高海拔地区对新型干法水泥厂烧成系统影响的初步分析

高海拔地区对新型干法水泥厂烧成系统影响的初步分析高海拔地区对新型干法水泥厂烧成系统影响的初步分析 朱祖培 天津水泥工业设计研究院 天津 300400 赵乃仁 南京水泥工业设计研究院 南京 210029 我国疆域辽阔 地形变化幅度很大 如西部地区的海拔高度就较大 与东部平原相比有明显差别 西 部高原海拔一般在 1000 以上 青藏高原更高达 3000 5000 高海拔地区空气稀薄 这一自然条件 对新型干法水泥窑烧成系统的影响不容忽视 设计时 考虑不周就会影响设备能力的发挥 不能达产达标 考虑过多又会过多地增加投资 降低企业的经济效益 关于大气压力变化对新型干法水泥厂烧成系统内 三传一反 的综合影响 目前还缺乏全面的分析资料 本文仅按现有资料对新型干法水泥窑烧成系统内 各局部效益的影响作一初步分析 不当之处欢迎读者批评指正 高海拔地区大气压力的计算高海拔地区大气压力的计算 由于地心引力的作用 地球表面大气层的分子密度随海拔高度而变化 高度愈高 空气密度愈稀 大气压力 也就愈小 工程上常以当地大气压力的读数来确定海拔高度 但是由于大气湿度的变化 要精确地确定大气 压力与海拔高度之间的关系是不可能的 举例来说 在室内悬挂一气压计 尽管周围空气保持平静 在数小 时内它的读数仍将变化 2 3 mmHg mmHg 133 322pa 这就相当于海拔高度数十米的差异 因此 用计算的方法来确定海拔高度只能是近似的 A C 伊利伊切夫 1 推荐用下式计算高海拔地区的大气压力 P 1 H 44340 5 256 式中 P 海拔高度为 处的大气压力 10 Pa 海平面处的大气压力 10 Pa 海拔高度 根据式 1 可计算不同海拔高度处的大气压力 由于空气压力 温度和密度服从理想气体的状态方程 因此在一定温度下 大气压力与其密度成正比 即 P r 式中 大气压力 10 空气密度 绝对温度 气体常数 对于干空气 0 08206 表 列出按式 和 计算的不同海拔高度处的大气压力和空气密度 从表 可以看出 在海拔 1000 的地方 大气压力比海平面处降低 10 以上 而在海拔为 3000 的高地上 大气压力将降低 1 3 高海拔对料气性能的影响高海拔对料气性能的影响 对水泥窑内生料水分汽化反应的影响 尽管在高海拔地区水的沸点降低 但水的汽化总热耗却变化不大 水的沸点与大气压力的关系可用 方程式来计算 表 2 列出了不同海拔高度处水的沸点和汽化总热耗的 数据 从表 2 中可以看出 在海拔 2000 处 水的沸点降低到 93 5 它的汽化显热虽然也因沸点降低而 减少 但是同时大气压力降低时需要较多的热量来克服水分子间的内能 因此水的汽化潜热却随海拔高度 的上升而增加 因而汽化总热耗只略有减少 以致可以忽略不计 对碳酸盐分解反应的影响 马丁 2 在他的关于水泥回转窑的专著中 报导了丁 约翰斯登对碳酸盐的蒸汽压与分解温度关系 的研究成果 他得出以下经验公式 公式 3 6 及表 3 中有非标单位 如 mmHg cal 等 若要变动单位 公式将要重新推导 编者注 lgP 9340 T 1 1lg 0 0012 8 882 3 式中 二氧化碳的蒸汽压 绝对温度 马丁将上式换算成自然对数的形式 变成 dlnP dT 21505 T2 1 1l T 0 002763 4 为了计算分解热 马丁又将它改写成 1 方程式的形式 即 dlnP dT Q RT2 5 此处 1 985 由此可得出碳酸盐分解热与温度的关系式为 42700 2 183 0 005484 6 式中 每 100 碳酸盐 的分解热 如果在式 3 中用不同海拔高度处的大气压力 mmHg 代入 即可求出高海拔处碳酸钙的分解温度和分 解热 计算结果见表 3 从表 3 数据可以看出 在海拔 4000 处 碳酸钙分解温度降低 36 分解热提高不足 1 因此 和 水的汽化热一样 海拔高度对碳酸盐分解反应的影响也是可以忽略不计的 对物料颗粒浮送速度的影响 空气密度不同 对同样大小和重量的物料颗粒来说 要求的浮送速度也不一样 前苏联 C U 赫沃斯 琴可夫 3 提出 物料颗粒的浮送速度一般可以按下列关系式来考虑 rm rn 1 2 式中 物料颗粒的浮送速度 物料颗粒的直径 物料的密度 空气的密度 比例常数 这就是说物料颗粒的浮送速度与空气密度的平方根成反比 对空气比热的影响 以重量单位来表示的空气比热 kJ kg 1 1 随空气密度的变化很小 4 例如 在空气温度为 100 时 大气压力由 105 Pa 加大到 100 105 Pa 空气比热仅由 0 237 4018kJ kg 加大到 0 258 4 18kJ kg 加大不到 10 但以容积单位来表示时将有 较大变化 应注意修正 高海拔对回转窑的影响高海拔对回转窑的影响 对窑内气流速度的影响 早在 60 年代朱祖培 5 在 地区海拔高度对水泥厂设计的影响 一文中 除分析了高海拔对空气压缩 机类型的设计造成的影响外 还分析了海拔高度对湿法回转窑的影响 由于回转窑内的飞灰与窑内的风速 有关 而相同质量流量下风速的大小又与当地大气压力成反比变化 从大同 永登和昆明三厂湿法水泥窑 实际生产情况对比 见表 可以看出 永登和昆明二厂 大气压大约为大同厂的 86 90 的产量要比 大同低 10 左右 需要指出 表 列出的生产数据是 50 年代末窑的潜力充分发挥时的生产数据 对于湿法回转窑来说 在制约生产能力的各种因素中 窑内风速是突出因素 表现为大量飞灰外逸 提高了料耗和热耗 从而限 制了窑的生产能力 居查 6 曾报道南美洲秘鲁首都利马附近 被认为是世界海拔最高 海拔高度为 39 00 的水泥厂的生产情况 该厂有一台 3 2 90 的湿法短窑 通常产量可以达到 350t d 实际标 定生产能力只有 250t d 降低了约 30 新型干法烧成系统和湿法烧成系统有相当大的区别 表 列出了新型干法回转窑在一般海拔情况下的窑 内风速 从表 5 可以看出 目前带分解炉的 NSP 窑风速最高的是上海水泥厂 2000t d 的 3 75 窑 但其窑 尾风速仅为 6 1m s 国内 窑的窑尾风速也低于 9m s 远低于当年大同水泥厂窑内分解带的风速 1200 下为 14 2m s 也低于 公司提出的 10m s 风速 从理论上分析 新型干法回转窑排出粉尘对窑 生产的影响并非全是负影响 公司就曾经采用增加粉尘出窑又经预热器收回入窑的循环来提高生料 入窑分解率 这和湿法窑粉尘排放全是负影响不同 因此窑内风速不应该成为高海拔地区对窑径的制约因 素 不能照搬窑的产量正比于地区气压的关系 而应该在当地条件下对窑内风速进行核算是否超过允许值 再确定是否变更窑径 对窑内燃烧的影响 窑内燃烧低质煤时 虽然煤粉提供的总热量与高质煤相同 但在着火时间 燃烧速度 燃烧温度和熟 料煅烧热耗上仍有不同 高海拔造成的空气稀薄对燃烧的影响和低质煤有类同之处 必须加以考虑 空气 稀薄 O2浓度下降 会影响燃料的着火时间 燃烧速度以及燃烧温度 为保证有足够的燃烧时间 使煤粉 完成燃烧 就要保证窑有足够的长度 但即使如此 燃烧温度偏低仍会影响熟料质量 且燃烧温度是对燃 烧速度影响最大的因素 因此必须强化燃烧强度来提高燃烧温度 提高燃烧强度从二个方面进行 一是采 用先进的燃烧器和高压风机使喷出燃烧器的气流有更大的动量 在质量流量 一定的情况下 要有足够高的喷出速度 则必须有高的压头 二可采用先进的冷却机 保证有较高的熟料热回收 以 获得尽可能高的助燃空气温度 这两方面的结合就有可能得到良好的燃烧状况 减少空气稀薄造成的不利 影响 对窑内传热的影响 窑内传热以辐射为主 窑内的高温火焰中含有大量粉尘 所以具有很高的辐射系数 且由于窑内 风速不高 尤其是窑外分解窑的风速更低 故在质量流量不变的情况下 空气稀薄对窑内传热不会有明显 的影响 高海拔对冷却系统的影响高海拔对冷却系统的影响 对篦式冷却机的影响 对于篦式冷却机 气流垂直通过填充床 其雷诺数为 Rep dpu 式中 dp 熟料粒径 气体垂直通过填充床的表观风速 气体的密度 气体的粘度 根据尔根方程 ff 150 1 Rep 1 75 粘性流损失 湍流损失 式中 床层空隙率 ff 阻力系数 再根据篦式冷却机条件 可求得雷诺数ff 100 属于湍流 阻力系数ff不随雷诺数有明显改变 因 此根据流体流动的阻力公式hj u2 2g 阻力系数ff即 为常数 当篦式冷却机工作气压改变时 流体阻力只和流速u2及气体的重度 有关 在高海拔地区 篦式冷却机工作气压下降 气体体积流量增加 如何适应这一变化 有三种方案 方案一 维持原有规格不变 这时 需保持通过单位篦板面积的空气质量流量不变 气体流速 将遵循公式 uH u0 P0 PH 即随气压的下降 气体流速 将上升 气体的重度将遵循公式 H 0 PH P0 即随气压的下降而下降 因此气体通过篦式冷却机的流体阻力损失HH 如下式 HH u2H H u20 0 u0 P0 PH 2 0 PH P0 u20 0 P0 PH 10 式中 HH 地区海拔为 的流体阻力损失 H0 海平面地区的流体阻力损失 加上流量增加量 QH Q0 也为 P0 PH 因此篦冷机篦下鼓风机的鼓风功率的增加量为 NH N0 P0 PH 2 功率的增加很大 式中 QH 地区海拔为 的气体流量 Q0 海平面地区的气体流量 NH 地区海拔为 的鼓风机需要的轴功率 N0 海平面地区鼓风机需要的轴功率 在传热方面 固定床中流体向颗粒传热的关系式如下 hdp k CRe p1 6 Pr1 3 11 式中 传热系数 导热系数 dp 粒径 Pr 普兰特数 Pr Cp K 从 11 式可以看出 当雷诺数 不变时 传热系数不变 因此此种方案的热交换不会改变 方案二 适当加大篦冷机的规格 保持气流通过篦冷机的流体阻力不变 前文提到气流通过篦床的流动属于湍 流 阻力系数不因流速的改变而改变 因此在流体阻力不变时 下列等式成立 u20 0 u2H H uH 0 H 1 2 P0 PH 1 2 13 由于气体流量增加的倍数为P0 PH 因此篦冷机的篦床面积也应该提高 P0 PH 1 2 才能满足风量增加的 需要 此时流体阻力虽然没有增加 由于鼓风机的鼓风量仍以P0 PH增加 所以鼓风机的轴功率仍以 P0 PH 1 2增加 这种方案在传热方面的影响如何呢 根据式 11 在同样的条件下 dp Cp和 不变 此时传热系数 为 1 Re p1 6 而 Rep dpu 式中 dp 不变 但uH P0 PH 1 2 而 ReH Re0 PH P0 1 2 式中 ReH 海拔为 时的雷诺数 Re0 海拔为海平面时的雷诺数 由于Re数下降 造成传热系数下降 h h0 PH P0 1 2 1 6 h0 PH P0 0 8 14 式中 h 海拔为 时的传热系数 0 海拔为海平面时的传热系数 同时由于规格放大 传热面积增加了 P0 PH 1 2 因此传热量的影响应是二者之乘积 QH Q0 PH P0 0 8 P0 PH 0 5 Q0 PH P0 0 8 15 式中 QH 海拔为 时的传热量 Q0 海拔为海平面时的传热量 可以看到 该方案对传热量将会有一些不利影响 二 三次风的温度也会有一些下降 方案三 增加篦冷机的规格 保持气流通过篦冷机时鼓风机的功率不变 前文提到气流通过篦床的流动属于湍 流 阻力系数不因流速的改变而改变 因此在鼓风机的功率不变时 由于鼓风量已增加P0 PH 所以流体阻 力必须下降为 HH H0 H 0 此时必须 H 0 才能满足要求 篦冷机的规格必须同因海拔增加而增加的气体量等量增加 该方案在传热方面的影响和方案二相似 同样 和 不变 此时传热系数 1 Re p1 6 由于速度 不变 因此有 PH P0 1 6 而传热面积的增加仅为 P0 PH 此时传热量的变化将为 QH Q0 PH P0 0 6 16 采用这种方案后 篦冷机规格 面积 虽然放大很多 但传热量和二 三次风的温度却有明显下降 因此可以考虑 在海拔 1000 左右的地方 可以采用方案一 在海拔更高的地方应加大篦冷机的规 格 对筒式冷却机的影响 篦冷机气体流量与鼓风机的风量有关 而筒式冷却机内气流与物料呈逆流运动 其流量的大小与窑头 负压有关 当质量流量不变时 其流速将随气压的下降而增加 流体阻力将随流速增加而成正比增加 因 此对于筒式冷却机来说 为保持足够的质量流量 只有二个方法可行 其一是提高窑头负压 但是窑头负 压由烧成系统的主排风机决定 易受旋风预热器系统 分解炉及窑的漏风干扰 不容易得到保证 其二是 扩大冷却机的直径 保持流体阻力不变 这就必须加大冷却机的规格 而篦冷机通过提高鼓风压力可以保 持料面以上为零压 不会对烧成系统燃烧所需要的空气供应造成不利影响 高海拔对窑尾系统的影响 新型干法生产线烧成系统利用气力进行悬浮操作 大气压力的变化对系统中动量传递将有较大影 响 旋风预热器各级之间的连接管道是热气流向生料颗粒进行传热的主要部位 据估计该处的传热量占旋 风预热器总传热量的 80 8 而且传热作用主要发生在管道内物料开始被气流带起的加速阶段 即物料开 始悬浮 受气流的牵引力最大处 直至气流和物料间的温度达到平衡 大气压力的降低 将降低气流对物 料的牵引力 悬浮力 在同样的管道风速下 物料在该区段的停留时间将更长 从而在一定程度上有利于 物料的悬浮受热 此外 大气压力降低还将改变旋风筒内的流场分布 影响旋风筒的分离效率 同样对分 解炉内的喷腾作用和旋流作用也将产生影响 在一定范围内有利于提高分解炉内的无因次量 m g 从 而有利于提高燃料的燃烬率和生料的分解率 但降低到一定限度时将破坏分解炉的稳定操作 分解炉内燃烧的基本情况和窑内的燃烧相同 空气稀薄 浓度下降同样会影响燃烧速度以及 燃烧温度 而且分解炉内的燃烧温度远低于窑内的燃烧温度 所以燃烧温度对煤粉的燃烧彻底程度的影响 甚至比窑内影响还大 为保证在分解炉内煤粉得到完全燃烬 就应该保证煤粉在分解炉内有比正常海拔地 区更多的燃烧时间和足够的燃烧强度 因此在高海拔地区要选择炉温较高 燃烧强度也较高的炉型和喷出 动量较高的燃烧器 高海拔对预热器系统中气流运动的影响与篦冷机非常相似 如果把低海拔地区的预热器系统不改 变规格直接套用 则海拔升高造成的气体体积膨胀就会使气体在系统中阻力增加 此阻力损失的增加量和 气压的减小成正比 P0 PH 所以 系统内气流的流量和流体阻力的增量都与海拔的升高量成正比 因此系统主排风机功率将以平方关系增加 此外 由于预热器进出口风速过高 会使预热器收尘效率明显 下降 系统热效率下降 如果按照一般合理的风速确定预热器系统各部分的规格 可以得到比较经济的运行效果 但是设备和 土建的投资都会明显增加 其中预热器的规格将对窑尾塔架的大小起决定性的影响 因此我们建议 对于 海拔高度在 1000 左右的地区 可以不增加预热器的规格 对于海拔更高的地区应加大预热器系统的规 格 但为了适当降低投资 在选择正常的预热器进出口风速和管道风速的同时 预热器的截面风速可选偏 高值 以缩小预热器的规格 避免过大地增加窑尾框架 同时应优化预热器的结构 尽可能少地增加系统 的阻力 对风机选型及其它用气设备的影响 对风机选型的影响 高海拔地区新型干法烧成系统操作的根本要求是 必须保证系统的气体质量流量 G kg h 或 m3 h 与海 平面相同 这就需要提高系统的气体体积流量 同时由于系统内的流动阻力也发生变化 因此系统内的主 排风机 以及用于篦冷机的鼓 排风机绝对不能照搬海平面的机型 必须根据需要的风量和风压重 新选型 或加大规格 或在原有机型上加快转速 需要注意的是 如果在原有机型上加快转速 除风量以 一次方成正比增加外 还会增加风压和功率 一般风机速度和风量 风压以及功率的关系式如下 n1 n2 Q1 Q2 P1 P2 1 2 N1 N2 1 3 17 因此在高海拔地区 如果要求同一台风机达到和海平面相同的质量流量 我们只需按气体密度变化的 比例来加快风机转速 但由于随气体密