1、TSD 型分解炉的研究开发及工程应用来源：信息中心 时间：2008-11-22 8:47:08天津水泥工业设计研究院 陶从喜 彭学平 胡芝娟 刘继开 余锦辉(300400) 摘要：通过理论及试验研究,，开发了适用于无烟煤煅烧的 TSD 型分解炉，并结合工程实践应用，将 TSD 型分解炉成功应用于 25005000 t/d 水泥熟料生产线，取得了成功。 关键词：TSD 炉 研究 开发 应用 1. 前言 随着市场经济的不断发展，越来越多的水泥企业要求采用就近取材的相对价格合适的无烟煤作为水泥熟料煅烧用燃料，因此，天津水泥工业设计研究院（以下简称天津院）于 20 世纪 90 时年代开始对无烟煤的燃烧
2、特性进行了大量的研究工作，针对无烟煤“着火温度高、着火及稳燃困难”的燃烧特性，提出了适应无烟煤煅烧的几种分解炉炉型，并展开了相应的开发研究工作，其中 TSD 炉（带旁置旋流预燃室的组合式分解炉）正是在无烟煤燃烧特性研究基础上开发而来的性能优良的分解炉之一。 分解炉是预分解系统的核心，其功能的发挥直接影响回转窑系统的产质量。分解炉内主要完成燃料燃烧、碳酸盐分解、气固两相的输送、混合（分散）、换热、传质等一系列过程，并且伴有物料浓度、颗粒粒径的变化以及气体流量、成分和温度场的变化。分解炉的结构形式多种多样，到目前为止，国际上各种类型的分解炉已有 30 多种，大体上可分为喷腾型、流态化型、管道型和旋
3、流型等四类，并通过各种组合变化产生各种型式的分解炉。就其总体性能而言，均能满足生料分解和煤粉燃烧的要求，但各有其特点及优缺点。 对分解炉的研究，天津院已形成了一套从原燃料特性研究、机理分析、冷态模拟试验、CFD 研究、现场测试等完整的研究开发体系。天津院目前的主导炉型为双喷腾的 TDF 炉，我们用各种方式对其进行了大量的研究工作，根据燃料的燃烧特性与预分解系统开发设计的相关性研究，我们在 TDF 炉型基础上衍生开发适应各种不同煤质的分解炉（见图 1），并列出燃料特性与预分解系统相关性于下图（图 2）： 中文名:双喷腾分解炉 中文名: 带旁置旋流 中文名:带下置涡流预 中文名: 带旁置流态化 中
4、文名:带流态床的悬浮简称:TDF 英文名:Dual Spout Furnace 预燃室的组合式分解炉简称:TSD 英文名:Combination Furnace with spin Pre-burning Chamber燃室的组合式分解炉简称:TWD 英文名:Combination Furnace with Whirlpool Pre-burning Chamber悬浮炉的组合式分解炉简称:TFD 英文名: Combination Furnace with Fluidized- bed分解炉简称:TSF 英文名:Suspension Furnace with Fluidized- bed本文在
5、此仅对 TSD 型分解炉的研究开发及工程实践应用作一详细介绍。 2. TSD 炉的冷模试验研究 TSD 分解炉的示意见图 1， 它主要由旋流预燃室与双喷腾主炉前后串联成一炉组构成。来自窑头的高温三次风切向进入旋流预燃室；煤粉采用特制的燃烧器喷入预燃室并在纯空气的高温环境中稳定着火并快速燃烧；来自上一级旋风筒的预热物料由下料管喂入预燃室三次风入口；未燃尽的煤粉及物料从预燃室经斜烟道进入主炉中继续边燃烧边分解，最后出炉进入末级旋风筒进行气固分离后，将已预热并充分分解的物料喂入回转窑中；回转窑尾废气经主炉缩口直接喷入双喷腾主炉底部，并与预燃室的热气混合，继续完成分解炉内的煤粉燃烧和物料分解。根据水泥
6、生产线的规模及窑尾预热器的布置情况（单系列或双系列预热器），预燃室可采用一个或两个（通常双系列预热器最好采用双预燃室）。 为了解 TSD 炉的一些特性参数，验证其可靠性，为合理确定分解炉的结构型式及为设计开发提供试验依据，我们对 TSD 炉进行了冷态模型试验。通过冷态下分解炉的阻力特性、物料停留时间、气体三维流场等的测定及料粉在分解炉系统中的分散和运动情况的观察，我们基本掌握了该炉型的特征性能和技术参数。 2. 1 冷模试验研究流程 TSD 分解炉冷模试验流程见图 3。 图 3 TSD 炉冷模试验装置流程图(P1P6 为压力测点) 2. 2 冷模试验结果及分析 2.2.1 分解炉的阻力特性 阻
7、力特性是分解炉的重要指标之一，它关系到系统压损、排风电耗、系统配风及拉风提产的适应性等问题。通常，以当作常数的代表性阻力系数高低来进行评价，而较少注意阻力系数的变化特性。表 1 是几种不同分解炉模型的代表性阻力系数比较情况。由于数据处理所取代表风速及其范围不同，窑气与三次风量、风速比也不尽相同，有时差别甚大，缺乏可比性也难以查明原因做出合理解释，故所列其它数据仅供参考。 表 1 不同炉型冷模试验所得阻力系数(对主炉断面风速而言)阻力系数厂家 炉型a b c备注柳州 SLC 94 空载洛阳 NKSV 27 19 南化、空载耀县 DD 6 25.6 南化、空载山西 RFC 74 13 南化、空载宁
8、国 MFC 8 空载烟台 NMFC 47 南化、空载冀东 NSF 103 12 空载江西 RSP 152 31 南化、空载江西改进 新型 RSP 60 14 南化、空载滇西 RSP 39 16 南化、空载天津院 TSD 75 64 41 天津院、有载天津院 TDF 基准型 26 77 天津院、空载注：1、a 表示三次风进口至分解炉出口阻力系数 2、b 表示窑气进口至分解炉出口阻力系数 3、对带预燃室类分解炉 c表示三次风进口至预燃室出口阻力系数 本次试验 TSD 的旋流阻力系数较同类型的 RSP(江西原型 )明显为小，但比改进后的江西新型 RSP 炉及滇西 RSP的大，这可能与预燃室旋流强弱及
9、试验条件有关，其喷腾阻力系数虽比以往 RSP 炉增大，但它并不起制约和决定作用，而与起制约和决定作用的 TDF 基准型相比则明显为小。有载时其旋流阻力系数较空载时明显降低，但仍高于喷腾风路，起制约和决定作用，如以之与 TDF 基准型起决定作用的喷腾风路阻力系数相比，则大体相当或略有增高。 2.2.2 分解炉的料气停留时间比 g 的冷模试验结果。m/ g 是分解炉的重要特性之一，在应用技术上，通常指物料与气体在炉内的平均停留时间之比，实际物料停留时间乃一分布函数，有最短、最长、最可几停留时间之谓，此处未予考虑。图 4 是几种分解炉的平均料气停留时间比m/ 料气停留时间比 g，与同类型的江西 RS
10、P 相当，略大于滇西 RSP 炉。m/ 从以上结果可知， TSD 分解炉的料气停留时间比中等偏上，略大于 TDF 基准型的 2.2.3 分解炉流程测试 TSD 炉的流场测试见图 5a5c，从图中测试结果看，分解炉内以轴向及切向速度为主，径向速度较小。 轴向速度分布见图 5a，三次风水平进预燃室后即很快转为向下旋流，故预燃室轴向速度为较大的负值，经斜烟道进入双喷腾炉后，与向上喷腾入炉的窑气急剧碰撞并折转向上，断面上轴向速度分布比较紊乱，主炉下柱体有反差较高的正负值，说明有较强烈的返混。中部缩口处也有一定的喷腾作用，缩口以上直至顶部附近轴向速度也有负值存在，说明有一定的回流及碰顶效应存在。 切向速
11、度分布见图 5b 所示，对比可见预燃室中切向速度较大，尤以三次风进口处为大。进入双喷腾炉后，切向速度明显减弱，沿程切向速度分布虽无什么规律可言，但基本趋势为由强到弱并基本上是逆时针旋转，说明旋流能影响到整个炉组。 径向速度分布见图 5c。总的来讲径向速度在较小，且基本上属源流(离心)方向，仅个别地方出现负值，说明存在局部涡流。 据流场分析并结合炉内物料运动观察认为，预燃室具有明显的旋流式炉的特征，而 TD 炉则具有喷旋式炉的特征，与传统的 RSP 炉有类同但也有显著差别之处。 2.2.4 分解炉中物料流动状况 试验进行了不同风速及料粉浓度下的物料运动情况观察，在各种风速下预燃室顶部蜗壳部位物料
12、分布都较均匀，看得见有明显浓厚的旋转料垫存在。在分解炉断面风速5.0 m/s 时，螺旋料带间几乎没有间隔，整个预燃室壁面物料分布较均匀。主炉的下锥体及下柱体壁面物料较少且分布不匀，回流料少，尤其是远离斜烟道一侧物料浓度更稀，这是由于来自预燃室的物料在窑气喷腾风的作用下很快分散并被携带往上运动能顺利通过中部缩口之故。经中部缩口进入上柱体后，可见物料沿壁向下返流激烈，在倒锥处有明显的涡环，碰顶效应明显，结合流场分析认为炉体内部物料分布以 TD 炉上室最好，下室次之，下锥体及预燃室中部料较稀少，物料“外浓内稀”的现象以预燃室为甚。 另外，对双预燃室模型亦进行了相应的试验研究，结果表明带双预燃室的 T
13、SD 炉主炉下柱段中物料分布均匀性明显好于单预燃室，分解炉的其它特性类似于单预燃室。 3. TSD 炉的 CFD 研究 由于分解炉内煤粉燃烧及碳酸钙分解耦合，加之气物料运动的特殊要求，分解炉内物理化学过程极为复杂。数值模拟所开发的分解炉计算机仿真平台，使几十年来水泥热工装备的研究方法得以变革，研究成本下降，缩短开发周期，实现炉内物理化学场的可视化，可以优化设计，提高装备投运的可靠性。 本研究使用的分解炉计算机辅助试验平台，是天津水泥工业设计研究院自行开发的软件系统，在开发中解决了大量技术难题，并形成了专业特点，具有自主知识产权。 从湍流流动角度分析，分解炉计算机仿真开发中解决了圆柱坐标非结构网
14、格下极点处理这一国内外公认的技术难题。数值求解器的开发过程中，碰到在圆柱坐标方程离散时，中心轴线处半径为零，数学处理速度、动量等值为无穷大，而从连续性考虑，物理意义上速度、动量等均为具体值这一极点处理难题。多年来，国内外学者均力求解决这个问题（炼钢炉、旋风筒等只能进行对称数值模拟）。本平台开发的技术研究解决了这一难题，实现流场、颗粒场、温度场、组分场 360全场模拟，真正实现分解炉的仿真研究。 我们通过基础试验研究，建立了针对分解炉特点的、在耦合状态下的煤焦燃烧及碳酸钙分解的动力学模型。 对不同煤种、不同生料进行实验，求取动力学参数，建立数据库，以实现针对性模拟。 分解炉计算机仿真平台开发包含
15、气体流动、颗粒运动、煤粉燃烧、碳酸钙分解模型的建立，数值求解器的开发，输入输出界面研制。本分解炉计算机仿真平台包含多个数据库，能对不同原燃料、不同结构形式分解炉进行仿真模拟，并有专家系统直接对模拟结果进行分析评议，提出建议。 在变换生料、煤粉下料点位置、进口物性参数、分解炉各部分尺寸等多种情况下，进行仿真试验，通过出口分解率、燃尽率、出口温度等宏观信息，结合流场图、温度场、组分场、颗粒运动轨迹内部可视化信息统筹比较，非常便利的确定煤燃烧与碳酸钙分解最佳结合点的分解炉型式与尺寸。 3.1 CFD 模拟计算结果 本次模拟研究采用的是带双预燃室的 TSD 型分解炉（结构见示意图 6 和 7）。通过前
16、面的介绍可知，本分解炉主要特点如下： 气体、物料和燃料自上而下的旋流预燃室中，物料贴壁旋转，能起保护炉衬的作用，中间区域较低的物料浓度有利于燃料在纯空气中高温辉焰快速燃烧，适当的高温燃烧区可显著缩短煤的燃尽时间； 旋流预燃室炉顶结构形状能促使物料沿壁更均匀分布与流场的优化，允许中部火焰达到更高的温度(现场测试表明，在预燃室中部温度可达 1400以上) 与较高的煤粉燃尽度； 发生塌料时物料沿斜烟道可冲向双喷腾主炉经窑尾缩口再次喷腾，无离线型分解炉或管道式分解炉塌料易堵三次风管之虞； 可采用特制的多通道燃烧器，灵活调节火焰形状及喷嘴位置，保证低挥发分煤的稳燃并调控燃料燃烧速度； 旋流预燃室通常可布
17、置在预热器塔架内双喷腾主炉近旁，连接风管通常无结皮，无需清理； 本分解炉采用双预燃室结构，从冷模试验看，带双预燃室的分解炉其主炉中物料分布均匀性明显较单预燃室好，可有效地提高分解炉的容积利用率。 对分解炉进行三维整体模拟，下面给出不同结构尺寸及入口参数下的模拟结果。 图 9 表示了分解炉 21.04248.96 剖面的轴向速度云图，比较四种情况可得，在（B）、（C）、（D ）三种情况的下部速度入口的流速大于（A）时，分解炉一次喷腾效应十分明显，且一次回流的速度较大。计算模拟出主炉分解率为 91.05%，煤粉然尽率为 82.54%，可见 TSD 分解炉完全能满足设计要求。 4. TSD 炉的工程
18、实践应用 通过试验及理论研究开发的 TSD 型分解炉，最早于 2001 年 12 月于北京琉璃河水泥厂 2500 t/d 生产线投入使用，有关该生产线的使用无烟煤的情况笔者曾在文献1中作过详细报导，在此不再赘述。 目前，天津院采用 TSD 分解炉煅烧无烟煤的工程示例已有许多（详见表 2）。在此值得一提的是，在广东塔牌集团蕉岭鑫达 5000 t/d 生产线上采用的 TSD 炉的使用状况。 表 2 TSD 分解炉的工程实践应用实例序号 厂 家煤挥发分(%)规模(t/d)备 注1 北京琉璃河 46 2500 2002 年无烟煤煅烧试验成功2 江西锦溪 68 2500 2005 年 6 月投产3 海南
19、昌江 68 2500 2005 年 10 月投产4 重庆腾辉地维 911 2500 2004 年 6 月投产5 浙江富阳钱潮 911 2500 2005 年 6 月投产6 河北太行邦正 46 3200 2002 年 12 月投产7 广东郁南 68 2500 2005 年 2 月投产8 广东四会骏马 68 3200 2004 年 9 月投产9 广东塔牌蕉岭鑫达 24 5000 2003 年 6 月投产10 河南豫龙 911 5000 2005 年 6 月投产11 河南新乡 911 5000 2005 年 6 月投产12 河南同力 911 5000 2005 年 8 月投产13 广西华润鱼峰平南
20、混煤 5000 2004 年 11 月投产14 海南华盛天涯昌江 68 5000 2005 年 6 月投产15 越南福山 68 5000 2005 年 6 月投产蕉岭鑫达 5000 t/d 生产线上是广东塔牌集团目前最大规模的水泥熟料生产线，也是世界上采用无烟煤为燃料的最大规模新型干法水泥熟料生产线。该生产线 2003 年 7 月点火，8 月即实现 100煅烧无烟煤，且无烟煤挥发分为 24。经中国物化检测中心试验，该无烟煤为国内较难燃烧的煤种（参见图 10）。到目前为止，塔牌5000 t/d 生产线已连续运行两年多，一直完全采用 100无烟煤，熟料产量基本在 53005800 t/d。同时，在
21、塔牌 5000 t/d 基础上优化改进的 TSD 分解炉，先后在海南华盛天涯昌江及广西平南鱼峰 5000 t/d 生产线相继投产运行，该型式分解炉目前已出口国外，越南福山 5000 t/d 生产线采用也是该型式分解炉。目前，越南福山 5000 t/d 生产线在完全采用 100无烟煤的情况下，熟料产量在 55006000 t/d，预热器出口温度为300330，系统运行稳定，受到业主的好评，并且正是基于越南福山一线 5000 t/d 烧无烟煤的成功运行，业主要求在越南福山二线上也使用 TSD 型分解炉。图 11 为带 TSD 型分解炉的烧成系统典型操作画面。 5. 小结 通过理论及试验开发了一种新
22、型的带旋流预燃室的组合式分解炉TSD 分解炉，该型式分解炉阻力特性适中，对较难燃烧的无烟煤有较好的适应性。天津院目前已有数十条采用 TSD 型分解炉的生产线投产运行，但在实际运行中尤其是采用无烟煤煅烧的初期投产阶段，对操作人员的素质要求较高，需较精心维护。因此，具体工程在选用该型式分解炉时，需结合煤粉燃烧特性和具体情况综合确定。 参考资料 1：赵向东. “预分解窑采用无烟煤煅烧技术实践” 水泥2003 ，7. 2：王少平，曾扬兵，沈孟育. 用 RNG k-模型数值模拟 180 度弯道内的湍流分离流动J. 力学学报.1996,28(3) :257263 3：M.A.Field.、D.W.Gill,etal，章明川等译.煤粉燃烧，北京；水利电力出版社， 1989 来源：水泥技术
