水泥制造工藝系列講座-分解爐溫度控制

分解爐有多種型式,其結(jié)構(gòu)性能雖有差異,但要起的主要作用卻是相同的:要使燃料燃燒的放熱過(guò)程與生料碳酸鹽分解的吸熱過(guò)程在其中以懸浮態(tài)或流化態(tài)下極其迅速地進(jìn)行,使入窯生料碳酸鹽分解率提高,從而減輕窯的熱負(fù)荷,提高窯的運(yùn)轉(zhuǎn)周期,提高產(chǎn)質(zhì)量。而分解爐的溫度控制對(duì)整個(gè)預(yù)分解窯系統(tǒng)的熱力分布,熱工制度的穩(wěn)定至關(guān)重要。為此,作者對(duì)分解爐溫度控制的有關(guān)幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。  
　 
1 分解爐溫度與燃料燃燒  

分解爐的溫度取決于燃料燃燒過(guò)程的放熱速率與生料分解過(guò)程的吸熱速率。當(dāng)燃料燃燒放熱速率慢,生料分解在接近平衡的條件下進(jìn)行,分解爐的溫度于860～920℃范圍,燃料燃燒放出的熱量就會(huì)迅速傳遞給生料,并被分解反應(yīng)吸收。但是,當(dāng)燃料燃燒速率大于生料分解過(guò)程的吸熱速率,燃料燃燒的熱量大于生料分解所需的吸熱量,此時(shí)分解爐的溫度就會(huì)超過(guò)平衡溫度范圍。  

從燃料燃燒的角度來(lái)看,分解爐內(nèi)燃料的燃燒與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒有許多不同之處。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒溫度比分解爐內(nèi)高得多,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒明顯是受擴(kuò)散控制的,而分解爐內(nèi)燃料燃燒則有所不同。由于分解爐溫度遠(yuǎn)低于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒溫度,故煤在分解爐內(nèi)的燃燒時(shí)間受煤種類的影響比回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的影響大得多。如廣東云浮水泥廠FCB分解爐容積偏小,結(jié)構(gòu)上亦存在一些問(wèn)題,當(dāng)使用低揮發(fā)分、高灰分的低熱值煤時(shí),還原氣氛十分嚴(yán)重,迅速導(dǎo)致結(jié)皮堵塞;而采用高揮發(fā)分、低灰分的高熱值煤時(shí)情況則有所改善。煤粉細(xì)度對(duì)于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒是相當(dāng)敏感的,因?yàn)槠涫鞘軘U(kuò)散控制,即受邊界層擴(kuò)散時(shí)輸送速率的控制;而煤粉細(xì)度對(duì)分解爐內(nèi)燃燒的影響就沒有在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)那樣敏感了。  

問(wèn)題還要回到分解爐溫度與燃料燃燒的關(guān)系上來(lái)。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒是受擴(kuò)散控制的,增減10～20℃對(duì)于燃料的燃燒影響是甚微的。但在分解爐內(nèi)則明顯不同。如有的分解爐容積偏小,煤粉燃燼時(shí)間不足,以至還原氣氛重,而降低分解爐的溫度,減少分解爐用煤量,以圖改變煤粉燃燒不完全、還原氣氛的問(wèn)題,但往往是事與愿違。因在不減產(chǎn)量的情況下,分解爐用煤減少,分解爐溫度降低,煤的燃燒速度隨溫度降低而迅速下降,煤粉始終是燃燒不完全。適當(dāng)增大分解爐的容積已成為一個(gè)發(fā)展動(dòng)向。在分解爐偏小煤質(zhì)差的情況下,可適當(dāng)降產(chǎn)量,而不宜降低分解爐的溫度。  

2 分解爐溫度與燃料用量比例及三次風(fēng)溫  

分解爐與窯頭燃料用量的比例對(duì)整個(gè)預(yù)分解窯系統(tǒng)的熱力分布有著重要影響,而分解爐的燃料用量又與分解爐溫度控制有關(guān)。以珠江水泥廠SLC窯為例,對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行討論。  

下表是珠江水泥廠SLC窯在雙列運(yùn)轉(zhuǎn),熟料產(chǎn)量為3840～4160t/d,在一段期間內(nèi),分解爐喂煤量所占的比例、分解爐出口溫度B55T1、爐列出口廢氣溫度B50T1、窯列出口廢氣溫度A50T1、三次風(fēng)溫B56T1、廢氣CO含量及煤耗的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

從表中可見,該預(yù)分解窯在一定的范圍內(nèi),分解爐的燃燒用量比例存在著一個(gè)最佳值。在該條件下,最佳值為約61.5%,此時(shí)其熱耗最低。大于或少于此值,熱耗均增加。也就是說(shuō),在一定產(chǎn)量范圍內(nèi)的某窯,分解爐喂煤量既不是越高越好,也不是越低越好。分解爐喂煤的比例與熱耗的關(guān)系不是線性的,而是非線性的。有的統(tǒng)計(jì)得出兩者的關(guān)系是線性的結(jié)論,認(rèn)為窯頭喂煤越多越好或分解爐喂煤越多越好,實(shí)際上是最佳值的某一側(cè),從而產(chǎn)生分解爐用燃料比例與熱耗關(guān)系是線性關(guān)系的錯(cuò)覺而已。  

為何對(duì)于某特定的預(yù)分解窯其燃料用量比例存在一個(gè)最佳范圍,高于或低于此最佳范圍熱耗會(huì)增加?盡管對(duì)于不同的預(yù)分解窯相應(yīng)的最佳范圍是不同的,但都應(yīng)有類似的關(guān)聯(lián)。  

當(dāng)分解爐喂煤量比例增大,即窯頭喂煤減少。從表中可知,盡管窯列廢氣溫度A50T1有所降低,但爐列廢氣溫度B50T1都明顯增高,爐列的廢氣量比窯列的廢氣量大,即總的廢氣帶走的熱損失是增加的。另外,分解爐加過(guò)多的煤,使廢氣中CO含量增加。反之,當(dāng)分解爐喂煤量比例過(guò)低,同樣也會(huì)使熱耗增加。窯頭燒過(guò)多的煤,窯列廢氣溫度A50T1明顯上升,廢氣中CO含量亦增加,導(dǎo)致熱耗增加。而且這樣做還會(huì)影響回轉(zhuǎn)窯耐火材料的壽命,影響安全運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。  

雖然許多預(yù)分解窯并非是雙系列的,但其本質(zhì)是相同的。在一定的產(chǎn)量范圍內(nèi),分解爐與窯頭燃料用量比例都存在著一個(gè)最佳的范圍,在此范圍內(nèi)就可為預(yù)分解窯的合理熱力分布提供好的基礎(chǔ)。分解爐燃料用量比例過(guò)高或過(guò)低都是不利的。  

分解爐的燃料用量比例與分解爐溫度控制又有何關(guān)聯(lián)呢?具體對(duì)于珠江水泥廠SLC窯分解爐來(lái)說(shuō),是分解爐出口溫度B55T1與其喂煤量比例的關(guān)聯(lián)。在該處設(shè)置了一個(gè)PID調(diào)節(jié)器,根據(jù)設(shè)定的溫度由PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)增減燃料用量。自動(dòng)模擬PID調(diào)節(jié)器有三種調(diào)節(jié)作用:  

P作用(Proportional):比例作用,調(diào)節(jié)器的修正動(dòng)作與偏差成比例。  

I作用(Integral):積分作用,調(diào)節(jié)器的修正動(dòng)作隨偏差存在時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。  

D作用(Derivate):微分作用,調(diào)節(jié)器的修正動(dòng)作開始時(shí)較大,隨后變小,偏差漸趨于零。  

總的來(lái)說(shuō),PID作用為,修正作用在開始時(shí)大(D作用)隨后減少到一個(gè)數(shù)值,此值與偏差成比例(P作用),但隨時(shí)間再度增大(I作用),而且在有偏差時(shí)一直存在。  

但PID調(diào)節(jié)器有一定的時(shí)間滯后。如窯皮垮落,篦冷機(jī)內(nèi)熟料層厚度、風(fēng)量變化,從而導(dǎo)致進(jìn)分解爐的三次風(fēng)溫波動(dòng)變化,而PID就不能及時(shí)適應(yīng)此變化。  

進(jìn)分解爐的三次風(fēng)溫對(duì)分解爐內(nèi)煤粉的燃燒及分解爐的出口溫度亦有著重要的影響。從表中可見,當(dāng)窯頭喂煤量下降,致使物料煅燒溫度不足,一方面會(huì)影響熟料質(zhì)量,另一方面使落入篦冷機(jī)的熟料溫度亦降低,在同等的操作條件下,其三次風(fēng)溫降低。三次風(fēng)溫降低就會(huì)對(duì)分解爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生影響,特別是對(duì)于揮發(fā)分低、灰分高的煤粉,影響就更為顯著。珠江水泥廠SLC窯分解爐的喂煤點(diǎn)與喂料點(diǎn)較接近,生料碳酸鹽分解大量吸熱,若三次風(fēng)溫低,進(jìn)一步延滯了煤粉的燃燒。此時(shí)即使在分解爐多加煤,煤粉燃燒也不完全,廢氣中CO含量增加,分解爐溫度并不高。  

適當(dāng)提高及穩(wěn)定三次風(fēng)溫,亦即提高及穩(wěn)定了二次風(fēng)溫,對(duì)分解爐及窯頭的煤粉燃燒有著十分重要的影響。在熟料溫度、結(jié)粒情況及冷卻用風(fēng)量變化不大的情況,穩(wěn)定一定的篦冷機(jī)篦底壓力,意味著可保證篦床上的熟料層厚度一定,從而可得到穩(wěn)定的二、三次風(fēng)溫,為良好與穩(wěn)定的燃燒創(chuàng)造條件。  

3 分解爐溫度與末級(jí)旋風(fēng)筒溫度及物料、燃料情況  
燃料在分解爐內(nèi)燃燒放熱,料粉在其中吸熱分解;隨后,氣固兩相流離開分解爐進(jìn)入末級(jí)旋風(fēng)筒,進(jìn)行氣固分離;分離后的物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯,而氣體進(jìn)入上一級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器。在正常情況下,煤粉在分解爐燃燒完全,分解爐的出口溫度會(huì)高于最末一級(jí)旋風(fēng)筒下部及其物料的溫度。但是,當(dāng)分解爐內(nèi)燃料的燃燒速度慢,燃料燃燒不完全,則未完全燃燒的煤粉在旋風(fēng)筒內(nèi)繼續(xù)燃燒,此時(shí)則會(huì)使最末一級(jí)旋風(fēng)筒下部及物料的溫度比分解爐出口溫度還要高。如云浮水泥廠在1993年8月煤粉質(zhì)量明顯下降,灰分高、熱值低,FCB型預(yù)分解窯窯頭三通道噴煤管未能適應(yīng)燒這些質(zhì)量差的煤,熟料煅燒溫度低,三次風(fēng)溫明顯下降,而低的三次風(fēng)溫又進(jìn)一步延滯了分解爐內(nèi)煤粉的燃燒,可謂雪上加霜。就這樣,不完全燃燒的煤粉進(jìn)入五級(jí)旋風(fēng)筒內(nèi)繼續(xù)燃燒,五級(jí)旋風(fēng)筒下部溫度比分解爐出口溫度還高。在這種情況下,廢氣中CO含量高,還原氣氛重,易結(jié)皮堵塞,而分解爐的平均溫度并不高,入窯物料碳酸鹽分解率亦較低,熟料產(chǎn)質(zhì)量下降。  

還需說(shuō)明的是,分解爐的通風(fēng)量對(duì)分解爐出口溫度及末級(jí)旋風(fēng)筒下部溫度亦有影響。即使分解爐的喂煤量、物料量不變,但通風(fēng)量改變,亦會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)通風(fēng)量過(guò)大,分解爐內(nèi)氣流速度過(guò)快,燃料及物料在分解爐內(nèi)停留時(shí)間不足;反之,當(dāng)通風(fēng)量過(guò)小,供氣不足,燃料燃燒同樣受影響?？傊?通風(fēng)量的波動(dòng),窯風(fēng)量與分解爐風(fēng)量的分配不當(dāng),都會(huì)影響分解爐燃料的燃燒,從而導(dǎo)致分解爐出口溫度與最末一級(jí)旋風(fēng)筒下部溫度的異常。  

分解爐的溫度控制還應(yīng)考慮產(chǎn)量及物料的情況。當(dāng)產(chǎn)量較低,即喂料量較小,回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速亦較慢,此時(shí)應(yīng)相應(yīng)降低分解爐溫度。因分解爐溫度過(guò)高,一方面會(huì)增加熱耗,另一方面還不利于熱工制度的穩(wěn)定,不利于熟料燒成。反之,當(dāng)產(chǎn)量較高,在分解爐能力許可的情況下應(yīng)適當(dāng)提高分解爐溫度,減輕回轉(zhuǎn)窯的熱負(fù)荷。但是,當(dāng)設(shè)備富裕能力小,超產(chǎn)時(shí)窯系統(tǒng)的平衡是相當(dāng)脆弱的,遇到小小波動(dòng)亦難以調(diào)整,故提高分解爐溫度,提高產(chǎn)量需適度為宜。而當(dāng)物料反應(yīng)活性較差,如石灰石結(jié)晶狀況較好,晶體尺寸較大,其分解溫度較高。此時(shí)應(yīng)在可能的條件下把分解爐溫度控制高一些,以保證入窯物料的分解率。