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2018年06月12日 10:51:36
也谈预分解窑的增产潜能与影响因素


刘仁德
(铜陵上峰水泥集团公司,安徽  铜陵  244171)

    近年来,随着对预分解技术认识的逐步提高、设计研究和操作实践的经验积累,水泥回转窑预分解技术在我国迅猛发展。我国已经由水泥生产大国跃为水泥生产强国。生产能力远远超过设计能力的生产企业层出不穷,台时产量一家高过一家。在平原地区,φ4m×60m预分解窑实现了3 500t/d,φ4.8m×72m预分解窑也达到接近7 000t/d的水平,回转窑产能超过设计能力约40%。那么,回转窑的产能到底有多大,目前预分解窑的产能还有多少潜力可挖。为进一步挖潜增效,充分发挥预分解窑的增产潜能,广大水泥科技工作者都在畅谈个人的看法和意见,笔者结合生产实际,浅谈对预分解窑增产节能的个人认识,供商榷参考。

1 影响预分解窑产能的关键因素
1.1 回转窑是影响产能的关键设备
    回转窑是熟料煅烧的主要设备。水泥熟料的烧制过程,就是物料在回转窑内,通过燃料燃烧、热量交换、物理和热化学反应,将生料煅烧成熟料。由于在预分解窑生产系统中,物料的分解功能主要转移到预分解系统进行,回转窑的主要作用就是物料的固相反应和熟料烧成。因此,熟料煅烧是影响预分解窑产能的关键环节,回转窑产能的高低,决定了烧成系统产量的高低。回转窑是影响产能的关键设备。

    影响回转窑生产能力的因素故然很多,但经综合疏理,关键因素是物料在窑内的停留时间和窑内物料填充率,回转窑燃烧带的发热能力和传热能力,窑尾截面的工况风速。回转窑产能的大小与回转窑的型式有关。不同类型、不同规格、不同生产方式的回转窑,影响程度各不相同。由于预分解窑的物料分解主要在预分解系统进行,大大减少了窑内热负荷,缩短了物料在窑内的停留时间,减少了窑尾烟气排出量,因此,预分解窑的产能比起其它形式的回转窑必然有较大幅度提高。

1.2 影响回转窑产能的主要因素
1.2.1 物料在窑内的停留时间
    任何型式的回转窑,都具备热工设备和输送设备两大功能。喂入窑内的物料,在输送过程中,完成热质传递和熟料生成的热化学反应。因此,热化学反应时间决定了物料在窑内的停留时间,回转窑的输送产量是由热工产量决定的。
    窑内物料停留时间可用式(1)计算:

 

    由式(1)可以看出,对某一特定的回转窑,由于它的长度、斜度和有效内径已经确定,窑内物料的停留时间,就只与回转窑转速和物料休止角有关了。

    一般工艺计算中,只计算窑内物料平均停留时间,取物料休止角am=35°。但是,由于物料在窑内各带的性质不同,物料休止角和运行速度并不相同,只计算窑内物料平均停留时间,不利于对物料在燃烧带停留时间的控制,影响回转窑产能的提高。经多年实践和回归分析认为,窑内物料动态休止角:分解带取af=24°~25°;燃烧带取ar=55°~56°;回转窑取am=35°;与生产实际较为吻合。

    由于预分解窑将绝大部分的分解功能转移到预分解系统进行,入窑物料分解率必然对回转窑产量产生决定性影响。随着设计和操作水平的日趋进步,入窑物料分解率逐步提高,物料在窑内停留时间已日渐缩短。目前,国内外的先进企业,物料在窑内停留时间已缩短到近20min,在燃烧带停留时间达到10min左右。

1.2.2 窑内物料填充率
    要实现预分解窑的优质高产,在操作中就要做到“薄料快烧”。“ 快烧”就是在保证煅烧质量的前提下,缩短物料在窑内的停留时间,实现高产低耗优质的目标。窑内物料填充率过高,不利于热交换和热化学反应的进行;反之,填充率过低,会导致产能的降低和热能的损失。因此,确定合理的物料填充率是稳定窑内热工制度挖掘回转窑潜能的前提。要做到优质高产,保证窑内物料填充率的合理、稳定。才是“薄料”的真正内涵。

 

    由于物料性质不同,在窑内各带运行速度不同,各带物料的填充率也各不相同。为充分发挥预分解窑潜能,提高台时产量,除采取措施提高入窑物料分解率,满足物料在窑内和燃烧带停留时间的前提下合理提高窑速之外,窑内物料的填充率也在逐步提高。目前,比较先进的窑型,窑内物料填充率已达到7%~10%,燃烧带物料填充率已达到10%~13%。

    取:回转窑斜度为3.5%,物料在燃烧带停留时间为10min,燃烧带物料填充率13%。计算窑内各带物料填充率和回转窑可达输送产量见表1。

    由表1可见,当燃烧带物料停留时间在10min,填充率为13%时,φ4.0m×60m预分解窑的输送产量即可实现约4 000t/d;φ4.8m×72m预分解窑达到近6 900t/d的能力。

1.2.3 回转窑的发热能力
    喷入窑内的燃料,从开始着火到完全燃烧的区域,就是回转窑的燃烧带。在单位时间内,燃烧带的有效空间中,燃料完全燃烧所产生的热量。就是回转窑的发热能力。
    其计算式可用式(4)描述:

 

    固体及液体燃料,其空气干躁基低位热值与燃料完全燃烧所生成的烟气量之比,波动范围不大,可视为常数。因此,燃料燃烧容积热力强度也可视为常数。其值可用式(5)计算:

 

    当熟料热耗一定时,提高发热能力就可以提高回转窑产量。但回转窑的发热能力,受到燃烧带热力强度的限制。不能超过容积热力强度常数的控制值。由式(4)可以看出,燃烧带有效容积,随窑内物料填充率变化而变化,物料填充率增大,燃烧带截面积就要减小;在与原喂煤量相同的情况下,燃烧带截面热力强度和内表面热力强度就要升高。当加煤量过多时,就会因会因火力过于集中,热力强度过高而损坏窑衬。影响到回转窑的发热能力。目前,国内比较先进的预分解窑,在保证安全稳定运行的情况下,燃烧带容积热力强度已经达到了350~410k W/m3[(12.60~14.76)×105k J/m3.h]的水平。

1.2.4 回转窑的传热能力
    回转窑的传热能力,是指在回转窑燃烧带中传递热量的能力。由于燃料燃烧的容积热力强度可以看作常数,回转窑的传热能力就直接受到燃烧带有效容积的影响。进而影响回转窑的发热能力。

    任何型式的回转窑,直径相同,有效内径相同。因此,在窑内物料填充率相同的情况下,燃烧带有效容积,就取决于燃烧带长度。

    燃烧带长度是由燃烧带气体流速决定的。根据国内外先进窑型的经验数据,合理的燃烧带标况气体流速,基本符合下列线性关系式:

  

    燃烧带的实际长度,难以准确测量。在我国,目前也尚未见到准确的有关燃烧带长度的理论数学表达式。法.W.安森姆在“回转窑规格的选型与形式的相似性”一文中曾提出,燃烧带长度的计算见式(8):

 
    现根据国内外先进窑型的实测数据,以煤空气干燥基低位热值=5 700×4.1868k J/kg.煤,燃料燃烧理论烟气量=6.7333Nm3/kg.煤为例,计算燃烧带有效容积、回转窑的发热能力与热工产量的关系见表2。                                                         

    虽然回转窑的发热能力相同,但因熟料烧成热耗不同,回转窑的产量不同。输送产量与热工产量也不能统一。由表2可以看出,按设定燃烧带物料填充率为13%的输送产量计算热工产量时,由于热耗不同,燃烧带实际物料填充率发生变化,回转窑热工产量与输送产量产生差异。回转窑热工可达产量:φ4m×60m窑约在3 850t/d,φ4.8m×72m窑能够达到7 000t/d左右。回转窑单位有效容积日产量都已经超过6.0t/m3.d。

1.2.5 回转窑冷端的截面风速
    与其它型式的回转窑不同,喂入预分解窑的物料,首先是把生料粉喂入预热器,在高度分散的状态下,被各级预热器预热升温,再进入温度控制在850℃~900℃左右的分解炉。在分解炉内的高温作用下,物料中主要成分被分解和分离,Al2O3、Fe2O3单体开始软化、在悬浮的热气流中吸附石灰石分解的Ca O,粘结形成细小颗粒。由于细小颗粒呈疏松状,并挟带部分未被粘附的气化料粉喂入窑内,入窑物料的容重很低,仅在900g/cm3左右。当回转窑产能增加幅度较大,产生的过量废气导致窑内冷端风速过高时,会将窑尾物料带起形成二次扬尘,将严重影响物料的正常煅烧。造成回转窑热工制度紊乱。因此,预分解窑生产潜能的挖掘,要受到回转窑冷端风速限制。为避免二次扬尘的形成,必须对冷端风速进行控制,一般控制冷端风速不超过12m/s。现依输送产量和热工产量,计算回转窑的冷端风速见表3。

    由表3可见,当φ4m×60m回转窑产量达到167.22t/h,φ4.8m×72m回转窑产量达到292.74 t/h时,回转窑的冷端风速并未超过12m/s。

1.3 预分解窑的生产潜能
    自跨入21世纪,应用于水泥回转窑的预分解生产技术,在我国迅猛发展。随着实践经验的积累,从业人员对预分解技术的认识日趋深刻、许多传统的生产技术理论不断被创新。同时促进了相关配套产业设备、材料制造技术的改革创新,产品的更新换代。影响回转窑生产能力的关键因素不断被突破:物料在窑内的停留时间日趋缩短,窑内物料填充率越来越优化合理,回转窑燃烧带的发热能力和传热能力仍在逐步提高。证明了正确评估预分解窑的生产潜能是科技发展的必然要求。

    目前,单位熟料热耗在3  410k J/kg.cl以下,燃烧带物料填充率达到13%左右,物料在窑内的停留时间≤20min的生产企业越来越多,由于窑内热耗的逐步降低,窑尾截面的工况风速已经不是挖掘预分解窑生产潜能的瓶颈。因此,在平原地区,φ4m×60m预分解窑3 500t/d,φ4.8m×72m预分解窑7 000t/d的挖潜目标是能够实现的。

2 挖掘生产潜能对预热分解系统的要求
    预分解系统系指预热器及分解炉,并包括分解炉的燃烧及供风(三次风)系统的综合。预分解系统与回转窑是相辅相成的统一整体。提高预分解系统的预烧能力,满足挖掘回转窑有效容积产量潜能的要求。以回转窑为中心,对预分解系统的设备能力进行平衡匹配,是工艺设计和挖潜节能技术改造必须遵循的原则。预分解系统不能成为影响回转窑产能发挥的瓶颈。预分解系统规格的确定,必须以充分满足回转窑系统产能的最大发挥为前提。随着生产技术的快速发展,目前很多企业回转窑的单位有效容积产量已达到6.0t/m3.d的水平,因此,按回转窑单位有效容积产量不小于6.0t/m3.d设计的预分解系统是合理的。

2.1 预热器
    预热器是预分解窑不可缺少的组成部分,其主要作用是将烟气中的热量迅速的传递给物料。这种传热现象即称为热交换。热交换的效果如何,可用旋风筒排出烟气及物料的温度来衡量。温差愈小传热效果愈好。实践证明;设计合理的预热器,可以做到物料温度接近烟气温度。根据烟气温降情况来看,各级预热器在预分解系统中换热作用相对较小,主要作用是气固分离。在物料温度接近烟气温度的情况下,热交换作用近90%在联接管道内进行,旋风筒内大约只进行了10%左右。因此,联接管道可视为热交换器,旋风筒可视为分离器。

    为了使旋风筒排出的烟气与物料温度接近,必须保证足够的热交换时间,统计国内外热交换效果比较好的预热器,烟气与物料在每段联接管道内的热交换时间大约在0.6s。为保证足够的热交换时间,联接管道内的风速,应与旋风筒的有效内径成正比。即:旋风筒愈小,联接管风速愈低,旋风筒愈大,联接管风速愈高,根据旋风筒的规格尺寸不同,联接管风速一般控制在15~20m/s范围之内。

    各级预热器的分离效率和各级之间的合理匹配,对保证系统的经济、合理运行和安全生产至关重要。由于C1筒要求分离效率达到95%以上,需要尽量提高分离效率,在工艺设计时,一般配置的规格较大,截面风速控制在<4m/s。C5筒因气流温度最高,工况风量最大,为提高优化热效率和分离效率,降低旋风筒阻力,也可能单独选用较大规格。其余各级预热器的配置,在综合平衡动力消耗,挖掘生产潜能等因素的基础上,截面风速可以取较高值。一般在≤6m/s是合理的。这在进行挖潜节能技术改造时,可借鉴参考。

2.2 分解炉
    分解炉是一个集燃料燃烧、热交换和分解于一体的高温气固反应器,分解炉规格是以保证炉内料气停留时间为前提,并结合考虑所提供的原料、燃料的特性而确定的。影响分解炉规格尺寸的主要参数包括:气流截面风速、炉体的热力强度、燃料的燃烬时间等。

2.2.1 气流的截面风速
    分解炉内气流截面风速的大小,决定着物料分散、传热及燃料燃烧的情况。分解炉柱体部分的截面风速,允许波动范围较大,但最低风速要大于物料的浮游速度,最高风速要考虑到动力消耗。

    合理的截面风速,应适应最经济的有效内径。所谓经济内径,是指在保证分解炉有效容积的条件下,表面积最小时候的内径。在经济内径的情况下,分解炉愈小,合理截面风速愈低。但是,如果截面风速低于物料悬浮上升的初速度,就必须在保证有效容积不变的条件下,缩小有效内径。分解炉愈大,合理的截面风速愈高,但如果造成动力消耗太高,就要考虑双炉并联。

    气体在分解炉内的平均截面风速,根据炉型不同有较大差别,一般的分解炉在4~10m/s,管道式分解炉约为18~20m/s。对常用炉型的气流截面风速,在考虑挖潜余量的情况下,选取 8 m/s左右是可以的。分解炉的截面风速,可用式(10)表述:

  
2.2.2 分解炉的容积热力强度
    分解炉的容积热力强度,是指分解炉单位容积在单位时间内发出的热量。与回转窑燃烧带容积热力强度不同,由于分解炉的炉体可以制造成为各种不同形状,气流的截面风速只要能够保证炉内燃料有充足的燃烧时间,允许有较大差别。因此,在分解炉的有效容积确定之后,用于物料分解部分的热耗未发生改变时,要增大分解炉的发热能力提高熟料产量,就必须提高分解炉的容积热力强度。分解炉形式不同,容积热力强度也不相同。详见式(11):

 

    实践证明,不同形式的分解炉,容积热力强度差异较大。一般是在440~960k W/m3相当于[(15.84~34.56)×105k J/m3.h]范围内。在式(11)中,熟料在分解炉部分的热耗,在挖潜节能技术改造时,可通过生产实践进行热平衡计算求得。

2.2.3 分解炉有效容积
    分解炉的有效容积,除了要满足增产后的发热能力要求,保证分解炉具有足够的容积热力强度外;还必须有足够的时间保证燃料充分燃烧。在分解炉柱体截面风速允许的波动范围内,为确保燃料燃烧充分,气体在炉内的停留时间以达到2~3s以上为好。当综合考虑煅烧劣质煤或无烟煤诸因素时,停留时间还需要延长,具体以燃烧的煤质而定。

    在满足产量和发热能力的要求的前提下,分解炉的有效容积按下式计算:

 

    在式(12)中,Tm/Tg为固气停留时间比,虽然分解炉内截面风速不高并且不同炉型间的差异较大,Tm/Tg的控制目标有所不同,但大都控制在Tm/Tg≈4~6范围内。经国内外先进窑型的生产实践证明:物料在炉内的分解时间小于燃料的燃烧时间。因此,保证了燃料的燃烧时间,原料的分解足够应用。如果物料在炉内停留时间小于物料在工况条件下的分解时间,造成入窑物料分解率低,就要通过扩大炉容来解决。

    分解炉形式不同,容积热力强度和炉内截面风速差异较大。如果新建生产线,利用熟料产量或分解炉发热能力确定分解炉有效容积时,一定要留有足够的贮备能力系数,以利于增产潜能的挖掘。

2.3 三次风管的有效内径
    为了最大限度地降低熟料烧成热耗,充分利用出窑熟料带出的热量是重要手段之一。因此,分解炉内的燃料完全燃烧所需要的理论空气量,应全部来自熟料冷却机。实际进入分解炉的三次空气量,应为理论空气量加沿途漏风之和。实践证明,目前比较先进的预分解窑,窑头的二次风温已达到或接近1 200℃,进入分解炉的三次空气温度,可达到900℃以上。

    分解炉三次风管有效内径的计算公式为;

 

    在此需要指出,虽然分解炉形式不同,要求三次风管入炉平均风速不同,但由于三次风管布置倾角一般都较小,熟料粉尘的颗粒粒径和重度较大,为防止粉尘的沉降,最低风速应在20m/s以上。为保证与窑系统的阻力平衡,最高风速不得超过30m/s。今见某些厂家使用的分解炉,三次风速设计过高,极大地限制了回转窑产能的发挥。应当引以为戒!

    由于预分解窑将绝大部分的分解功能转移到预分解系统进行,入窑物料分解率必然对回转窑产量产生决定性影响。因此,在预分解窑的最新发展中,重点对预分解系统采取了扩大筒、管、炉容,加大炉用燃料比等手段,提高分解炉的单位容积热效率,增加发热能力;使入窑物料分解率得到提高,保证了预分解窑增产潜能的挖掘。

3 系统设备配置对产能的影响
    任何型式的回转窑,直径相同,发热能力相同。但前后配套装置不合理,会限制发热能力的发挥。由于以前我国计算预分解窑产量的公式普遍偏低,预分解窑的设计产量都定的较低。虽然目前已经在预分解系统采取了各种措施,增加分解炉的发热能力。并逐步把“筒、管、炉、窑、机”作为一个整体进行全面改进优化。但有些预分解窑的前后配套装置能力仍然偏小,导致回转窑发热能力不能得到充分发挥,使台时产量受到很大影响。

3.1 篦式冷却机
    熟料冷却效果的好坏与回转窑的安全稳定运行息息相关,篦冷机是对预分解窑挖掘增产潜能影响最大的关键设备之一。许多企业就是因为篦冷机配置不当,导致回转窑热工制度长期不能稳定,熟料的产、质量下降和热耗增加。

    篦冷机对熟料的冷却,是利用一定压力的外界环境空气,对在篦床上进行相对运动的高温熟料进行的冷却,使冷却后的熟料温度下降到约为环境温度+65℃的水平。篦冷机热端回收的熟料冷却空气作为供应窑系统的二、三次风,中低温段热风可作为烘干燃料用风,其余的可作为窑头余热发电用风的热风源。通过多年的生产实践,篦冷机系统经过不断改进,可靠性及技术指标得到很大提高。目前使用的篦冷机已跨入第四代的行列。第三代与第四代篦冷机的基本性能及参数对比见表4。

    由于节能减排的需要,目前各企业都上马了余热发电项目,有的还在进行着对燃烧器的节能技术改造,篦冷机的熟料冷却废气有了更广阔的应用途径。但同时应当看到,多点争风的矛盾已经凸显,如果对供风系统的配置处理不当,或篦冷机供、排风系统风量不能平衡,将导致回转窑系统的热工制度紊乱,余热发电效率降低,对熟料的产质量和节能降耗产生不利影响。因此,在生产使用过程中,一定要充分认识到篦冷机供排风的风量平衡,对保证预分解窑稳定、安全生产的重要作用。在建工程进行设备选型时,一定对篦冷机的生产能力留有充分余量,不能让篦冷机成为全窑系统挖潜增效的瓶颈。

3.2 窑尾排风机
    窑尾排风与熟料烧成热耗关系密切。窑尾排风能力不足,不仅会因燃料不完全燃烧导致煤耗增加,增大废气排放量,同时会极大地制约回转窑生产潜能的发挥。当回转窑产量提高,增加窑内加煤量时,窑尾排风能力不足,会使燃烧带气体流速受到限制。燃烧带长度缩短,有效容积减小,燃烧带截面热力强度和内表面热力强度增大,如超过窑衬的最高承载能力,会造成对窑衬甚至设备的损坏。

    窑尾系统的排风,包括窑尾高温风机的排风和收尘器后排风机的排风。虽然上马余热发电项目后,入高温风机的热气体温度能够下降100℃以上,可以缓解高温风机能力不足的矛盾,但对于尾排风机而言,产量提高后排风能力不足的问题却不能得到缓解!同时,增设余热锅炉后,导致入高温风机系统阻力的变化,也需要引起重视。

4 结语
    (1)回转窑是影响产能的关键设备,回转窑产能的高低,决定了预分解窑系统产量的高低。影响回转窑生产能力的因素固然很多,但只要在生产过程中通过认真分析,抓住主要矛盾,控制主要因素,优化生产操作,就能够进一步有效地挖掘预分解窑的生产潜能。

    (2)在保证窑内和燃烧带物料停留时间的前提下合理提高窑速,是挖潜降耗的有效措施。目前比较先进的窑型,窑内物料停留时间已缩短到近20min。并且物料的填充率也在同步提高,窑内物料填充率已达到7%~10%,燃烧带物料填充率已达到10%~13%。使回转窑生产潜能得到进一步发挥。

    (3)任何型式的回转窑,直径相同,发热能力相同。但前后配套装置不合理,会制约回转窑发热能力和传热能力。如果前后配套装置的能力富裕,就要充分利用有利条件,积极采取措施,提高预分解窑发热能力和传热能力,进一步挖掘回转窑的生产潜能。

    (4)在生产过程中对预分解窑生产潜能的挖掘,要受到回转窑冷端风速的制约。为避免二次扬尘,保证窑内热工制度的稳定,中控操作必须对冷端风速进行控制,一般控制冷端风速不超过12m/s为宜。

    (5)我国以前计算预分解窑产量的公式普遍偏低。因此,预分解窑的设计产量,都定的较低。回转窑生产能力得不到充分发挥。如果预分解系统和配套设备冗余较大,或者可以通过采取扩大筒、管、炉容等措施,增大分解炉的发热能力;大中型预分解窑的产量在目前的基础上提高40%的目标是能够实现的。

    (6)系统配套设备的配置对预分解窑产能的影响很大,前后配套装置能力不足,回转窑发热能力不能充分发挥,台时产量会受到很大影响。篦冷机和窑尾风机都是影响预分解窑产能的重点设备,不能设计成为全窑系统挖潜增效的瓶颈。

作者:刘仁德   出处:中国水泥  
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