回转窑二次风温的测量误差分析

热工标定是评价和诊断水泥回转窑运行状况的重要手段。对于评价窑系统的热效率和冷却机的效率，二次风温是一个十分重要的指标。目前热工标定中二次风温的测量，均按照现行的国家标准(GB4179-84)进行，但在水泥行业中，二次风的定义并不是很严格，没有考虑二次风温度的差异，致使不同厂家热工标定的数据缺乏可比性。本文结合水泥回转窑二次风温测量误差的来源进行了分析，指出应考虑不同测点二次风温度的差异，以便对窑炉系统热效率和冷却机效率进行准确的评价，并使不同的热工标定数据可直接进行横向比较。

1　二次风测定现状分析

在热工测定中，水泥回转窑二次风温的测量一直是困扰热工测定的难题之一。实测出的二次风温从700～1250℃不等，与实际窑系统和冷却机的热平衡很难吻合，实际测量与热平衡的误差通常在100℃左右，有时偏高，有时偏低。而人们常常把这误差归结于高温气流的测温误差，虽然在测量中按标准规定采用抽气热电偶测温，但测量精度仍然不能满足实际需要，而被迫用热平衡值来代替实测值。
　　
就系统热平衡而言，需要测定截面上的热流分布，以确定穿过系统界面的热量。而测量截面的热流分布实际上非常困难，通常需要测量平均温度和平均流速来确定。确定平均温度需测定断面上的温度分布，测量平均速度要求测点的风速分布不能太复杂，这对实际测点位置的选择提出了要求，尽量远离弯头和变径等引起流场复杂变化的部件，以使测量得到简化。而实际系统要满足上述要求是比较困难的，这是二次风温测量中误差的一个重要来源。
　　
通常采用抽气热电偶测量二次风温。这是因为二次风速较低，一般每秒只有几米，而物料、壁面和气流的温差较大，采用抽气电偶测量二次风温可减少因壁面和物料辐射导致的测温误差。一般水泥厂回转窑测定使用的抽气热电偶是按照国标推荐的形式，其测量误差一般可控制在3%左右[1]，但实际误差则在10%左右。表1是一组二次风温实测数据和热平衡值，其中A、B两条生产线都是大型干法水泥生产线，均使用推动篦式冷却机，因此具有一定的可比性。由表1可以看出，在不同的生产线上测量，其测量值与热平衡结果的误差有明显差异。从现场测试数据上看，用辐射误差来解释测量误差是不合适的，因为类似的系统中热电偶所受到的热辐射情况类似，误差或者都偏正方向，或者都偏负方向。在现场测试时，将抽气热电偶放入测试位置后，先不抽气测得风速为零时的温度，再抽气后温度明显上升，这表明气体温度确实比壁面温度要高。而A厂的实测值比热平衡值高，B厂的实测值比热平衡值低，实测时的重复性误差小于2%。此外，A线和B线是同一种类型的冷却机，其熟料的单位热耗差距并不十分大，而实侧数据相差较大，这说明除测量误差外还有其它的误差来源。

从表1看出，测量的C线二次风温和料温明显低于A、B两线，但热耗却比B线低，比A线高。二次风温的高低应反映的是冷却机的效率，这意味着C线系统中冷却机的效率远低于A、B线，窑系统的效率则远高于A、B两线。而实际上A线窑炉系统的热效率在全国是领先的，这从系统的其他测试参数可以明显看出。由此可见，这种方式测出的二次风温由于误差的影响，即使满足热平衡，对于系统的实际状况仍不能给出正确的指导。
　　
如果选用图1中的区域作为控制体，做以下几点假设:
　　




　　图1　热平衡测量截面示意图

1)因为散热量远小于热通量，故忽略散热损失；
　　
2)假设从窑头到冷却机之间的通道上，没有化学反应也没泄漏，为无源无漏的管流，在稳态时其任一截面的热通量相等，则在图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为入冷却机热通量；Qsi和Qgi为相应位置物料和气流的热焓；t、C、M为相应位置的气体和物料温度、比热和质量流量。图1中窑与冷却机之间的每一个截面上风温和物料温度都不相同，从窑头往冷却机方向推移，温度逐步降低。即对每一台窑来说，二次风温和料温与测量位置有关，并非固定数值。由此可见，即使完全理想的测量，在图1中不同测量截面测得的二次风温也是不同，即使同在窑口测量，由于燃烧器插入深度不同，即冷却带长度不同，测量结果也不相同。
　　
在现场测量中，由于种种原因，所测量的二次风温和料温可能不在同一截面上，因而造成测量值与热平衡值的不一致。例如，在大多数的情况下料温是通过窑门用光学高温计测量，而二次风温有的是在窑头罩侧面的捅灰孔测量，有的在窑门测量。一般抽气热电偶因高温弯曲，而使二次风温测量位置比料温的测量位置要偏向冷却机，所以在大多数情况下，二次风温的实测值要低于热平衡值，测量风温的位置在捅灰孔时，若靠近下料点，则测量的风温高于平均值。此外由于截面上的温度分布差别很大，窑前高温，环境恶劣。测量位置很难固定，因此测量误差难以控制。

2　理论二次风温的设想及计算

如上所述，作为系统热平衡来说，只要确定穿过热平衡界面的热通量即可，这可通过图1中任一截面上测定物料温度和风温计算得出。但在判断回转窑的燃烧状况和冷却机效率时还希望得知二次风温。
　　
通常，二次风是指二次助燃空气。从上述分析可以看出二次风温和料温与测量位置有关，即与测量截面的选取有关。如果以气体入窑处作为基准面，则热平衡界面应是图1中的截面1，即测出的是tg1和ts1。如果以喷煤管的出口处作为基准面，则热平衡界面应是图1中的截面0。虽然这2个截面上的风量相同，但温度是不同的。按照有关文献介绍〔2，3〕，二次风定义中只反映了二次风的数量，并未反映出二次风的温度。
　　
作为系统热平衡界面具有的物理意义应是结果能够全面反映2个系统界面的状况，二次风应能反映助燃空气的预热状况，并能进行横向比较。从这点出发，在截面1处测量的优点是几何截面易于确定，其截面能反映窑与冷却机之间的热量传递。但是此处二次风温的意义是经冷却机和窑头罩物料预热的风温，其测定的二次风温位置在窑头罩内，测量时热电偶无法在该处定位，气流沿窑头罩转弯，测平均风速风温极不理想，而且该处的物料呈堆积态，测量时只能测到表面温度，很难测到物料的平均温度，此外窑头冷却带的长短对测量截面上物料的温度有影响，所得到的风温并不完全反映窑头助燃空气的预热状况和冷却机的效率。由于熟料烧成温度一般在1450℃左右，在截面0处测量的优点是料温容易确定，只要确定风温即可。但截面的位置落在窑内，无法进行测量，况且窑头喷煤管燃烧器喷出的一次风回流区随操作条件变化，因此确定实际测量位置都很困难。
　　
上述2个截面实际测量和应用都有较大的困难。从测量的目的来看，系统热平衡只要得到热平衡界面的热通量即可，选择图1中的任意一截面都可。而入窑二次风温仅是为了用来判断回转窑的燃烧环境和燃料燃烧温度以及冷却机的性能。考虑实际测量的难度，可以将热平衡界面问题与二次风温问题分离，分别处理以满足各自的需要。因此实际测量时可以在冷却机和回转窑之间窑头罩上选择一个方便的截面作为热平衡界面，在该截面上同时测量风温和料温，计算出该界面上的热通量，作为系统平衡时的热支出(收入)项目。二次风温则以燃烧器出口界面(图1中0界面，仅考虑到窑头的预热空气，不考虑燃烧器带入的一次空气)为准，称为理论二次风温，可以按照系统平衡计算得出。按式(1)设其在燃烧器界面的料温为1450℃(即按熟料理论烧成温度)计算出理论二次风温。即:
　　
tg20=(1450×Ms20×C-Qf1)/(Mg20×C)(2)
　　
式中，tg20为定义在图1中0界面的理论二次风温；Cg20、Cs20、Mg20、Ms20为0界面上的气体和熟料的比热、质量流量。
这样，在实际测量中降低了测量的难度，也满足了定义的科学性和实用性。
　
　表2是采用(2)式计算的理论二次风温tg20。从表2中看到，不同窑之间测得的结果具有可比性。