化碳标准气体，并保持这个数值，同时测定系统对应的输出响应函数，根据阶跃 信号测试动态特性的方法可以获得系统的传递函数。 ( 4 ) 煤粉燃烧过程中转化率与时间的关系曲线 将烟气分析仪检测到的含量变化曲线首先通过传递函数求解出反应器中真实 的含量变化曲线，再将气体含量对反应时间的关系转化为体积流速对反应时间的 关系。据反应器内和反应器出口c 0 2 含量的平衡关系可得： 1 ，p c 0 + 1 ，。( ，) = 【v p + v 。( ，) 】c ( f ) ( 1 - 1 ) n：vpc(t)-covm ( ) = f 瓦广( 1 - 2 ) f iv 。( t ) d t 真实燃尽率口( r ) = 卫_ _ 一 ( 1 - 3 ) 6 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究 第一章绪论 式中：v ，为进气体积流量，1 s ；c o 为进气c 0 2 初始浓度，； 1 ，m q ) 为t 时刻 c 0 2 体积流量，1 s ；c ( t ) 为t 时刻释放c 0 2 的体积分数；v o 为燃料完全燃烧释放的 c 0 2 总体积，l 。 通过公式求得煤粉燃尽率与时间的关系曲线。 ( 5 ) 机理模型的判断 燃烬率与时间的关系曲线与机理函数( 界面化学反应的收缩球状模型或收缩 核模型、界面化学反应的收缩圆柱体模型、化学反应级数模型、均质化学反应模 型、随机核形成与生长模型) 进行拟合。通过将机理函数模型代入等温非均相反 应的动力学方程g ( a ) = k t ，其中：g ( 叻为积分形式的机理函数；k 为反应速率常 数；t 为反应时间。采用最小二乘法拟合逼近实验数据，利用相关系数即可判断最概 然的机理模型( 燃烧模型) 。 ( 6 ) 动力学参数( 活化能e 、指前因子a ) 的求解 反应速率常数k 与活化能e 、指前因子a 之间遵循a r r h e n i u s 公式 k = a e e x p ( 一意) ( 1 - 4 ) f 其中：r 通用气体常数： 反应温度。通过主要模拟不同温度的热解动力学试 验，拟合分析可获得各温度下的反应速率常数k 。通过简单的变化可得 i n k ：= i n a - e r t ( 1 - 5 ) 如果取i n k 为y 值，1 t 为x 值，则理论上应该是一条直线，直线的截距 为l n a ，可计算出a 。直线的斜率是 佩，可以求得e 。 ( 7 ) 模型( 动力学方程) 的可靠性验证 用求出的模型对燃烧的其他工况进行求解，所得计算结果与实验的测定值比 较，考察求取模型的可靠性。模型的可靠度和动力学参数的准确为分解炉中煤粉 燃烧的数值模拟研究奠定基础。 7 第二章高温悬浮态气同反应试验台的开发 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究 第二章高温悬浮态气固反应试验台的开发 高温悬浮态气固反应试验台的开发要求：( 1 ) 粉体稳定悬浮在反应器内；( 2 ) 间断式加料系统，物料在反应器内分散良好；( 3 ) 智能数字温控系统，确保反应 环境为等温状态；( 4 ) 多组分配气装置，模拟预分解系统的反应气氛；( 5 ) 进反 应器的气体成分准确、流量稳定( 可检测瞬时值) ；( 6 ) 建立多组分气体分析测量 系统，方便的数据采集和处理系统；( 7 ) 可以随时终止反应，取料进行分析。( 8 ) 系统自动化程度高、重复性好。整个系统主要为三大部分：高温悬浮态气固反应 试验台、气体混合配比器及控温系统、红外线气体分析仪 2 1 高温悬浮态气固反应试验台 量示 拉手 t 盘 透气口 舞耀口 图2 - 1 高温悬浮态反应炉 繁固把手 检舅燕电 应律 动平台 f i g 2 - 1h i g ht e m p e r a t u r es u s p e n d i n gr e a c t o r 高温悬浮态气固反应试验台如图所示，控制系统与炉膛各分为一体。炉衬使 8 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究第二章高温悬浮态气固反应试验台的开发 用真空成型高纯氧化铝聚轻材料，采用电阻丝为加热元件。u 型不锈钢管横穿于 炉体中间作为的炉膛，炉管两端用不锈钢法兰密封，粉体在炉管中悬浮加热，加 热元件与炉管平行，均匀地分布在炉管外，有效的保证温度场的均匀性。测温采 用性能稳定，长寿命的“k ”热电偶，以提高控温的精确性。悬浮态热模实验装置 的工作原理是把试验所用气体经配气混合后进入预热器，被加热到所需高温后， 从下部送入反应器，反应后的气体从反应器的顶部流出。反应器内气体温度控制 在8 0 0 - 1 0 0 0 * c 。粉体物料由反应器的顶部间歇式加入，稳定地悬浮在热气流中进 行反应，与反应器出口相联接的多组分气体分析仪可以对反应过程进行在线检测。 其试验台还可以随时终止反应，取料进行分析。 炉体的控制面板配有智能温度调节仪，控制电源开关、主加热工作停止按钮、 急停按钮，配有电源指示灯，以便随时观察本系统的工作状态。 2 2 混合气体配比器系统 2 2 1 混合气体配比器的特点 1 ) 配比器适用于低压小流量、多种气体单一混合连续供气系统。 2 ) 气体压力和流量数据在同一平面直观可读，操作简便。 3 ) 显示流量准确，可有效地控制气体消耗量。 4 ) 所有仪表及阀门的连接均采用活接头连接，便于维修拆卸。 2 2 2 气体混合配比器的工作原理 9 第二章高温悬浮态气同反应试验台的开发水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究 控沮系统 供气系 图2 - 2 控温系统及配气系统 f i g 2 - 2t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dg a sd i s t r i b u t i o ns y s t e m s 将配比器进口的连接头直接到1 5 m p 的供气钢瓶减压阀或空压机上，选择连 接好两种气体，按顺序开启供气钢瓶上的阀门、配比器上对应的截止阀及流量计 旋钮，再旋转减压阀旋钮增大气体压力，调节气体流量，输出所需要的压力和流 量。两种或多种气体，由气体钢瓶经减压阀减压至所需压力( o 0 5 m p ) 输入到 气体混合配比器，通过调节每一组分的体积流量，输出预定比例关系的混合气体， 达到实验所需求的气氛。 2 2 3 气体混合配比器的操作流程 ( 1 ) 连接所需气瓶之前，关闭所有阀门。 ( 2 ) 连接所需气瓶，打开瓶阀，并检查配比器连接头与气瓶瓶阀连接处是否 连接可靠，有无漏气。 ( 3 ) 打开截止阀，缓慢旋转减压阀旋钮增大气体压力至规定值。p m a x o 0 5 m p ( 4 ) 调节输出气体流量计到所需流量。 ( 5 ) 按比例调节分气体流量计流量，数分钟后即可供给所需要的混合气体。 ( 6 ) 加热炉使用结束，卸压并关闭所有阀门。 1 0 唧 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究第二章高温悬浮态气固反应试验台的开发 2 3 红外线气体分析仪 2 3 1 气体分析仪的系统组成 气体分析仪是由一台多组分红外线气体分析仪，带有除尘、取样、除水、干 燥功能的预处理装置，并安装在一标准机柜内组成为一体。c o 、c 0 2 、采用红外 线检测原理、0 2 测量原理是电化学法。 g x h 3 0 11 n 红外线分析器是分析系统的核心部件，用于连续检测一氧化碳和 二氧化碳。光学部件采用气体滤波相关技术，能有效地抑制h 2 0 、c h 4 等背景气体 对仪器的干扰，使测量精度提高。 2 3 2 红外线气体分析仪的工作原理 由抽气泵将样气从炉管取出，经陶瓷过滤器除掉样气中的粉尘，经汽水分离 器，将样气中的大部分游离水去掉，一部分样气( 超过分析仪器用量的部分) 从 排气针阀排空，而另一部分样气( 约0 5 l r a i n ) ，则经冷凝器、干燥过滤器进一步 脱水、除尘，通过四通阀、流量计进入分析测量单元。样气中的c o 、c 0 2 、0 2 浓 度值在表头上显示出来，通知可输出4 - - , 2 0 m a 的标准信号。 气体分析是根据比尔定律和气体对红外线有选择性吸收的原理设计而成的。 光学结构采用气体滤波相关方式和高灵敏度探测器。 红外光源发出的初始红外线能量为i o 。它通过一个多次反射气室之后，能量变 为i ，如果气室中有吸收红外线能量的气体时，则能量吸收特性满足下式： i = i o e k c l ( 2 1 ) 式中：k 一气体的红外线吸收系数 g 墩测气体的浓度 l _ 气体的吸收光程 i - 衰减后的红外线能量 k 值取决于气体的种类，当气体一定时，k 值就是固定的常数。则从式2 1 中 可以看出，当气体的吸收光程l 一旦确定后，i 的大小仅于c 有关，测量出能量i 的变化就等于测量出气体浓度的变化。 氧气的测量原理是电化学法，电化学法与磁压法、热磁法、氧化锆法测量氧 含量一样，是当前国际上通用的测量方法之一，广泛应用于便携式、实验室和工 业流程等仪器中。 第二章高温悬浮态气固反应试验台的开发水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究 2 4 高温反应炉管的设计 图2 - 3 反应炉管示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e a c t o rt u b e 在高温悬浮态气固反应试验台的设计中，反应炉管由反应器筒体+ 布风板组 成，材质为耐热钢。反应器简体由直径逐渐扩大的二段组成，气体流经反应器时 流速逐渐降低，以防止小颗粒飞出反应器。布风板为多孔板，热气体流过多孔板 形成稳定的气流，使粉体位于多孔板上方部位形成悬浮状态，并防止大颗粒沉降。 反应器筒体顶部接粉体喂料机构、气体成分分析仪、残渣收集。焦炭粒径在 8 8 3 0 0um 之间，为确保反应进行的顺利，需确保焦炭不会沉降，而燃烧剩下的 灰分不会被吹出反应区。 2 4 1 反应区炉管管径的计算 反应炉管管径的大小影响到进入炉管的气体流速，而气体流速又会影响到煤 粉的悬浮状态，为保证煤在悬浮状态下燃烧，应考虑两个方面，一方面是加入的 煤粉粒径，另一方面是入炉的气体流速。对于管径设计应同时考虑这两个方面。 煤粉加入反应区后，首先挥发分析出燃烧，其次焦炭颗粒燃烧，最后剩下灰粒； 反应区的流速应使焦炭颗粒不沉降、灰粒不飞溢的范围。为此，分别计算焦炭颗 1 2 水泥分解炉中煤焦悬浮态燃烧的动力学特性研究第二章高温悬浮态气固反应试验台的开发 粒、灰粒的沉降速度。 2 4 1 1 颗粒沉降速度计算模型5 8 】 根据不同的雷诺数，颗粒沉降速度有不同的计算模型 d “ r c d = l ( 2 - 2 ) ( 以颗粒d 。作定型尺寸) ，阻力系数的取值分三个区域： a ) s t o c k e s 区d 1 0 层流区 阻力系数c d - - 若 ( 2 - 3 ) 颗粒沉降速度坼= 学 ( 2 - 4 ) b ) a l l e n 区1 r e d 5 0 0 基本属于过渡区 阻力系数c d = 砑1 8 5 ( 2 - 5 ) 铲 掣 0 7 1 貉 协们 c ) n e w t o n 区5 0 0 凡d 1 1 0 5 属高度紊流区 阻力系数c d = o 3 8 o 5 0 平均值为0 4 4 颗粒沉降速度u i = 1 7 4 掣t n 5 ( 2 - 7 ) 式中：p 。颗粒密度；o f 一热空气密度，d 。一颗粒粒径，一空气动力粘度， g - 重力加速度。 2 4 1 2 焦炭颗粒沉降速度 焦炭颗粒( 粒径d 口= 1 0 0um ，密度p ，= 1 6 5 0m 3 k g ) 在热空气( 9 0 0 c ，空气密度 p ，= o 3m 3 k g ，动力粘度, u = 4 6 7 x 1 0 击p a s ) 的沉降速度计算： 先假定气流处于s t o c k e s 区( 层流区) ，则焦炭的沉降速度 ( p ，一p ，) d p 2 9 h = 一 1 8 “ ( 1 6 5 0 - 0 3 ) ( 1 0 0 x1 0 - 6 ) 2 9 8 一两百万万庐一 验算： 9 0 0 。c 时的空气运动粘度y 为1 5 5 1 x 1 0 石m 2 s ，则雷诺数 1 3 第二章 高温悬浮态气固反应试验台的开发水泥分解炉中煤焦