回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)溫的測量誤差分析

熱工標(biāo)定是評價和診斷水泥回轉(zhuǎn)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(fēng)溫是一個十分重要的指標(biāo)。目前熱工標(biāo)定中二次風(fēng)溫的測量，均按照現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB4179-84)進行，但在水泥行業(yè)中，二次風(fēng)的定義并不是很嚴(yán)格，沒有考慮二次風(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)溫測量誤差的來源進行了分析，指出應(yīng)考慮不同測點二次風(fēng)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(zhǔn)確的評價，并使不同的熱工標(biāo)定數(shù)據(jù)可直接進行橫向比較。 

1　二次風(fēng)測定現(xiàn)狀分析 

在熱工測定中，水泥回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)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(fēng)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(jié)于高溫氣流的測溫誤差，雖然在測量中按標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)速分布不能太復(fù)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(fù)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(fēng)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(fēng)溫。這是因為二次風(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，采用抽氣電偶測量二次風(fēng)溫可減少因壁面和物料輻射導(dǎo)致的測溫誤差。一般水泥廠回轉(zhuǎn)窯測定使用的抽氣熱電偶是按照國標(biāo)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(fēng)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(jié)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(fù)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(fēng)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(fù)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(cè)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(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(lǐng)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(fēng)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(dǎo)。 
　　
如果選用圖1中的區(qū)域作為控制體，做以下幾點假設(shè): 
　　 




　　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(shè)從窯頭到冷卻機之間的通道上，沒有化學(xué)反應(yīng)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(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中窯與冷卻機之間的每一個截面上風(fēng)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(fēng)溫和料溫與測量位置有關(guān)，并非固定數(shù)值。由此可見，即使完全理想的測量，在圖1中不同測量截面測得的二次風(fēng)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(jié)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(fēng)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(xué)高溫計測量，而二次風(fēng)溫有的是在窯頭罩側(cè)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(fēng)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(fēng)溫的實測值要低于熱平衡值，測量風(fēng)溫的位置在捅灰孔時，若靠近下料點，則測量的風(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。測量位置很難固定，因此測量誤差難以控制。 

2　理論二次風(fēng)溫的設(shè)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(fēng)溫計算得出。但在判斷回轉(zhuǎn)窯的燃燒狀況和冷卻機效率時還希望得知二次風(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)溫和料溫與測量位置有關(guān)，即與測量截面的選取有關(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個截面上的風(fēng)量相同，但溫度是不同的。按照有關(guān)文獻介紹〔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(fēng)溫的意義是經(jīng)冷卻機和窯頭罩物料預(yù)熱的風(fēng)溫，其測定的二次風(fēng)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(zhuǎn)彎，測平均風(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(fēng)溫并不完全反映窯頭助燃空氣的預(yù)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(fēng)溫僅是為了用來判斷回轉(zhuǎn)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(fēng)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(zhuǎn)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(fēng)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(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，在實際測量中降低了測量的難度，也滿足了定義的科學(xué)性和實用性。 
　
　表2是采用(2)式計算的理論二次風(fēng)溫tg20。從表2中看到，不同窯之間測得的結(jié)果具有可比性。