回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)溫的測(cè)量誤差分析

熱工標(biāo)定是評(píng)價(jià)和診斷水泥回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行狀況的重要手段。對(duì)于評(píng)價(jià)窯系統(tǒng)的熱效率和冷卻機(jī)的效率，二次風(fēng)溫是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。目前熱工標(biāo)定中二次風(fēng)溫的測(cè)量，均按照現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB4179-84)進(jìn)行，但在水泥行業(yè)中，二次風(fēng)的定義并不是很嚴(yán)格，沒(méi)有考慮二次風(fēng)溫度的差異，致使不同廠家熱工標(biāo)定的數(shù)據(jù)缺乏可比性。本文結(jié)合水泥回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)溫測(cè)量誤差的來(lái)源進(jìn)行了分析，指出應(yīng)考慮不同測(cè)點(diǎn)二次風(fēng)溫度的差異，以便對(duì)窯爐系統(tǒng)熱效率和冷卻機(jī)效率進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，并使不同的熱工標(biāo)定數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行橫向比較。 

1　二次風(fēng)測(cè)定現(xiàn)狀分析 

在熱工測(cè)定中，水泥回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)溫的測(cè)量一直是困擾熱工測(cè)定的難題之一。實(shí)測(cè)出的二次風(fēng)溫從700～1250℃不等，與實(shí)際窯系統(tǒng)和冷卻機(jī)的熱平衡很難吻合，實(shí)際測(cè)量與熱平衡的誤差通常在100℃左右，有時(shí)偏高，有時(shí)偏低。而人們常常把這誤差歸結(jié)于高溫氣流的測(cè)溫誤差，雖然在測(cè)量中按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用抽氣熱電偶測(cè)溫，但測(cè)量精度仍然不能滿足實(shí)際需要，而被迫用熱平衡值來(lái)代替實(shí)測(cè)值。 
　　
就系統(tǒng)熱平衡而言，需要測(cè)定截面上的熱流分布，以確定穿過(guò)系統(tǒng)界面的熱量。而測(cè)量截面的熱流分布實(shí)際上非常困難，通常需要測(cè)量平均溫度和平均流速來(lái)確定。確定平均溫度需測(cè)定斷面上的溫度分布，測(cè)量平均速度要求測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速分布不能太復(fù)雜，這對(duì)實(shí)際測(cè)點(diǎn)位置的選擇提出了要求，盡量遠(yuǎn)離彎頭和變徑等引起流場(chǎng)復(fù)雜變化的部件，以使測(cè)量得到簡(jiǎn)化。而實(shí)際系統(tǒng)要滿足上述要求是比較困難的，這是二次風(fēng)溫測(cè)量中誤差的一個(gè)重要來(lái)源。 
　　
通常采用抽氣熱電偶測(cè)量二次風(fēng)溫。這是因?yàn)槎物L(fēng)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(cè)量二次風(fēng)溫可減少因壁面和物料輻射導(dǎo)致的測(cè)溫誤差。一般水泥廠回轉(zhuǎn)窯測(cè)定使用的抽氣熱電偶是按照國(guó)標(biāo)推薦的形式，其測(cè)量誤差一般可控制在3%左右[1]，但實(shí)際誤差則在10%左右。表1是一組二次風(fēng)溫實(shí)測(cè)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(dòng)篦式冷卻機(jī)，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(cè)量，其測(cè)量值與熱平衡結(jié)果的誤差有明顯差異。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)上看，用輻射誤差來(lái)解釋測(cè)量誤差是不合適的，因?yàn)轭愃频南到y(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(fù)方向。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，將抽氣熱電偶放入測(cè)試位置后，先不抽氣測(cè)得風(fēng)速為零時(shí)的溫度，再抽氣后溫度明顯上升，這表明氣體溫度確實(shí)比壁面溫度要高。而A廠的實(shí)測(cè)值比熱平衡值高，B廠的實(shí)測(cè)值比熱平衡值低，實(shí)測(cè)時(shí)的重復(fù)性誤差小于2%。此外，A線和B線是同一種類型的冷卻機(jī)，其熟料的單位熱耗差距并不十分大，而實(shí)側(cè)數(shù)據(jù)相差較大，這說(shuō)明除測(cè)量誤差外還有其它的誤差來(lái)源。  

從表1看出，測(cè)量的C線二次風(fēng)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(fēng)溫的高低應(yīng)反映的是冷卻機(jī)的效率，這意味著C線系統(tǒng)中冷卻機(jī)的效率遠(yuǎn)低于A、B線，窯系統(tǒng)的效率則遠(yuǎn)高于A、B兩線。而實(shí)際上A線窯爐系統(tǒng)的熱效率在全國(guó)是領(lǐng)先的，這從系統(tǒng)的其他測(cè)試參數(shù)可以明顯看出。由此可見，這種方式測(cè)出的二次風(fēng)溫由于誤差的影響，即使?jié)M足熱平衡，對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)際狀況仍不能給出正確的指導(dǎo)。 
　　
如果選用圖1中的區(qū)域作為控制體，做以下幾點(diǎn)假設(shè): 
　　 




　　圖1　熱平衡測(cè)量截面示意圖 

1)因?yàn)樯崃窟h(yuǎn)小于熱通量，故忽略散熱損失； 
　　
2)假設(shè)從窯頭到冷卻機(jī)之間的通道上，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)也沒(méi)泄漏，為無(wú)源無(wú)漏的管流，在穩(wěn)態(tài)時(shí)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(jī)熱通量；Qsi和Qgi為相應(yīng)位置物料和氣流的熱焓；t、C、M為相應(yīng)位置的氣體和物料溫度、比熱和質(zhì)量流量。圖1中窯與冷卻機(jī)之間的每一個(gè)截面上風(fēng)溫和物料溫度都不相同，從窯頭往冷卻機(jī)方向推移，溫度逐步降低。即對(duì)每一臺(tái)窯來(lái)說(shuō)，二次風(fēng)溫和料溫與測(cè)量位置有關(guān)，并非固定數(shù)值。由此可見，即使完全理想的測(cè)量，在圖1中不同測(cè)量截面測(cè)得的二次風(fēng)溫也是不同，即使同在窯口測(cè)量，由于燃燒器插入深度不同，即冷卻帶長(zhǎng)度不同，測(cè)量結(jié)果也不相同。 
　　
在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，由于種種原因，所測(cè)量的二次風(fēng)溫和料溫可能不在同一截面上，因而造成測(cè)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(guò)窯門用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量，而二次風(fēng)溫有的是在窯頭罩側(cè)面的捅灰孔測(cè)量，有的在窯門測(cè)量。一般抽氣熱電偶因高溫彎曲，而使二次風(fēng)溫測(cè)量位置比料溫的測(cè)量位置要偏向冷卻機(jī)，所以在大多數(shù)情況下，二次風(fēng)溫的實(shí)測(cè)值要低于熱平衡值，測(cè)量風(fēng)溫的位置在捅灰孔時(shí)，若靠近下料點(diǎn)，則測(cè)量的風(fēng)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(cè)量位置很難固定，因此測(cè)量誤差難以控制。 

2　理論二次風(fēng)溫的設(shè)想及計(jì)算 

如上所述，作為系統(tǒng)熱平衡來(lái)說(shuō)，只要確定穿過(guò)熱平衡界面的熱通量即可，這可通過(guò)圖1中任一截面上測(cè)定物料溫度和風(fēng)溫計(jì)算得出。但在判斷回轉(zhuǎn)窯的燃燒狀況和冷卻機(jī)效率時(shí)還希望得知二次風(fēng)溫。 
　　
通常，二次風(fēng)是指二次助燃空氣。從上述分析可以看出二次風(fēng)溫和料溫與測(cè)量位置有關(guān)，即與測(cè)量截面的選取有關(guān)。如果以氣體入窯處作為基準(zhǔn)面，則熱平衡界面應(yīng)是圖1中的截面1，即測(cè)出的是tg1和ts1。如果以噴煤管的出口處作為基準(zhǔn)面，則熱平衡界面應(yīng)是圖1中的截面0。雖然這2個(gè)截面上的風(fēng)量相同，但溫度是不同的。按照有關(guān)文獻(xiàn)介紹〔2，3〕，二次風(fēng)定義中只反映了二次風(fēng)的數(shù)量，并未反映出二次風(fēng)的溫度。 
　　
作為系統(tǒng)熱平衡界面具有的物理意義應(yīng)是結(jié)果能夠全面反映2個(gè)系統(tǒng)界面的狀況，二次風(fēng)應(yīng)能反映助燃空氣的預(yù)熱狀況，并能進(jìn)行橫向比較。從這點(diǎn)出發(fā)，在截面1處測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是幾何截面易于確定，其截面能反映窯與冷卻機(jī)之間的熱量傳遞。但是此處二次風(fēng)溫的意義是經(jīng)冷卻機(jī)和窯頭罩物料預(yù)熱的風(fēng)溫，其測(cè)定的二次風(fēng)溫位置在窯頭罩內(nèi)，測(cè)量時(shí)熱電偶無(wú)法在該處定位，氣流沿窯頭罩轉(zhuǎn)彎，測(cè)平均風(fēng)速風(fēng)溫極不理想，而且該處的物料呈堆積態(tài)，測(cè)量時(shí)只能測(cè)到表面溫度，很難測(cè)到物料的平均溫度，此外窯頭冷卻帶的長(zhǎng)短對(duì)測(cè)量截面上物料的溫度有影響，所得到的風(fēng)溫并不完全反映窯頭助燃空氣的預(yù)熱狀況和冷卻機(jī)的效率。由于熟料燒成溫度一般在1450℃左右，在截面0處測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是料溫容易確定，只要確定風(fēng)溫即可。但截面的位置落在窯內(nèi)，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，況且窯頭噴煤管燃燒器噴出的一次風(fēng)回流區(qū)隨操作條件變化，因此確定實(shí)際測(cè)量位置都很困難。 
　　
上述2個(gè)截面實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用都有較大的困難。從測(cè)量的目的來(lái)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(fēng)溫僅是為了用來(lái)判斷回轉(zhuǎn)窯的燃燒環(huán)境和燃料燃燒溫度以及冷卻機(jī)的性能?？紤]實(shí)際測(cè)量的難度，可以將熱平衡界面問(wèn)題與二次風(fēng)溫問(wèn)題分離，分別處理以滿足各自的需要。因此實(shí)際測(cè)量時(shí)可以在冷卻機(jī)和回轉(zhuǎn)窯之間窯頭罩上選擇一個(gè)方便的截面作為熱平衡界面，在該截面上同時(shí)測(cè)量風(fēng)溫和料溫，計(jì)算出該界面上的熱通量，作為系統(tǒng)平衡時(shí)的熱支出(收入)項(xiàng)目。二次風(fēng)溫則以燃燒器出口界面(圖1中0界面，僅考慮到窯頭的預(yù)熱空氣，不考慮燃燒器帶入的一次空氣)為準(zhǔn)，稱為理論二次風(fēng)溫，可以按照系統(tǒng)平衡計(jì)算得出。按式(1)設(shè)其在燃燒器界面的料溫為1450℃(即按熟料理論燒成溫度)計(jì)算出理論二次風(fēng)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(fēng)溫；Cg20、Cs20、Mg20、Ms20為0界面上的氣體和熟料的比熱、質(zhì)量流量。 
這樣，在實(shí)際測(cè)量中降低了測(cè)量的難度，也滿足了定義的科學(xué)性和實(shí)用性。 
　
　表2是采用(2)式計(jì)算的理論二次風(fēng)溫tg20。從表2中看到，不同窯之間測(cè)得的結(jié)果具有可比性。