在水泥余熱發(fā)電工藝中采用循環(huán)流化床技術(shù)預(yù)燒水泥生料

　　水泥生產(chǎn)窯外分解技術(shù)是70年代發(fā)展起來的水泥干法生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵是預(yù)分解爐。早期的分解爐多為生料一次通過分解爐，由于停留時間較短，為保證出爐生料中碳酸鈣的分解率，降低熱耗，生料入爐前，都要經(jīng)過預(yù)熱，不論采用那種預(yù)熱方式，分解爐系統(tǒng)都設(shè)有較龐大的預(yù)熱裝備。中國建材院在借鑒國內(nèi)外窯外分解技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出在水泥窯余熱發(fā)電工藝中采用流態(tài)化分解爐技術(shù)，使冷生料直接入爐的工藝方案。第一代分解爐在撫順水泥廠應(yīng)用，經(jīng)過幾年的運行，證明該工藝技術(shù)是成功的。在此基礎(chǔ)上，提出采用“爐外循環(huán)”技術(shù)以進一步提高分解效率和出爐生料中碳酸鈣分解率?！盃t外循環(huán)”技術(shù)八十年代國外已有研究，在實驗室和工業(yè)試驗上均取得較好的效果。國內(nèi)在“爐外循環(huán)”方面雖有探討，但未在水泥工業(yè)上應(yīng)用。本文通過熱模實驗，探索爐外循環(huán)與生料中碳酸鈣分解率的關(guān)系。我們采用冷生料直接入爐的工藝方案，分解爐兼有預(yù)熱和分解雙重功能。出系統(tǒng)高溫廢氣用于發(fā)電。為了提高分解爐熱效率和出爐生料分解率，將出爐物料經(jīng)旋風(fēng)筒收下以后部分返回分解爐，即采用“爐外循環(huán)”技術(shù)。這樣，高溫生料在爐系統(tǒng)中停留時間得以延長，從而提高了出爐生料的碳酸鈣分解率，為把水泥生產(chǎn)余熱發(fā)電工藝提高到一個新水平創(chuàng)造了技術(shù)條件。

2　實驗流程

　　本工藝采用冷生料直接入爐，為保證爐內(nèi)熱負荷，在爐子下部和中部各設(shè)一噴油口。生料在爐底部流化風(fēng)的作用下流態(tài)化，來自油槍的燃燒煙氣加入后，爐內(nèi)氣流速度提高，生料被帶出爐子，經(jīng)三級旋風(fēng)筒收塵，煙氣通過水收塵經(jīng)排風(fēng)機后進入煙囪排出。一級旋風(fēng)筒和二級旋風(fēng)筒收下的生料可以返回爐內(nèi)，在一級旋風(fēng)筒下料管道上裝有高溫分料器，用以調(diào)節(jié)回爐生料的循環(huán)量。本實驗的工藝流程示于圖1。圖中T是溫度測點；P是壓力測點。進入爐內(nèi)的風(fēng)量和油量用轉(zhuǎn)子流量計計量。

　　　　　　　　　　　　圖1　循環(huán)流態(tài)化分解爐工藝流程

1.油箱；2.鼓風(fēng)機1；3.油泵；4.鼓風(fēng)機2；5.分解爐；6.下油槍；7.上油槍；8.喂料機；9.旋風(fēng)筒Ⅰ；10.翻板閥；11.分料器；12.旋風(fēng)筒Ⅱ；13.旋風(fēng)筒Ⅲ；14.手推車；15.水收塵箱；16.引風(fēng)機

3　實驗結(jié)果分析

3.1　床層阻力與流化風(fēng)量的關(guān)系

3.1.1　布風(fēng)板阻力

　　從實驗得出，隨著流化風(fēng)量的增加，布風(fēng)板兩側(cè)壓力降增大，開始壓降增加緩慢，在風(fēng)速大于0.34m/s之后，阻力的增大隨流量增加明顯加快。由流體動力學(xué)理論知道：

　　管內(nèi)流體流動阻力ΔP與流速V的關(guān)系為：

　　ΔP∝V2，而V=Q/A，Q是流量，A是過流面積。則：

　　ΔP∝Q2/A2，在A不變的條件下ΔP∝Q2

　　實驗測出的布風(fēng)板阻力與流化風(fēng)量的關(guān)系符合上述規(guī)律，如圖2所示。

　　　　　圖2　布風(fēng)板阻力與風(fēng)量的關(guān)系

3.1.2　床層阻力與床層高度和流化風(fēng)量的關(guān)系

　　在床高一定的情況下，床層阻力降與流化風(fēng)量的關(guān)系為：床層阻力在風(fēng)量較小的階段隨風(fēng)量的增加呈線性增加，當(dāng)流化風(fēng)量達到一定量以后，阻力降不再隨風(fēng)量增大而增大，而是在一個很狹窄的波動范圍內(nèi)走一個平臺，如圖3所示。

　　　　　圖3　不同床高床層阻力與流化風(fēng)量的關(guān)系

　　　　　1.床高361mm；2.床高248mm；3.床高116mm

　　濃相床高的變化對床層阻力產(chǎn)生影響，在不產(chǎn)生溝流和死床的情況下，床層阻力隨著濃相床高度的提高而增大。圖3是在三種濃相床層高度時床層阻力隨流化風(fēng)量變化的情況。

3.1.3　系統(tǒng)壓力分布

　　爐系統(tǒng)正常工作時微負壓運行。爐膛負壓為-100～-150Pa，一級旋風(fēng)筒入口負壓-400～-600Pa，二級旋風(fēng)筒入口負壓-900～-1100Pa，三級旋風(fēng)筒入口負壓-1400～-1700Pa。

　　流化床正常工作時的鼓風(fēng)壓力為800～1600Pa。本實驗過程中正常的鼓風(fēng)壓力為1000Pa，當(dāng)床層積料增多時，鼓風(fēng)壓力增大。

3.2　溫度與出爐生料分解率之間的關(guān)系

　　溫度對生料中碳酸鈣的分解率起著決定性作用。根據(jù)A.Muller等人的研究，在720℃的溫度條件下，水泥生料中碳酸鈣分解率達到80%需要136s，在900℃的溫度條件下，達到80%需要4s，而在1000℃的溫度條件下，達到80%只需1.1s。

　　本實驗系統(tǒng)在無循環(huán)條件下，生料從進爐到出一級旋風(fēng)筒之間的停留時間為2.9s(計算值，不考慮顆粒與氣流之間的滑移)。如考慮氣流與顆粒之間的滑移，實際顆粒停留時間要大于計算值。

　　在本實驗中，爐膛平均溫度900～950℃時，從一級旋風(fēng)筒收下的物料碳酸鈣分解率在85%左右。1000℃以上時，分解率達90%以上。降低爐子的溫度水平，分解率明顯下降。當(dāng)爐子平均溫度800℃以下時，得到的分解率不及10%。為了在較低的溫度水平上得到較高的出爐物料分解率，需要增加物料在爐子中的停留時間。本實驗通過把一級和三級旋風(fēng)筒收下的物料部分返回爐內(nèi)，從而增大物料在爐內(nèi)的停留時間，達到提高生料出爐分解率的目的。

　　生料一次通過爐系統(tǒng)的分解率與爐膛平均溫度的關(guān)系如圖4所示。

　　　　圖4　生料分解率與爐膛平均溫度的關(guān)系

3.3　循環(huán)量與生料分解率的關(guān)系

　　本文中循環(huán)率定義為：出一級旋風(fēng)筒下料管物料入爐量/入窯物料量(即各旋風(fēng)筒放出物料總量)。

　　從溫度變化對分解率的影響可以看出，在爐膛平均溫度950℃以上，生料顆粒一次通過爐系統(tǒng)，碳酸鈣分解率可達90%以上。這時，由于碳酸鈣分解在很短時間完成，停留時間對分解率的影響有限，此時溫度對分解率起著控制作用，增加停留時間并不能大幅度提高分解率。在我們的實驗中，當(dāng)爐平均溫度在950℃以上時，循環(huán)與不循環(huán)時，生料中碳酸鈣分解率沒有明顯變化。爐膛平均溫度960℃的實驗證明，物料不循環(huán)時的碳酸鈣分解率可達90.03%，出一級旋風(fēng)筒下料管物料100%循環(huán)時的碳酸鈣分解率為90.732%。在爐膛平均溫度900℃以下，由于水泥生料在爐系統(tǒng)中產(chǎn)生高分解率所需時間較長，此時設(shè)法延長生料在爐內(nèi)的停留時間，對提高出爐生料分解率有利。由于在900℃以上，爐膛易發(fā)生結(jié)焦，并且余熱鍋爐易集灰，不適合余熱發(fā)電系統(tǒng)采用，我們的實驗將重點放在700～900℃的溫度范圍內(nèi)。

　　在爐膛平均溫度850℃的實驗中，我們看到物料循環(huán)對碳酸鈣分解率的影響。對出一級旋風(fēng)筒的物料分析，物料不循環(huán)時的碳酸鈣分解率為58.39%，出一級旋風(fēng)筒下料管物料50%循環(huán)時的碳酸鈣分解率達81.64%。由于部分物料回爐循環(huán)增加了生料在系統(tǒng)中的停留時間，從而有效地提高了生料中碳酸鈣出爐分解率。圖5是爐膛平均溫度在850℃、900℃和950℃條件下，物料循環(huán)時碳酸鈣分解率與循環(huán)率的關(guān)系。

　　　　　　　循環(huán)率/%

　　　圖5　循環(huán)量與分解率的關(guān)系

1.爐膛平均溫度950℃；2.爐膛平均溫度900℃；3.爐膛平均溫度850℃

　　由于物料多次通過爐膛，在較低的溫度水平上獲得了生料的高分解率，從而為降低分解爐操作溫度，防止爐膛結(jié)焦，降低熱耗提供了技術(shù)途徑。

4　結(jié)論

　　(1)本實驗實現(xiàn)了在實驗室規(guī)模下將循環(huán)流態(tài)化分解爐應(yīng)用于水泥預(yù)煅燒過程，并得出其主要工藝參數(shù)。

　　(2)熱態(tài)模型實驗表明：采用循環(huán)流態(tài)化分解爐，在爐膛平均溫度850℃左右，可以有效提高分解爐的效率和出爐生料分解率。在950℃以上或700℃以下，物料循環(huán)對生料分解率沒有明顯提高。本循環(huán)系統(tǒng)在爐膛平均850℃左右時，出爐生料中碳酸鈣分解率達80%以上，而在同樣條件下，不采用循環(huán)系統(tǒng)時，出爐生料碳酸鈣分解率最多不超過60%。

　　(3)在700～950℃溫度范圍內(nèi)采用循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)溫度一定時，可以提高出爐生料分解率；或者當(dāng)要求一定的出爐分解率時，爐子可以在較低的溫度水平下運行，這對于降低熱耗，避免爐系統(tǒng)因溫度過高而結(jié)焦，都有積極意義。

　　(4)本實驗所得工藝參數(shù)和操作經(jīng)驗，對于工業(yè)化循環(huán)流態(tài)化分解爐的設(shè)計和操作具有指導(dǎo)作用。第一套采用該系統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)裝置已在呼和浩特市水泥廠安裝，1994年底投入運行。