回轉窯二次風溫的測量誤差分析
熱工標定是評價和診斷水泥回轉窯運行狀況的重要手段。對于評價窯系統(tǒng)的熱效率和冷卻機的效率,二次風溫是一個十分重要的指標。目前熱工標定中二次風溫的測量,均按照現(xiàn)行的國家標準(GB4179-84)進行,但在水泥行業(yè)中,二次風的定義并不是很嚴格,沒有考慮二次風溫度的差異,致使不同廠家熱工標定的數(shù)據(jù)缺乏可比性。本文結合水泥回轉窯二次風溫測量誤差的來源進行了分析,指出應考慮不同測點二次風溫度的差異,以便對窯爐系統(tǒng)熱效率和冷卻機效率進行準確的評價,并使不同的熱工標定數(shù)據(jù)可直接進行橫向比較。
1 二次風測定現(xiàn)狀分析
在熱工測定中,水泥回轉窯二次風溫的測量一直是困擾熱工測定的難題之一。實測出的二次風溫從700~1250℃不等,與實際窯系統(tǒng)和冷卻機的熱平衡很難吻合,實際測量與熱平衡的誤差通常在100℃左右,有時偏高,有時偏低。而人們常常把這誤差歸結于高溫氣流的測溫誤差,雖然在測量中按標準規(guī)定采用抽氣熱電偶測溫,但測量精度仍然不能滿足實際需要,而被迫用熱平衡值來代替實測值。
就系統(tǒng)熱平衡而言,需要測定截面上的熱流分布,以確定穿過系統(tǒng)界面的熱量。而測量截面的熱流分布實際上非常困難,通常需要測量平均溫度和平均流速來確定。確定平均溫度需測定斷面上的溫度分布,測量平均速度要求測點的風速分布不能太復雜,這對實際測點位置的選擇提出了要求,盡量遠離彎頭和變徑等引起流場復雜變化的部件,以使測量得到簡化。而實際系統(tǒng)要滿足上述要求是比較困難的,這是二次風溫測量中誤差的一個重要來源。
通常采用抽氣熱電偶測量二次風溫。這是因為二次風速較低,一般每秒只有幾米,而物料、壁面和氣流的溫差較大,采用抽氣電偶測量二次風溫可減少因壁面和物料輻射導致的測溫誤差。一般水泥廠回轉窯測定使用的抽氣熱電偶是按照國標推薦的形式,其測量誤差一般可控制在3%左右[1],但實際誤差則在10%左右。表1是一組二次風溫實測數(shù)據(jù)和熱平衡值,其中A、B兩條生產(chǎn)線都是大型干法水泥生產(chǎn)線,均使用推動篦式冷卻機,因此具有一定的可比性。由表1可以看出,在不同的生產(chǎn)線上測量,其測量值與熱平衡結果的誤差有明顯差異。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)上看,用輻射誤差來解釋測量誤差是不合適的,因為類似的系統(tǒng)中熱電偶所受到的熱輻射情況類似,誤差或者都偏正方向,或者都偏負方向。在現(xiàn)場測試時,將抽氣熱電偶放入測試位置后,先不抽氣測得風速為零時的溫度,再抽氣后溫度明顯上升,這表明氣體溫度確實比壁面溫度要高。而A廠的實測值比熱平衡值高,B廠的實測值比熱平衡值低,實測時的重復性誤差小于2%。此外,A線和B線是同一種類型的冷卻機,其熟料的單位熱耗差距并不十分大,而實側數(shù)據(jù)相差較大,這說明除測量誤差外還有其它的誤差來源。
從表1看出,測量的C線二次風溫和料溫明顯低于A、B兩線,但熱耗卻比B線低,比A線高。二次風溫的高低應反映的是冷卻機的效率,這意味著C線系統(tǒng)中冷卻機的效率遠低于A、B線,窯系統(tǒng)的效率則遠高于A、B兩線。而實際上A線窯爐系統(tǒng)的熱效率在全國是領先的,這從系統(tǒng)的其他測試參數(shù)可以明顯看出。由此可見,這種方式測出的二次風溫由于誤差的影響,即使?jié)M足熱平衡,對于系統(tǒng)的實際狀況仍不能給出正確的指導。
如果選用圖1中的區(qū)域作為控制體,做以下幾點假設:
圖1 熱平衡測量截面示意圖
1)因為散熱量遠小于熱通量,故忽略散熱損失;
2)假設從窯頭到冷卻機之間的通道上,沒有化學反應也沒泄漏,為無源無漏的管流,在穩(wěn)態(tài)時其任一截面的熱通量相等,則在圖1中任一截面上,有
Qf1=Qsi-Qgi
=tsi×Csi×Msi-tgi×Cgi×Mgi (1)
i=0,1,2,……
其中,Qf1為入冷卻機熱通量;Qsi和Qgi為相應位置物料和氣流的熱焓;t、C、M為相應位置的氣體和物料溫度、比熱和質量流量。圖1中窯與冷卻機之間的每一個截面上風溫和物料溫度都不相同,從窯頭往冷卻機方向推移,溫度逐步降低。即對每一臺窯來說,二次風溫和料溫與測量位置有關,并非固定數(shù)值。由此可見,即使完全理想的測量,在圖1中不同測量截面測得的二次風溫也是不同,即使同在窯口測量,由于燃燒器插入深度不同,即冷卻帶長度不同,測量結果也不相同。
在現(xiàn)場測量中,由于種種原因,所測量的二次風溫和料溫可能不在同一截面上,因而造成測量值與熱平衡值的不一致。例如,在大多數(shù)的情況下料溫是通過窯門用光學高溫計測量,而二次風溫有的是在窯頭罩側面的捅灰孔測量,有的在窯門測量。一般抽氣熱電偶因高溫彎曲,而使二次風溫測量位置比料溫的測量位置要偏向冷卻機,所以在大多數(shù)情況下,二次風溫的實測值要低于熱平衡值,測量風溫的位置在捅灰孔時,若靠近下料點,則測量的風溫高于平均值。此外由于截面上的溫度分布差別很大,窯前高溫,環(huán)境惡劣。測量位置很難固定,因此測量誤差難以控制。
2 理論二次風溫的設想及計算
如上所述,作為系統(tǒng)熱平衡來說,只要確定穿過熱平衡界面的熱通量即可,這可通過圖1中任一截面上測定物料溫度和風溫計算得出。但在判斷回轉窯的燃燒狀況和冷卻機效率時還希望得知二次風溫。
通常,二次風是指二次助燃空氣。從上述分析可以看出二次風溫和料溫與測量位置有關,即與測量截面的選取有關。如果以氣體入窯處作為基準面,則熱平衡界面應是圖1中的截面1,即測出的是tg1和ts1。如果以噴煤管的出口處作為基準面,則熱平衡界面應是圖1中的截面0。雖然這2個截面上的風量相同,但溫度是不同的。按照有關文獻介紹〔2,3〕,二次風定義中只反映了二次風的數(shù)量,并未反映出二次風的溫度。
作為系統(tǒng)熱平衡界面具有的物理意義應是結果能夠全面反映2個系統(tǒng)界面的狀況,二次風應能反映助燃空氣的預熱狀況,并能進行橫向比較。從這點出發(fā),在截面1處測量的優(yōu)點是幾何截面易于確定,其截面能反映窯與冷卻機之間的熱量傳遞。但是此處二次風溫的意義是經(jīng)冷卻機和窯頭罩物料預熱的風溫,其測定的二次風溫位置在窯頭罩內(nèi),測量時熱電偶無法在該處定位,氣流沿窯頭罩轉彎,測平均風速風溫極不理想,而且該處的物料呈堆積態(tài),測量時只能測到表面溫度,很難測到物料的平均溫度,此外窯頭冷卻帶的長短對測量截面上物料的溫度有影響,所得到的風溫并不完全反映窯頭助燃空氣的預熱狀況和冷卻機的效率。由于熟料燒成溫度一般在1450℃左右,在截面0處測量的優(yōu)點是料溫容易確定,只要確定風溫即可。但截面的位置落在窯內(nèi),無法進行測量,況且窯頭噴煤管燃燒器噴出的一次風回流區(qū)隨操作條件變化,因此確定實際測量位置都很困難。
上述2個截面實際測量和應用都有較大的困難。從測量的目的來看,系統(tǒng)熱平衡只要得到熱平衡界面的熱通量即可,選擇圖1中的任意一截面都可。而入窯二次風溫僅是為了用來判斷回轉窯的燃燒環(huán)境和燃料燃燒溫度以及冷卻機的性能??紤]實際測量的難度,可以將熱平衡界面問題與二次風溫問題分離,分別處理以滿足各自的需要。因此實際測量時可以在冷卻機和回轉窯之間窯頭罩上選擇一個方便的截面作為熱平衡界面,在該截面上同時測量風溫和料溫,計算出該界面上的熱通量,作為系統(tǒng)平衡時的熱支出(收入)項目。二次風溫則以燃燒器出口界面(圖1中0界面,僅考慮到窯頭的預熱空氣,不考慮燃燒器帶入的一次空氣)為準,稱為理論二次風溫,可以按照系統(tǒng)平衡計算得出。按式(1)設其在燃燒器界面的料溫為1450℃(即按熟料理論燒成溫度)計算出理論二次風溫。即:
tg20=(1450×Ms20×C-Qf1)/(Mg20×C)(2)
式中,tg20為定義在圖1中0界面的理論二次風溫;Cg20、Cs20、Mg20、Ms20為0界面上的氣體和熟料的比熱、質量流量。
這樣,在實際測量中降低了測量的難度,也滿足了定義的科學性和實用性。
表2是采用(2)式計算的理論二次風溫tg20。從表2中看到,不同窯之間測得的結果具有可比性。
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