100%燒無煙煤的預分解窯燒成系統(tǒng)的熱工標定與分析

　　引言

　　長期以來，水泥回轉(zhuǎn)窯企業(yè)均使用揮發(fā)分較高的煙煤作為燃料。但由于我國地域遼闊，燃料資源分布不均，煙煤產(chǎn)地主要集中在北方，而在長江以南，優(yōu)質(zhì)煙煤很少，特別是在福建地區(qū)，無煙煤資源較為豐富。因此，當?shù)厮嗌a(chǎn)企業(yè)用無煙煤作燃料，有著良好的經(jīng)濟效益和社會效益。但是無煙煤揮發(fā)分含量低、著火溫度高、燃盡時間長，尤其是在分解爐內(nèi)的中溫燃燒，主要受化學反應控制，不易完全燃燒，因而對分解爐的結(jié)構(gòu)及性能有著更高的要求。

　　福建SD廠2000t/d熟料生產(chǎn)線是20世紀90年代末引進德國KHD技術(shù)的國內(nèi)第一條采用100%燒無煙煤的預分解窯生產(chǎn)線。在公司技術(shù)人員的努力下，經(jīng)過近兩年的試生產(chǎn)，燒成系統(tǒng)生產(chǎn)基本正常，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無煙煤煅燒熟料取得成功。為了對燒成系統(tǒng)進行全面客觀的評價，分析無煙煤在窯和爐內(nèi)的燃燒情況，優(yōu)化生產(chǎn)操作，進一步提高該系統(tǒng)的技術(shù)性能，SD廠與南京工業(yè)大學硅酸鹽工程研究所合作，對該燒成系統(tǒng)進行了一次全面的熱工標定。鑒于系統(tǒng)地分析預熱器與分解爐工作狀況的需要，在參照水泥回轉(zhuǎn)窯熱工標定國家標準的基礎(chǔ)上，增加了窯尾、分解爐及有關(guān)部位物料分解率及煤粉燃盡度的測定，以及窯尾、分解爐及各級預熱器出口氣體溫度、壓力、氣體成分等檢測內(nèi)容。測定期間，原料與煤粉質(zhì)量穩(wěn)定，系統(tǒng)運行也較穩(wěn)定，標定結(jié)果具有代表性。

　　1 熱工標定測點及標定項目

　　圖1為預分解窯燒成系統(tǒng)各測點示意圖，表1為標定項目一覽表。

　　圖1  PYROCLON預分解窯燒成系統(tǒng)運行檢測測點分布圖

　　注：圖中序號標注見表1。

　　表1  測點分布標定項目一覽表

　　注：各符號意義：tg、tm—氣體及物料溫度；P—氣體壓力；Ci—氣體含塵量；—空氣過剩系數(shù)；Gm 、Gg —物料、氣體流量；— 物料分解率；

　　2 預分解窯燒成系統(tǒng)主要工藝設(shè)備

　表2為SD廠燒成系統(tǒng)主要工藝設(shè)備

　　表2預分解窯燒成系統(tǒng)主要工藝設(shè)備

　　3 熱工標定主要參數(shù)匯總

　　表3～表9是熱工標定的主要參數(shù)匯總。

　　表3熟料產(chǎn)量及煤耗

　　表4物料化學成分與煤粉工業(yè)分析（%）

　　表5窯尾系統(tǒng)各部位廢氣成分

　　表6各部位氣體量、溫度及壓力

　　表7窯尾系統(tǒng)各部位溫度、壓力

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　　4 熱態(tài)運行標定結(jié)果分析

　　4.1熟料產(chǎn)量

　　表8系統(tǒng)熱量平衡表中主要支出熱量

　　表9各級預熱器工況風速

　　注：各級風速由測定風量、空氣過剩系數(shù)計算得到。

　　熱工標定期間，熟料產(chǎn)量為1931.2t/d，為設(shè)計產(chǎn)量的96.6%，尚未達標。分析熱工標定結(jié)果，在燒成系統(tǒng)各子系統(tǒng)中，除高溫風機及其配套電機富余能力不足外，其余各設(shè)備的選型都是合理的，且具有一定富余能力。測定期間，由于電壓太低，制約了高溫風機能力的發(fā)揮。因此，采用穩(wěn)定供電，優(yōu)化配料方案，穩(wěn)定入窯生料成分，合理操作控制等措施，可進一步提高產(chǎn)量。

　　4.2 熟料燒成熱耗

　　該預分解窯熟料燒成設(shè)計熱耗為3032kJ/kg熟料，設(shè)計指標比較先進。實際測定熟料熱耗為3 266kJ/kg熟料，超過設(shè)計指標7.72%。由表8知，在熟料燒成的支出熱耗中，出預熱器廢氣帶走熱、系統(tǒng)表面散熱、出冷卻機余風帶走熱分別占20.94%、12.44%、10.77%，三者共占44.15%。由表6知，該廠預熱器出口廢氣量為128487Nm3/h，折合單位熟料廢氣量為1.6Nm3/kg熟料，C1筒出口廢氣溫度為304℃，屬國內(nèi)較先進水平。尤其是作為100%燃燒無煙煤來說，該溫度是較低的。

　　從表面散熱損失看，該廠短窯系統(tǒng)單位熟料散熱損失是比較高的，其中回轉(zhuǎn)窯筒體的散熱損失較高。標定期間，回轉(zhuǎn)窯燒成帶表面最高溫度已超過400℃。從出冷卻機熟料溫度看，該廠由于采用帶空氣梁的第三代篦冷機，熟料冷卻效果好，平均溫度僅為94 ℃。根據(jù)以上分析，如果進一步降低出預熱器廢氣量（設(shè)計廢氣量是1.52Nm3/kg熟料）和溫度（設(shè)計為290℃），適當減少表面散熱損失，并且達到和超過設(shè)計產(chǎn)量，其熟料燒成熱耗有望接近和達到設(shè)計指標。

　　4.3 五級預熱器系統(tǒng)

　　4.3.1 各級預熱器的溫度分布

　　從各級預熱器的出口氣體溫度分布（見表7），該廠各級預熱器氣體溫降是比較合理的。C4預熱器除了預熱C3筒的下料外，還具有物料的部分分解功能，該級的溫度降可反映分解爐及C5預熱器系統(tǒng)內(nèi)煤粉的燃燒狀況，如果C5級預熱器出口存在煤粉的不完全燃燒，部分未燃盡煤粉必然會在C4筒內(nèi)繼續(xù)燃燒，從而造成C4筒溫度降偏低，甚至出現(xiàn)溫度倒掛的情況。從C4預熱器的溫度降來看，正常情況時在60℃以上，但從氣體分析看（見表5），C5出口氣體中不存在CO，因而可以排除化學不完全燃燒的存在，表明無煙煤的燃燒是充分的。

　　4.3.2 預熱器的系統(tǒng)阻力損失

　　在產(chǎn)量為1 931 t/d時，其五級預熱器的總阻力損失為4 219 Pa，與國內(nèi)其他廠相比并不算高。從表7中各級預熱器的阻力損失分布看，C1到C5各預熱器的進出口靜壓差分別為：1080Pa、1030Pa、900Pa、670Pa和492Pa，其中C1筒由于要求分離效率最高，所以阻力損失最大；C2筒雖然進口風速不高，但其內(nèi)筒直徑與柱體直徑的比值De/D僅為0.44，內(nèi)筒直徑小，阻力較大；而C3、C4、C5筒結(jié)構(gòu)相同，其De/D比值為0.5，雖高于C2筒預熱器，但與國內(nèi)其它預熱器相比，仍屬偏小，顯然KHD公司的設(shè)計偏重于提高分離效率，但阻力損失也相應會增加。另外，C3、C4、C5筒的工作溫度逐步升高，其阻力損失則相應降低。

　　4.4 Pyroclon分解爐

　　該廠采用帶Pyrotop的Pyroclon分解爐，其目的是通過煤粉與物料的分解爐外循環(huán)，延長物料的停留時間，從而有利于提高燃料的燃盡度與物料的分解率，以適應100%燃燒無煙煤的需要。經(jīng)現(xiàn)場熱態(tài)化學法測試，分解爐內(nèi)物料平均停留時間為24 s，明顯高于國內(nèi)大部分分解爐，這對在并不太高的溫度下物料的分解和無煙煤的燃燒都是極為有利的。測定期間，分解爐出口（C5筒進口處）溫度為925 ℃左右，就100%燃燒揮發(fā)分僅3.34%的無煙煤而言，該溫度顯然并不算高。

　　從氣體分析結(jié)果看（表5），分解爐出口過?？諝庀禂?shù)為1.395，且多次測量氣體組成表明沒有CO，說明爐內(nèi)煤粉不存在化學不完全燃燒。但從分解爐出口物料的含碳量及氣體組成來推算，該分解爐出口的煤粉燃盡度僅為76%左右，說明爐內(nèi)煤粉存在著機械不完全燃燒，部分沒有燃盡的煤粉進入C5筒，與來自窯尾的高溫氣體混合后，繼續(xù)進行燃燒。燃燒產(chǎn)生的熱量進一步供給C5筒內(nèi)生料的分解，使得入窯物料的表觀分解率由分解爐出口的72.3%提高到入窯時的91%左右。

　　Pyroclon分解爐燃燒所需的空氣全部來自篦冷機。根據(jù)分解爐內(nèi)小時用煤量、實測三次風量以及燃料燃燒理論空氣量，計算得到其過?？諝庀禂?shù)為1.07，顯然三次風用量是合理的。而從分解爐出口的實測過?？諝庀禂?shù)1.395來分析，煤粉在爐內(nèi)存在相當部分的機械不完全燃燒，但從C5筒出口的過?？諝庀禂?shù)1.1及氣體成分中無CO來分析，表明分解爐內(nèi)未燃盡的煤粉在C5筒內(nèi)繼續(xù)燃燒，消耗了三次風入爐的部分過?？諝猓虼巳霠t與入窯的總空氣量也是合理的。

　　4.5 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒及用風

　　該廠窯頭煤粉燃燒采用pyro－jet燃燒器。標定期間，實測窯頭一次凈風與煤風的總量占入窯總空氣量的16.5%，比設(shè)計的6.3%明顯偏大。如果一次風量過大，會相應地減少氣流中的煤粉濃度，煤粉氣流中由于低溫的一次風增加，溫度升高緩慢，限制了煤粉著火過程的發(fā)展和煤粉的完全燃燒。因此從燃燒的角度分析，減小一次用風量，增加高溫的二次風量，有利于煤粉的著火和火焰的傳播速度，以及降低系統(tǒng)的熱耗。

　　該廠窯尾的過?？諝庀禂?shù)在標定期間，一般在1.037～1.170范圍內(nèi)，說明窯內(nèi)用風是合理的。但是窯尾廢氣測定中每次均有CO存在，在0.2%～1.2%之間，表明窯內(nèi)煤粉存在著化學不完全燃燒，當然也不排除可能還有少量機械不完全燃燒。該廠窯尾無控制棒閥，試生產(chǎn)中常有窯內(nèi)通風良好而分解爐內(nèi)通風不足之感，易引起塌料。從熱工標定情況來看，雖然窯內(nèi)已有少量結(jié)圈，阻力增加，但用風情況尚好，窯內(nèi)通風并不過多。

　　4.6 篦式冷卻機的分析與評述

　　該廠采用第三代帶空氣梁的篦式冷卻機，入窯二次風達1100℃，入爐三次風為920℃，而出冷卻機熟料溫度平均為94℃，熱回收率達75.8%，二次風溫與三次風溫的提高，特別有利于無煙煤的燃燒，920℃的三次風測點在窯尾Pyroclon分解爐的進口處，可確保無煙煤入爐后的迅速著火與燃燒，有利于提高煤粉在分解爐內(nèi)的燃盡度。

　　4.7 高溫風機

　　SD廠高溫風機銘牌風量為305700m3/h，風壓為5800Pa，電機功率730kW，是國內(nèi)同系列預分解窯中風機規(guī)格和所配電機功率最小的。從標定結(jié)果看，預熱器出口總風管測點處工況風量為299000m3/h，負壓為5740Pa，風量與風壓接近銘牌指標，風機已經(jīng)滿負荷運行，沒有富余能力。另外標定期間，風機電壓為574.8V，遠低于額定電壓660V，電源電壓也制約了電機與風機能力的發(fā)揮，因而熟料產(chǎn)量沒有達標。

　　5  結(jié)束語

　　（1）SD廠的帶Pyrotop的Pyroclon分解爐內(nèi)物料平均停留時間比普通Pyroclon分解爐延長約一倍多，表明帶Pyrotop的Pyroclon分解爐對燃燒低揮發(fā)分煤、無煙煤是非常有利的，能夠大幅度延長停留時間，從而提高煤粉燃盡率和物料分解率。

　?。?）分解爐、C5筒出口氣體成分中無CO，C5、C4各級預熱器溫降正常，沒有溫度倒掛現(xiàn)象，無煙煤在分解爐和C5預熱器內(nèi)已基本燃盡，表明設(shè)計合理的帶Pyrotop的Pyroclon分解爐能適應100%燒無煙煤的需要。

　?。?）目前該公司供電基本穩(wěn)定，產(chǎn)量已經(jīng)達標，正常生產(chǎn)時，熟料日平均產(chǎn)量在2050t左右，仍采用原風機和電機，表明以上分析診斷是正確的。但風機已滿負荷運行，欲進一步增產(chǎn)，就風機來說必須提高風機的風量和風壓，顯然德國KHD公司原設(shè)計風機選型時，沒有充分考慮超產(chǎn)而需要增加的富余能力。