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2016年04月08日 21:04:00
预分解窑操作控制新观点(二)

第二节  分解炉内的流场分布

  分解炉内助燃风与煤粉、料粉的流场分布不但是控制燃烧、分解及传质传热的关键,也是保护炉衬、防止结皮和塌料的关键。笔者是从以下几方面阐述优化分解炉内的流场分布。

一、分解炉内气体运动的要求

1.适当的速度分布,以便获得良好的燃烧条件和传热效果,要求分解炉各部位保持一定的风速,使燃烧稳定,物料悬浮均匀,保证分解炉的发热能力。

2.适当的回流运动,使其中的物料在炉内滞留一定时间,保证燃烧、传热及分解反应达到一定要求。

3.较大的物料浮送能力,为提高传热效率及生产效率又要求气流有适当的料粉浮送能力,在加热分解同样的物料量时,以减少气体流量,缩小分解炉的容积,并提高热的有效利用率。

4.较小的流体阻力,在满足上述工艺要求的条件下,要求分解炉有较小的流体阻力,以降低系统的阻力消耗。

二、四种气流效应的作用

分解炉内的各种气流效应所产生的循环运动是延长物料的停留时间和强化热交换的重要手段,且物料被充分分散和均匀分布是分解炉有效工作的前提。

1.旋流效应是旋风型分解炉和预热器内气留作旋回运动,使物料滞后于气流的效应。能延长物料在炉内的停留时间,并能有效地分离较粗颗粒,使其在炉内贴壁作后浪推前浪的运动。但旋流效应造成过强的贴壁运动对均布不利。

2.喷腾效应在炉筒内一定高度内形成一条上升流股,将炉下部锥体四周的气体及物料不断裹挟进来,喷射出去,造成许多由中心向边缘的旋涡,造成了由炉中心向边缘的旋回运动。喷腾作用有利于分散和纵向均布,但会造成疏密两区,且有部分物料短路。

3.流化效应,MFC炉内气流运动的规律性较强,且由良好的对称性,切向风速为顺时针方向旋转,与三次风方向一致,而且在近壁面处切向风速较大,轴向风速则与喷射流相反,中心区为回流区,近壁风速较高,由此造成一个较大的环状立涡,对物料的分散和均布有良好作用。流化层物料颗粒间距较小,温度均匀,物料的停留时间远远高于其它炉型,对易烧性差的物料和低质、粗颗粒的燃料适应性强,不足之处是由于气固相参数一致,降低传递和反应的推动力,若反应程度高对炉温要求相应较高,且阻力损失大。由于使用温度较低的流化风,不利于系统换热效率的提高。

4.喘流效应是在分解炉的中游缩口引起炉内物料与气流的喘流运动。强烈的荈流效应能加强对流换热。物料与煤粉经上游分解、燃烧后被推至缩口时,较小颗粒被突然加速的气流带入下游,而较粗的颗粒被分选出来碰撞失速后返回上游区继续分解、燃烧。强烈串流设备过高,难于布置。

单纯一种效应很难达到要求,往往是几种效应相互迭加的流动方式效果更好,如喷腾—旋流或串流—旋流迭加。

三、影响流场分布的因素

1.气流运动速度

气流带着料粉在炉内以一定的速度作旋回运动,如果进口风速过小,料粉及气流所受离心力小,回旋运动减弱,料粉与气体间的相对速度小,则进入滞留层的料粉将减少,C5出口温度上升,增加用煤也难于控制炉温,且入窑物料分解率下降,分解炉近壁处温度上升,结皮增多,炉壁散热增多。

 如果进口风速过大,使炉壁边缘地区的滞留层变薄,有的料粉在碰撞失速后,又被气流迅速带走,料粉停留时间也会缩短,且分解炉的阻力增加。

  所以,不但要调整窑炉间的风量比例,还要严格控制系统漏风。

  2.物料的颗粒分布

 不同粒径的颗粒在气流中的沉降速度不同,粒径越大,其沉降速度愈快,颗粒愈小,其沉降速度愈慢。但分解炉内颗粒的沉降并不是单个颗粒的沉降,而是干扰沉降,是许多颗粒形成的缕丝状颗粒流。并且,粒度愈大且分布不均时,炉内物料分布更加不均,边缘区物料增多,中心浓度下降,吸热少,会使炉温升高,影响分散,要求更强烈的循环运动,才能保证物料的分散与换热充分进行。

 另外,物料的粒径对CaCO3分解过程的影响很大。当粒径大于0.2cm时,传热和传质的过程占主导地位,而化学反应过程不占主导地位。粒径等于0.2cm时,二者占同样重要的地位。在粒径较小时,如粒径在30úm,整个分解反应过程,主要决定于化学反应的过程,分解所需时间主要有化学反应所需时间决定。这是因为当粒径很小时,颗粒的比表面积将迅速睁大,其传热传质的距离缩小,化学反应过程自然成为整个过程的决定环节。

 所以应根据石灰质原料活性和易磨性确定合适的0.08cm筛余和0.2cm筛余,以便更好地控制原料的粒度级配,使颗粒分布更加均匀,是控制分解和优化流场分布的关键。

 3.炉筒直径

 在一定范围内进口风速不变时,如果炉径较大,料粉所受离心力较小,中心部分的料粉到炉壁间距加大,有些料粉往往来不及到达炉壁滞留层就被气流带走,所以炉径较大时,应增大进口风速,加强回旋运动,尽可能的延长物料的滞留时间,并应注意煤、料入炉位置,使煤料分散均匀。

考虑到分解炉可能要烧无烟煤甚至其它替代燃料,由于它们的着火温度高、燃尽时间长,要求在炉内停留时间长,因此要适当增加分解炉高度,但增加分解炉高度对分解炉内的流场分布并不会产生明显影响。

 4.气流温度和料粉浓度

 当气流温度较高时,气体粘度较大,气固相间相对运动阻力较大,气流中料粉浓度较高时,相互干扰也较强,这些对各种循环效应也会有影响。

5.加料位置

加料位置不当时,会出现以下三种情况,第一,落料现象;第二,会使物料悬浮分散差,减少换热面积,降低了分解速度;第三,易造成局部低温与高温,低温处物料分散慢,高温处可能引起物料过热,引起结皮堵塞。

6.漏风

四、优化流场分布的办法

流场分布合理时,分解炉内结皮少、无落料现象、炉壁散热少、炉衬使用寿命长、炉内温度阶梯分布均匀,温度调整速度快,较低的分解温度下能获得较高的物料分解率。

生产实际中,优化流场分布用结果反推法,即根据实际使用效果,由结果反推引发原因逐一列出,采用排出法对每一种原因推敲,根据影响大小确定主次因素,对症下药。不能盲目追求一招见效,要循序渐进,调一次观察一段时间形成记录,反复比较,逐项调整。

现以结皮为例来说明优化流场分布,结皮产生的原因有以下几项:

A.原燃料有害成分含量高,SO3/RO2变化大;

B.炉温控制过高;

C.风量不足,滞后燃烧;

D.粘土质原料活性过高;

E.系统漏风;

F.炉衬使用年代较长,腐蚀严重;

G.物料分散差,出现局部高温;

H.其他现象(旁证材料,综合分析)。

对于以上各种原因采用排除法,不对的划“×”,对的划“√”,然后对视的因素排出主次,逐项采取措施。

在进行优化分解炉的流场分布时,必须考虑窑和分解炉的长期安全运转以及环保、经济等诸多问题,因此采用的相关措施应综合考虑各因素及系统影响。

第三节  与有害成份循环有关的两个问题

一.有害成分的循环

    有害成份被原料和燃料带入系统,从投料生产开始,挥发、循环、聚集到一定程度后开始随熟料和废气被排出系统,带入量和排出量基本相等,系统内的循环量基本不变。依据《国际水泥工艺资料集》的介绍,对一般预分解窑每生产100Kg熟料,有害成分的分布、循环、相对比例列于表6。

表6  SO3、Cl-、Na2O、K2O的循环与分布

 成份

原料引入量(g

燃料引入量(g

循环量(g

排出量(g

循环量/引入量

排出量/引入量

废气粉尘回收(g

回收量/引入量

预热器

熟料带出

废气带出

预热器

K2O

1077

0

2692

2922

1037

40

2.76

2.50

1

236

0.22

Na2O

308

0

461

577

261

47

1.87

1.50

1

69

0.22

Cl-

23

0

1403

1455

5

18

63.26

63.00

1

34

1.48

SO3

308

481

3024

2955

738

51

3.75

3.83

1

361

1.17

 从表6可以看出:

1.各有还成份循环量相对于引入量的大小为:Cl->SO3>K2O> Na2O。

2.各有害成份在预分解系统内的循环量比窑内大。

3.有害成分的“循环量/引入量”比例相对稳定,循环量的多少决定于引入量。原料和燃料所含有害成份越多,循环量也越多,对系统的危害越大。

二、结皮形成机理的新认识

许多专著对结皮形成的机理没有明确的论述,笔者尝试作出以下论述。

结皮产生的前提条件是生料与燃料带入的有害成份在系统内循环、集聚,使物料产生液相的温度降低,产生的液相量增多。产生的过程是风、煤、料匹配不当,使CaCO3分解吸热与煤粉燃烧放热不平衡,提供了结皮产生的温度条件。关于这点主要有四个原因:第一,生料成份中CaO含量、投料量和物料结粒波动大,引发尾煤用量的波动;第二,火焰组织不当,对煤粉燃烧过程控制不当,燃烬时间延长产生滞后燃烧;第三,供风不足产生的不完全燃烧,分解炉内产生还原气氛,使Fe3→Fe2,由于Fe2的存在,使物料产生液相的温度降低。并且不完全燃烧的煤粉遇到外界漏入的空气或清灰空气炮鼓入的空气燃烧,使炉内局部温度升高产生液相。第四,内漏风引起物料内循环,使物料温度升高产生液相。总之,这些都与气流组织有紧密关系。

其次,由于内衬表面有麻面、凹坑等缺陷,物料在贴壁运动时沉积在缺陷部位。聚集在有缺陷内衬上的物料在一定时间内达到固相反应温度,并且固相反应时放热420~500KJ/Kg熟料,使物料温度快速上升,液相急剧增多,先形成的结皮粘连后来的物料,不断集厚长大,达到一定厚度时垮落,造成系统堵塞。

    三、有害成份对熟料烧成的影响

笔者对SD厂1000T/D预分解窑各工艺带窑皮的化学成分作了测定,先列于表7。

 表7 SD厂1000T/D预分解窑各工艺带窑皮的化学成分

 工艺部位

CaO

MgO

SiO2

Al2O3

Fe2O3

SO3

f-CaO

100-∑

预分解带

58.82

1.77

18.41

4.28

2.65

3.25

8.01

89.12

10.88

过渡带冷端

53.87

1.84

17.34

4.28

2.75

7.06

0.87

87.14

12.86

断口部位

39.84

2.08

11.60

3.56

2.57

22.45

0.21

82.10

17.90

过渡带热端

63.41

1.71

21.60

3.19

2.15

3.29

0.66

95.35

4.65

烧成带

64.59

2.08

17.66

3.99

2.98

1.84

0.31

93.14

6.86

  从表中数据分析后可以得出以下结论:

1.物料由低温端向高温端前进时,SO3、Cl-、R2O含量上升,表明由于窑料温度的升高,初级矿物与沉集的有害成份化合成结皮性质的矿物2C2S.CaCO3和2C2S.CaSO4等的速度提高,有害成份的沉集速度大于挥发速度,釉面层中有害成份的含量继续上升,对窑衬的碱蚀加重。

2.分解完毕的物料的物料进入过渡带进行固相反应,形成C3A、C4AF、C2S等初级矿物,并释放热量。有害成份中的R2O的挥发速度逐步提高,冷凝沉降速度逐步下降,并在1200℃达到一个短暂的平衡。

3.当物料温度达到1250~1280℃时生成液相,吸热105KJ/Kg熟料,由于液相生成和R2O的存在,使液相粘度下降,Ca2+的反应活性很高,与头煤燃烧放出的SO3化合成CaSO4(二次)的速度很快,且数量很多,基本上全部化合成CaSO4 .R2SO4等,所以对窑皮的化学成分中含量猛增。

由此可以作出以下几点推论:

    A. CaSO4 .R2SO4是在窑内化合而成,极不稳定,当温度高于1250~1280℃时很快分解,物料向过渡带热端移动时SO3含量骤降。由于煤粉的燃烧带Lf与熟料的烧成带Ls有以下关系:

     Ls=(0.60~0.65)Lf(单位:M)

当火点移动时,此带的窑皮易于掉落,致使此带窑皮时常形成一个明显的断口,砖面裸露,寿命缩短。安全带正处于这一端口部位。

B.由于窑皮掉落频繁,侵蚀的砖衬引起物料中SiO2、Al2O3含量上升。

C.由于预分解窑是两把火煅烧,头煤占总喷煤量的2/5,相对于湿法窑及其他窑型,烟气中的SO3含量少,化合成CaSO4 .R2SO4的量少。由于CaSO4 .R2SO4是熟料烧成的矿化剂,所以在预分解窑内CaSO4 .R2SO4的催化效果差,熟料中实际合成的量少。这是预分解窑熟料强度低于其他窑型的原因。

D.在此带由于硫酸盐的矿化作用,液相增多,物料运动慢,最易形成圈或蛋,特别是有害成份含量高且SO3/R2O波动大的预分解窑内。由于有害成份的引入量/排出量相对稳定,当有害成份变化是,窑内长圈、结蛋应是引入、循环、排出由一个平衡向另一个平衡的自调过程。

4. SO3在过渡带冷凝端出现一个挥发与沉降平衡的较低的峰值,在热端出现一个合成与分解平衡的较高峰值。

5.有害成份中的最耐温部分留下来,并以如下熟料矿物的形式被带出窑外:KC23S12、NC8A3、KC8A3、K2SO4、Na2SO4。
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