預(yù)分解窯系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行條件下的用風(fēng)

作者通過對(duì)國(guó)內(nèi)一些廠家實(shí)際生產(chǎn)情況的熱態(tài)檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)了不少問題，諸如窯爐用風(fēng)量不平衡、系統(tǒng)總的用風(fēng)量偏高等。本文從實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)出發(fā)，著重分析了二者的用風(fēng)及其風(fēng)量平衡問題，以及燒成系統(tǒng)總的用風(fēng)量及風(fēng)、煤、料平衡問題，從而可為工廠的實(shí)際操作提供借鑒。 

1　窯爐內(nèi)煤粉燃燒的特點(diǎn) 

　　眾所周知，窯內(nèi)煤粉的燃燒處于物料的燒成帶和冷卻帶區(qū)段，強(qiáng)烈的熟料熱輻射使煤粉迅速達(dá)到著火溫度，其燃燒速度主要由煤粉和空氣的混合強(qiáng)度所決定[1]，加強(qiáng)氣流的擾動(dòng)將大大加快煤粉燃燒進(jìn)程。而分解爐內(nèi)煤粉燃燒則處于物料的分解區(qū)段，強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)迅速吸收了燃燒過程中釋放的熱量，煤粉顆粒升溫速度明顯比窯內(nèi)慢，燃燒溫度也低得多，在800～950℃范圍內(nèi)。因此要保證生料的充分分解，煤粉顆粒在分解爐內(nèi)還必須具有適宜的停留時(shí)間。當(dāng)然，也要注意到爐內(nèi)存在著因物料分解產(chǎn)生的大量二氧化碳。所以爐內(nèi)煤粉燃燒要差，燃燒中產(chǎn)生的現(xiàn)象也明顯不同。不同的窯爐結(jié)構(gòu)及不同的操作條件，窯爐內(nèi)煤粉燃燒的環(huán)境也不盡相同，故燃燒所需要的氣體量也不相同。 

2　窯爐的用風(fēng)量 

　　過剩空氣系數(shù)α是燃燒過程中的一個(gè)重要參數(shù)，可用以判斷窯爐的用風(fēng)量或煤粉和空氣量的比例情況[2]。不過，對(duì)分解爐來說，由于爐內(nèi)煤粉分散的不均齊，局部空間可能存在氧氣濃度太低，導(dǎo)致爐內(nèi)煤粉的不完全燃燒，因此要結(jié)合不同分解爐的特點(diǎn)，來考慮爐出口的過?？諝庀禂?shù)α。 

2.1　窯內(nèi)用風(fēng) 
　　
窯內(nèi)用風(fēng)主要是其一次風(fēng)與二次風(fēng)的用風(fēng)，當(dāng)然也包括窯頭、窯尾的漏風(fēng)。二次風(fēng)量受到一次風(fēng)量和熟料冷卻等的影響。一次風(fēng)用于窯頭煤粉的輸送和供給煤中揮發(fā)分燃燒所需的氧。低溫的一次風(fēng)量占入窯空氣量不宜過多。當(dāng)一次風(fēng)量增加到總空氣量的10%時(shí)，廢氣溫度將上升4℃，相應(yīng)熱耗增加58.5kJ/kg[1]。有人認(rèn)為，在生產(chǎn)上可考慮將煤中揮發(fā)分燃燒所需要的理論空氣量近似看作為一次風(fēng)量，即一次風(fēng)量比例可控制在大約等于煤的揮發(fā)分的百分?jǐn)?shù)[3]。對(duì)于較難著火的煤，應(yīng)采用較低的一次風(fēng)量，但一次風(fēng)量太低也會(huì)影響煤粉著火后的燃燒需要；對(duì)于易著火的煤，一次風(fēng)量就不宜過小，否則可能使化學(xué)和機(jī)械不完全燃燒損失增加[4]。 
　　
對(duì)于預(yù)分解窯，其入窯物料的分解程度受到窯廢氣量的影響，因?yàn)槲锪戏纸馑锜崃坑煞纸鉅t內(nèi)煤粉燃燒熱及窯尾廢氣所含熱量?jī)刹糠纸M成。這樣通過窯尾的過?？諝庀禂?shù)α及氣體成分可分析出窯內(nèi)通風(fēng)情況。表1列舉了國(guó)內(nèi)幾個(gè)生產(chǎn)廠家實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，窯頭一次風(fēng)率(即一次風(fēng)量占入窯總空氣量的比例)及窯尾氣體的過剩空氣系數(shù)α等情況，表中的一次風(fēng)率不包括窯頭送煤風(fēng)。  

表中各廠窯頭所使用的煤粉燃燒器均為三通道噴煤管。一般說來，三通道噴煤管的一次風(fēng)量比例小于15%(含送煤風(fēng))，國(guó)外較先進(jìn)的可以達(dá)到6%～8%左右，國(guó)內(nèi)一般為10%～15%。從表中的一次風(fēng)率來看，A、B、E三廠比較接近這個(gè)范圍，C廠稍高些。但D廠明顯偏高，這主要是由于該廠地處高海拔地區(qū)(當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.79×105Pa)，且一次凈風(fēng)為離心風(fēng)機(jī)送風(fēng)，為達(dá)到合適的火焰長(zhǎng)度與形狀，在風(fēng)壓不足的情況下只好靠增大一次風(fēng)量和噴射速度來彌補(bǔ)，但這樣阻力會(huì)變大，建議可考慮使用高壓風(fēng)機(jī)。 
　　
而從窯尾氣體的α來看，A、E兩廠較為理想，其它三廠均小于1，尤其是D廠，僅為0.941，CO含量高達(dá)3.8%，說明窯內(nèi)的用風(fēng)不足，這就難以保證窯內(nèi)煤粉的完全燃燒，未燃燼的煤粉到上升煙道、五級(jí)筒甚至四級(jí)筒內(nèi)繼續(xù)燃燒，生產(chǎn)中此處經(jīng)常發(fā)生結(jié)皮堵塞現(xiàn)象。 
　　
但從窯尾溫度來看，C廠明顯偏高(但燒成帶溫度不高)，說明該廠窯內(nèi)排風(fēng)量過大，一次風(fēng)混合不理想，火焰拉長(zhǎng)，使火焰的高溫部分遠(yuǎn)離了窯頭。 

2.2　分解爐的用風(fēng) 
　　
實(shí)際生產(chǎn)中為了保證爐內(nèi)煤粉的燃燒完全，對(duì)分解爐的用風(fēng)要求較高，但較為復(fù)雜，這不僅與分解爐的爐型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、操作等密切相關(guān)，還要受到窯、冷卻機(jī)的操作、三次風(fēng)抽風(fēng)點(diǎn)的位置等影響。就三次風(fēng)而言，其氣流入爐的起始狀態(tài)以及在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)煤粉的著火和生料的起始升溫有明顯的影響[5]。入爐風(fēng)與煤粉的充分混合對(duì)爐內(nèi)煤粉的燃燒反應(yīng)極為有利。目前有的廠家考慮把分解爐的煤粉燃燒器改為三通道噴煤管，也是基于這方面的一個(gè)想法。本文僅從入爐三次風(fēng)量V3、煤粉燃燒所需理論空氣量、爐出口過?？諝庀禂?shù)α及出爐氣體O2、CO含量4個(gè)方面，對(duì)國(guó)內(nèi)幾個(gè) 廠家加以對(duì)比分析，如表2所示：

表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為MC室出口氣體的α，括號(hào)外的數(shù)值為SC室出口氣體的α。 
　　
需要指出的是A廠分解爐的三次風(fēng)量比煤粉燃燒所需的理論空氣量要小得多(其流化風(fēng)量為標(biāo)況下0.131m3/kg，加上三次風(fēng)量、爐用煤風(fēng)后總風(fēng)量為標(biāo)況下0.446m3/kg，比煤粉燃燒所需的理論空氣量稍少)，但其分解爐采用的是流態(tài)化操作，煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，爐內(nèi)溫度場(chǎng)比較均勻，低溫、低α操作是流態(tài)化分解爐操作的一個(gè)特點(diǎn)。表中A廠爐出口的α為窯氣與爐出口氣體混合后的結(jié)果，這個(gè)數(shù)值較為合理。B、D兩廠分解爐的用風(fēng)也比較合適，其三次風(fēng)量稍大于爐內(nèi)煤粉燃燒所需理論空氣量，加之爐用送煤風(fēng)，分解爐出口的空氣量有一定的富余。但C廠的分解爐內(nèi)煤粉燃燒所需的空氣量比三次風(fēng)量大，而且不管是從SC室出口氣體的α(1.305)還是從SC室出口氣體中氧的含量(4.56%)來看，又都表明爐出口過?？諝獗容^多，實(shí)際生產(chǎn)中SC室出口的氣體溫度只有833℃也證實(shí)了這一點(diǎn)。如表3所示，這只能說明其SC室內(nèi)存在較嚴(yán)重的機(jī)械不完全燃燒，大量未燃燼的煤粉到MC室繼續(xù)燃燒，導(dǎo)致MC室甚至整個(gè)窯尾系統(tǒng)出口氣體溫度偏高，實(shí)際生產(chǎn)中MC室出口氣體溫度為951℃。不過從其MC室出口氣體的α(1.106)來看，該RSP分解爐整體用風(fēng)量尚可。E廠分解爐三次風(fēng)量明顯偏大，過多的過?？諝饬繉?dǎo)致爐出口的氣體溫度降低，實(shí)際生產(chǎn)中SC室出口溫度為940℃，低于D廠SC室出口的溫度(1011℃)。 

 
表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為MC室出口數(shù)據(jù)，括號(hào)外的為SC室出口數(shù)據(jù)。 
　　
由表中爐出口的物料分解率可以看出，由于A廠分解爐設(shè)計(jì)的意圖是采取反應(yīng)兩步到位，故爐出口的分解率不高，只有39.78%，但該廠把窯尾的上升煙道來作為第二分解爐，充分利用了窯尾廢氣帶入的大量的熱量，使得入窯的物料分解率達(dá)到87.89%，C、D兩廠的分解爐也有類似的想法，不過這兩廠SC室出口的物料分解率與國(guó)外同樣爐型的分解爐相比，差了近30%，說明國(guó)內(nèi)該類型分解爐在用風(fēng)與用煤方面仍有待于提高。 

2.3　窯爐用風(fēng)量的平衡 
　　
在預(yù)分解窯生產(chǎn)操作中，要求穩(wěn)定喂入生料量和煤量，還要穩(wěn)定窯爐用煤的比例，并據(jù)此調(diào)節(jié)好系統(tǒng)用風(fēng)量，使系統(tǒng)各部分壓力和溫度相對(duì)穩(wěn)定。操作上可根據(jù)窯爐內(nèi)煤粉燃燒情況，調(diào)節(jié)好三次風(fēng)管與窯尾上升煙道的閥門，使系統(tǒng)總風(fēng)量及窯爐系列風(fēng)量平衡均達(dá)到要求[6]。 
　　
但有的廠家為增強(qiáng)燒點(diǎn)火力燒成熟料而增加窯頭用煤量，窯頭用煤量的增加又會(huì)導(dǎo)致窯內(nèi)煤粉出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象，尤其是當(dāng)喂煤量出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重，這時(shí)如果窯—爐—末級(jí)筒與三次風(fēng)管系統(tǒng)阻力不平衡，煤粉在末級(jí)筒中發(fā)生后燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)生局部熔融，導(dǎo)致末級(jí)筒甚至上一級(jí)筒出現(xiàn)結(jié)皮堵塞，這在E廠RSP窯系統(tǒng)發(fā)生過多次。 
　　
表4列舉了這5個(gè)生產(chǎn)廠家窯爐用煤量比例及窯尾、爐出口以及末級(jí)筒出口氣體的α及O2、CO含量。 

 
表4窯爐用煤量比例及窯尾、爐出口、末級(jí)筒出口氣體的α及O2、CO含量 

由表可以看出，除A廠外，B、C、D三廠均存在風(fēng)量不平衡問題，總體上都表現(xiàn)為三次風(fēng)量偏大、窯內(nèi)通風(fēng)不足。其中B、C兩廠爐用煤量偏高，尤其是C廠。在回轉(zhuǎn)窯用煤量不足30%的情況下，窯尾出口氣體的α還不到1.0，說明該回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的通風(fēng)難以保證窯內(nèi)煤粉的正常燃燒，窯內(nèi)的還原氣氛極容易導(dǎo)致窯尾較頻繁的結(jié)皮堵塞。其爐用煤量過大，使得實(shí)際生產(chǎn)中入窯生料分解率一般都在95%以上，很多的時(shí)候高達(dá)97%、98%甚至99%，這必然過分增加分解爐的負(fù)荷，造成窯尾系統(tǒng)整體溫度過高，而窯內(nèi)燒成溫度不夠，導(dǎo)致熟料升溫偏低，游離CaO升高，影響熟料質(zhì)量。 
　　
E廠窯尾的α為1.068，說明窯內(nèi)的通風(fēng)較為合理，但由于窯用煤量相對(duì)較多，窯頭燒成帶的熱負(fù)荷相應(yīng)增加，這也影響了窯的正常使用壽命，且爐內(nèi)因用煤量偏小而顯得三次風(fēng)量過量，導(dǎo)致爐出口氣體溫度下降。分解爐的喂煤量應(yīng)根據(jù)預(yù)熱器來的生料升溫及分解所需要的熱量及熱效率確定，通過控制物料分解率和爐出口氣體溫度來調(diào)節(jié)喂煤量；而窯用煤量應(yīng)根據(jù)入窯生料量及分解率來確定，回轉(zhuǎn)窯在此主要起物料的燒結(jié)作用[6]。 
　　
生產(chǎn)中一方面要根據(jù)各級(jí)預(yù)熱器溫度、壓力、窯尾和一級(jí)筒出口的O2含量調(diào)節(jié)主排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和冷卻機(jī)供風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)總風(fēng)量與煤、料的合理匹配；另一方面也要根據(jù)窯尾及一級(jí)筒出口的過?？諝饬浚{(diào)節(jié)三次風(fēng)管閥門或上升煙道的閘門，實(shí)現(xiàn)窯爐用風(fēng)量的合理分配。 

3　系統(tǒng)總用風(fēng)量 

　　系統(tǒng)總用風(fēng)量取決于用煤量大小和系統(tǒng)生產(chǎn)能力，而煤又取決于料。風(fēng)量控制的主要依據(jù)是保證煤粉的完全燃燒，而不需要太多的過?？諝饬?。系統(tǒng)喂料量的控制主要取決于系統(tǒng)溫度的高低，使系統(tǒng)內(nèi)溫度與其生產(chǎn)能力相適應(yīng)。此外，還應(yīng)結(jié)合生料的率值成分加以綜合考慮。但在增加喂料量時(shí)，應(yīng)注意預(yù)熱器和分解爐內(nèi)料氣之比，避免因料荷過大時(shí)，氣體攜帶能力下降造成塌料。系統(tǒng)喂煤量的大小與生料喂入量密切相關(guān)。當(dāng)喂料量變化時(shí)，燒成系統(tǒng)溫度也會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)需改變窯爐用煤量比例，調(diào)整因喂料量變化而引起的溫度波動(dòng)，以重新建立一個(gè)平衡的工況。若系統(tǒng)用風(fēng)量過低，預(yù)熱器內(nèi)物料懸浮不起來，達(dá)不到充分換熱的目的，且容易導(dǎo)致竄料等現(xiàn)象；但若系統(tǒng)用風(fēng)量過高，不僅使系統(tǒng)阻力變大，電耗增加，而且出口廢氣量的增大，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)熱耗的增加。因此必須通過合理調(diào)整風(fēng)、煤、料量等來保證三者混合均勻，物料懸浮狀態(tài)良好，分解充分，煤粉燃燒完全。 
　　
表5列舉了上述5個(gè)廠預(yù)熱器出口氣體的α、總風(fēng)量及冷卻機(jī)供風(fēng)量與系統(tǒng)燒成熱耗。  

表5 預(yù)熱器出口氣體α、總風(fēng)量、冷卻機(jī)供風(fēng)量及燒成熱耗(標(biāo)況) 
由表5可見，A廠系統(tǒng)用風(fēng)量比較合理，E廠系統(tǒng)用風(fēng)量明顯偏大，其預(yù)熱器出口氣體的α達(dá)到1.586。這必然導(dǎo)致預(yù)熱器出口廢氣帶走熱損失增大，系統(tǒng)的燒成熱耗增加，如表5所示。資料表明[1]，預(yù)熱器出口每增加10%過?？諝饬繒r(shí)，廢氣溫度將增加16℃，熱耗相應(yīng)增加25kJ/kg，E廠系統(tǒng)用風(fēng)量較高的原因除冷卻機(jī)供風(fēng)量達(dá)到2.846m3/kg，系統(tǒng)較嚴(yán)重的漏風(fēng)也是一個(gè)原因，尤其是旋風(fēng)筒錐體膨脹倉(cāng)的捅灰孔。 
　
　表5中D廠的冷卻機(jī)為單筒冷卻機(jī)，與其它廠家的篦冷機(jī)相比，其入冷卻機(jī)風(fēng)量相對(duì)要小些。B廠冷卻機(jī)的風(fēng)量過大，標(biāo)況下為3.086m3/kg，雖然其冷卻機(jī)的余風(fēng)排風(fēng)量也較高(標(biāo)況下1.961m3/kg)，但仍容易導(dǎo)致系統(tǒng)廢氣量偏高、二次風(fēng)溫偏低，熱效率降低。目前國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家采用的第三代帶空氣梁的篦冷機(jī)，其充氣篦板具有高阻力、高氣流穿透性特點(diǎn)，可減小熟料顆粒大小和料層阻力變化的影響，強(qiáng)化氣固換熱，使熟料得到有效的冷卻，并能提高入窯二次風(fēng)溫與入爐三次風(fēng)溫，有利于窯爐內(nèi)煤粉的燃燒。 
　　
從系統(tǒng)用風(fēng)、煤、料量比例也明顯可以看出，B廠用煤量偏高，這與其使用煤粉的低位熱值較低有關(guān)。E廠用風(fēng)量偏大，而C廠無論是用風(fēng)還是用煤都有些偏高，同時(shí)較高的窯尾溫度也說明了該廠在實(shí)際操作中排風(fēng)量過大，建議工廠在實(shí)踐中應(yīng)逐步加以修正，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗的目的。 

4　結(jié)論 

　　預(yù)分解窯系統(tǒng)的用風(fēng)比較復(fù)雜，不同窯型、爐型要求的用風(fēng)也不相同，且不同的窯頭用風(fēng)與分解爐用風(fēng)對(duì)煤粉燃燒的影響也不相同；同時(shí)，入冷卻機(jī)風(fēng)量以及系統(tǒng)各處的漏風(fēng)，如預(yù)熱器系列、窯尾、窯頭等的漏風(fēng)都對(duì)窯系統(tǒng)的正常操作及熱耗產(chǎn)生影響。生產(chǎn)中要注意風(fēng)的分配、窯爐用煤量的比例，兼顧整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)、煤、料的平衡關(guān)系，為工廠優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗打下基礎(chǔ)。