CDC分解炉的改进研究及其煤粉燃烧状态的数学建模分析

摘要

分解炉是预分解系统中的核心设备，是一个集燃料燃烧、气固换热与传质、碳酸盐分解等功能于一体的多相反应器，分解炉功能的发挥情况直接影响着整个系统的性能指标和运行稳定性。虽然目前人们运用多种现代科学理论对其进行研究，但对分解炉内燃烧机理仍然不是十分清楚；同时由于煤种不同、燃烧时反应条件的不同均会对燃烧状况产生显著的影响，而这些将直接影响设计的合理性，从而影响分解炉功能的正常发挥。 本文在分解炉气固运动特点的基础上，对文山水泥厂CDC分解炉进行了改造，并通过冷态模型试验对其各项性能进行了测试和计算，试验结果表明，改造后分解炉的气体三维流场更为合理，克服了原有分解炉存在的旋流强度过大，特别是涡壳旋流强度过大的缺陷，大大降低了阻力损失，三次风入口至分解炉出口处的阻力系数为原来的1/5，窑气入口至分解炉出口的阻力系数为原来的40％；物料在分解炉内的运动更加合理，气固混合更加充分，延长了物料在分解炉内的有效停留时间，由原来的14.74s（熟料产量1200T/D）延长至16.4s（熟料产量1450T/D），从而使得煤粉能够更加充分的燃烧，提高了煤粉的燃烬度和对煤种的适应性。 在 “三传一反”理论的基础上，引入煤粉燃烧宏观通用规律，根据相关理论和经验公式，建立了一个相对完善的分解炉燃烧数学模型。并根据该数学模型，编制出简单的计算界面，形成一套比较系统的计算软件，在调整相关环境条件和工业参数时，能很快捷的计算出与之对应的煤粉燃烬率、燃烧速率、碳酸钙的分解率等参数。 研究表明，分解炉中煤的燃烧可能有两种状态：一是由动力反应控制的燃烧状态；二是由扩散、动力共同控制的燃烧状态。对于大多数分解炉来说，其煤粉的燃烧状态指数Fb 均小于-2.3，属于动力控制区，即分解炉中煤粉燃烧的状态主要取决于煤的反应活性。同样的温度下，反应活性高的褐煤就要比反应活性低的烟煤、无烟煤的燃烧速率要高出许多，且能更快的进入扩散－动力控制区。无论是何种煤种，其燃烧速率均随着温度的升高而不断增加。在动力反应控制区，温度每增加80oC左右，其燃烧速率均会增长近一倍，增长趋势显著；在扩散－动力控制区，燃烧速率依然随温度的增加而增大，但增长幅度有所下降。 运用所建立的燃烧数学模型对文山水泥厂1000T/D预分解窑系统中的分解炉系统进行了分析研究，表明在熟料产量提高15％的情况下，出分解炉的煤粉燃烬度仍然可以从原来的82.8％增长至84.2％，为系统长期稳定运行、改善系统能耗指标奠定了良好基础，证明分解炉改造可以取得理想效果。