100%燒無煙煤的預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)的熱工標(biāo)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(dāng)?shù)厮嗌a(chǎn)企業(yè)用無煙煤作燃料，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是無煙煤揮發(fā)分含量低、著火溫度高、燃盡時(shí)間長，尤其是在分解爐內(nèi)的中溫燃燒，主要受化學(xué)反應(yīng)控制，不易完全燃燒，因而對(duì)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(jì)90年代末引進(jìn)德國KHD技術(shù)的國內(nèi)第一條采用100%燒無煙煤的預(yù)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(yùn)行穩(wěn)定，無煙煤煅燒熟料取得成功。為了對(duì)燒成系統(tǒng)進(jìn)行全面客觀的評(píng)價(jià)，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(jìn)一步提高該系統(tǒng)的技術(shù)性能，SD廠與南京工業(yè)大學(xué)硅酸鹽工程研究所合作，對(duì)該燒成系統(tǒng)進(jìn)行了一次全面的熱工標(biāo)定。鑒于系統(tǒng)地分析預(yù)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(biāo)定國家標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定，以及窯尾、分解爐及各級(jí)預(yù)熱器出口氣體溫度、壓力、氣體成分等檢測(cè)內(nèi)容。測(cè)定期間，原料與煤粉質(zhì)量穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行也較穩(wěn)定，標(biāo)定結(jié)果具有代表性。

　　1 熱工標(biāo)定測(cè)點(diǎn)及標(biāo)定項(xiàng)目

　　圖1為預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)示意圖，表1為標(biāo)定項(xiàng)目一覽表。

　　圖1  PYROCLON預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)測(cè)點(diǎn)分布圖

　　注：圖中序號(hào)標(biāo)注見表1。

　　表1  測(cè)點(diǎn)分布標(biāo)定項(xiàng)目一覽表

　　注：各符號(hào)意義：tg、tm—?dú)怏w及物料溫度；P—?dú)怏w壓力；Ci—?dú)怏w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(yù)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(yù)分解窯燒成系統(tǒng)主要工藝設(shè)備

　　3 熱工標(biāo)定主要參數(shù)匯總

　　表3～表9是熱工標(biāo)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(xué)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(yùn)行標(biāo)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(jí)預(yù)熱器工況風(fēng)速

　　注：各級(jí)風(fēng)速由測(cè)定風(fēng)量、空氣過剩系數(shù)計(jì)算得到。

　　熱工標(biāo)定期間，熟料產(chǎn)量為1931.2t/d，為設(shè)計(jì)產(chǎn)量的96.6%，尚未達(dá)標(biāo)。分析熱工標(biāo)定結(jié)果，在燒成系統(tǒng)各子系統(tǒng)中，除高溫風(fēng)機(jī)及其配套電機(jī)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(cè)定期間，由于電壓太低，制約了高溫風(fēng)機(jī)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(jìn)一步提高產(chǎn)量。

　　4.2 熟料燒成熱耗

　　該預(yù)分解窯熟料燒成設(shè)計(jì)熱耗為3032kJ/kg熟料，設(shè)計(jì)指標(biāo)比較先進(jìn)。實(shí)際測(cè)定熟料熱耗為3 266kJ/kg熟料，超過設(shè)計(jì)指標(biāo)7.72%。由表8知，在熟料燒成的支出熱耗中，出預(yù)熱器廢氣帶走熱、系統(tǒng)表面散熱、出冷卻機(jī)余風(fēng)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(yù)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(jìn)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(biāo)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(jī)熟料溫度看，該廠由于采用帶空氣梁的第三代篦冷機(jī)，熟料冷卻效果好，平均溫度僅為94 ℃。根據(jù)以上分析，如果進(jìn)一步降低出預(yù)熱器廢氣量（設(shè)計(jì)廢氣量是1.52Nm3/kg熟料）和溫度（設(shè)計(jì)為290℃），適當(dāng)減少表面散熱損失，并且達(dá)到和超過設(shè)計(jì)產(chǎn)量，其熟料燒成熱耗有望接近和達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　4.3 五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)

　　4.3.1 各級(jí)預(yù)熱器的溫度分布

　　從各級(jí)預(yù)熱器的出口氣體溫度分布（見表7），該廠各級(jí)預(yù)熱器氣體溫降是比較合理的。C4預(yù)熱器除了預(yù)熱C3筒的下料外，還具有物料的部分分解功能，該級(jí)的溫度降可反映分解爐及C5預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)煤粉的燃燒狀況，如果C5級(jí)預(yù)熱器出口存在煤粉的不完全燃燒，部分未燃盡煤粉必然會(huì)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(yù)熱器的溫度降來看，正常情況時(shí)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(xué)不完全燃燒的存在，表明無煙煤的燃燒是充分的。

　　4.3.2 預(yù)熱器的系統(tǒng)阻力損失

　　在產(chǎn)量為1 931 t/d時(shí)，其五級(jí)預(yù)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(jí)預(yù)熱器的阻力損失分布看，C1到C5各預(yù)熱器的進(jìn)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(jìn)口風(fēng)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(yù)熱器，但與國內(nèi)其它預(yù)熱器相比，仍屬偏小，顯然KHD公司的設(shè)計(jì)偏重于提高分離效率，但阻力損失也相應(yīng)會(huì)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(yīng)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(shí)間，從而有利于提高燃料的燃盡度與物料的分解率，以適應(yīng)100%燃燒無煙煤的需要。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)化學(xué)法測(cè)試，分解爐內(nèi)物料平均停留時(shí)間為24 s，明顯高于國內(nèi)大部分分解爐，這對(duì)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(cè)定期間，分解爐出口（C5筒進(jìn)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(cè)量氣體組成表明沒有CO，說明爐內(nèi)煤粉不存在化學(xué)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(jī)械不完全燃燒，部分沒有燃盡的煤粉進(jìn)入C5筒，與來自窯尾的高溫氣體混合后，繼續(xù)進(jìn)行燃燒。燃燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)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(shí)的91%左右。

　　Pyroclon分解爐燃燒所需的空氣全部來自篦冷機(jī)。根據(jù)分解爐內(nèi)小時(shí)用煤量、實(shí)測(cè)三次風(fēng)量以及燃料燃燒理論空氣量，計(jì)算得到其過?？諝庀禂?shù)為1.07，顯然三次風(fēng)用量是合理的。而從分解爐出口的實(shí)測(cè)過?？諝庀禂?shù)1.395來分析，煤粉在爐內(nèi)存在相當(dāng)部分的機(jī)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(fēng)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(fēng)

　　該廠窯頭煤粉燃燒采用pyro－jet燃燒器。標(biāo)定期間，實(shí)測(cè)窯頭一次凈風(fēng)與煤風(fēng)的總量占入窯總空氣量的16.5%，比設(shè)計(jì)的6.3%明顯偏大。如果一次風(fēng)量過大，會(huì)相應(yīng)地減少氣流中的煤粉濃度，煤粉氣流中由于低溫的一次風(fēng)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(fēng)量，增加高溫的二次風(fēng)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。

　　該廠窯尾的過剩空氣系數(shù)在標(biāo)定期間，一般在1.037～1.170范圍內(nèi)，說明窯內(nèi)用風(fēng)是合理的。但是窯尾廢氣測(cè)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(xué)不完全燃燒，當(dāng)然也不排除可能還有少量機(jī)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(fēng)良好而分解爐內(nèi)通風(fēng)不足之感，易引起塌料。從熱工標(biāo)定情況來看，雖然窯內(nèi)已有少量結(jié)圈，阻力增加，但用風(fēng)情況尚好，窯內(nèi)通風(fēng)并不過多。

　　4.6 篦式冷卻機(jī)的分析與評(píng)述

　　該廠采用第三代帶空氣梁的篦式冷卻機(jī)，入窯二次風(fēng)達(dá)1100℃，入爐三次風(fēng)為920℃，而出冷卻機(jī)熟料溫度平均為94℃，熱回收率達(dá)75.8%，二次風(fēng)溫與三次風(fēng)溫的提高，特別有利于無煙煤的燃燒，920℃的三次風(fēng)測(cè)點(diǎn)在窯尾Pyroclon分解爐的進(jìn)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(fēng)機(jī)

　　SD廠高溫風(fēng)機(jī)銘牌風(fēng)量為305700m3/h，風(fēng)壓為5800Pa，電機(jī)功率730kW，是國內(nèi)同系列預(yù)分解窯中風(fēng)機(jī)規(guī)格和所配電機(jī)功率最小的。從標(biāo)定結(jié)果看，預(yù)熱器出口總風(fēng)管測(cè)點(diǎn)處工況風(fēng)量為299000m3/h，負(fù)壓為5740Pa，風(fēng)量與風(fēng)壓接近銘牌指標(biāo)，風(fēng)機(jī)已經(jīng)滿負(fù)荷運(yùn)行，沒有富余能力。另外標(biāo)定期間，風(fēng)機(jī)電壓為574.8V，遠(yuǎn)低于額定電壓660V，電源電壓也制約了電機(jī)與風(fēng)機(jī)能力的發(fā)揮，因而熟料產(chǎn)量沒有達(dá)標(biāo)。

　　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(shí)間比普通Pyroclon分解爐延長約一倍多，表明帶Pyrotop的Pyroclon分解爐對(duì)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(shí)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(jí)預(yù)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(yù)熱器內(nèi)已基本燃盡，表明設(shè)計(jì)合理的帶Pyrotop的Pyroclon分解爐能適應(yīng)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(dá)標(biāo)，正常生產(chǎn)時(shí)，熟料日平均產(chǎn)量在2050t左右，仍采用原風(fēng)機(jī)和電機(jī)，表明以上分析診斷是正確的。但風(fēng)機(jī)已滿負(fù)荷運(yùn)行，欲進(jìn)一步增產(chǎn)，就風(fēng)機(jī)來說必須提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓，顯然德國KHD公司原設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)選型時(shí)，沒有充分考慮超產(chǎn)而需要增加的富余能力。