超短窯的研發(fā)設(shè)計(jì)和運(yùn)行體會

　　引言

　　新型預(yù)分解窯誕生初期,入窯分解率一般為85% 到90%,相對于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯,產(chǎn)量成倍提高,窯的長度縮短了很多,長徑比約為1618。隨著不同分解爐的問世和對爐內(nèi)燃燒氣氛、物料、燃料運(yùn)行速度和規(guī)律的研究,分解爐的性能不斷提升,致使入窯物料的分解率在不斷提高。德國的洪堡公司首先推出了長徑比在10左右的超短窯,他們的學(xué)者認(rèn)為,隨著入窯物料分解率的提高,若窯長度不減短,分解后的CaO微晶和發(fā)育不完善的晶格會在窯內(nèi)有充裕的時(shí)間和溫度條件充分長大和發(fā)育完善,給下步向C3S的轉(zhuǎn)化帶來困難。窯爐操作工為了減少熟料中游離鈣的含量,就必須提高燒成帶的溫度,燒成帶的長度也相應(yīng)延長,這樣燒出的熟料礦物晶體大而完整,從而導(dǎo)致熟料的易磨性和強(qiáng)度都差,而短窯可避免上述問題的產(chǎn)生。洪堡公司推出了超短窯系列,先后向中國出口的幾臺窯長徑比都控制在12以內(nèi)。嘉新京陽水泥股份有限公司引進(jìn)該超短窯系統(tǒng)后,取得了很好的運(yùn)行業(yè)績。因此當(dāng)該公司和鎮(zhèn)江市合資建設(shè)江蘇聯(lián)合水泥廠時(shí),也要求建設(shè)超短窯系統(tǒng)。我院與德國洪堡等公司共同參與了競標(biāo),結(jié)果我院以技術(shù)性能好、價(jià)格低而一舉中標(biāo),并取得了項(xiàng)目總承包權(quán)。

　　盡管超短窯系統(tǒng)是一個(gè)完整的燒成工藝的系統(tǒng)問題,但超短窯卻是該系統(tǒng)中的核心設(shè)備。因此,超短窯裝備的開發(fā)研制成了該系統(tǒng)的關(guān)鍵。下面著重介紹超短窯裝備的研發(fā)思路和運(yùn)行情況。

　　1、工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵

　　項(xiàng)目確立后首先對超短窯工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分解和功能劃分,在工藝設(shè)計(jì)上要把握如下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：①窯尾預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)要確保分解率在95%以上;②回轉(zhuǎn)窯內(nèi)要確保熟料有足夠的停留時(shí)間,生產(chǎn)出合格的熟料;③窯頭燃燒器的火焰長度適中,在來料有波動的情況下,能快火急燒,滿足短窯調(diào)節(jié)必須迅速的特點(diǎn);④窯頭冷卻機(jī)要針對冷卻帶短熟料溫度高等特點(diǎn)提高一段篦床的冷卻效率,既保證對熟料的快速冷卻,又保證提高二、三次風(fēng)的溫度;⑤上述各環(huán)節(jié)互相配合,在某一環(huán)節(jié)功能不能充分發(fā)揮時(shí),下一環(huán)節(jié)能迅速彌補(bǔ)。超短窯操作范圍窄,信息反饋和調(diào)節(jié)手段必須迅速,對此要求各環(huán)節(jié)有較大的調(diào)節(jié)幅度。經(jīng)過上述各部分的功能劃分,使得超短窯裝備的研發(fā)目的更明確、更有針對性。

　　2、回轉(zhuǎn)窯的參數(shù)確定及設(shè)計(jì)

　　回轉(zhuǎn)窯的功能是確保物料在窯內(nèi)高溫區(qū)有足夠的反應(yīng)時(shí)間形成合格的水泥熟料。因此,在窯的各項(xiàng)規(guī)格、參數(shù)確定時(shí)要充分考慮物料在窯內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律和形成條件。窯規(guī)格是由業(yè)主根據(jù)公司現(xiàn)有的窯型與我們商量確定的,基本是采用了與洪堡相同的規(guī)格,即Φ5.2m×61m,但其他參數(shù)和要求則由我們根據(jù)其功能和設(shè)計(jì)要求確定。首先需確定窯的基本工藝參數(shù)范圍和相關(guān)的動、靜載荷分析。我們經(jīng)過分析超短窯的工藝特點(diǎn),與中長窯比較,窯的長徑比L/D<12,意味著窯內(nèi)各帶的長度變短,物料在各帶的停留時(shí)間發(fā)生了變化,對此我們希望較多地減少物料在預(yù)熱帶和放熱反應(yīng)帶的停留時(shí)間,較少地減少物料在燒成帶的停留時(shí)間。眾所周知,物料在窯內(nèi)的停留時(shí)間對同一規(guī)格的窯來說主要取決于斜度和轉(zhuǎn)速,斜度越大物料運(yùn)行速度越快,尤其是燒成帶物料的運(yùn)動狀態(tài)完全靠提升、滾動前行,影響明顯。與中長窯比較一定要降低其斜度,因此設(shè)計(jì)中把窯的斜度調(diào)整為3.5%。轉(zhuǎn)速在運(yùn)行過程中原本可調(diào),在取值時(shí),加寬了調(diào)速范圍。 

　　洪堡窯采用的是雙傳動而我們是單傳動,且裝機(jī)功率略小。實(shí)際上根據(jù)我們的計(jì)算,功率配置還可以減小,只是因?yàn)闃I(yè)主規(guī)定了該窯的裝機(jī)功率不能低于800kW。我們選擇的調(diào)速上限比洪堡窯大,其目的是使該窯具有更寬的調(diào)節(jié)范圍。對參數(shù)的選擇依據(jù)和設(shè)計(jì)思想是：

　　1)窯在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能滿足熟料的形成反應(yīng)。實(shí)際上熟料的形成是與諸多因素有關(guān),設(shè)計(jì)中只能采用實(shí)測數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)。對新型干法窯來說,燒正常飽和比的生料,保證燒成溫度在1450℃以上,熟料在燒成帶內(nèi)的停留時(shí)間在10min左右完全能滿足熟料燒成的要求。因此,該窯設(shè)計(jì)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)熟料在燒成帶的停留時(shí)間≥10min,即該窯在最大轉(zhuǎn)速3.79r/min時(shí),最大產(chǎn)能可達(dá)7000t/d,熟料在燒成帶的停留時(shí)間可在10min以上。

　　2)窯的最大生產(chǎn)負(fù)荷配置可滿足7000t/d的生產(chǎn)能力;當(dāng)然需要說明的是這里僅強(qiáng)調(diào)了對窯的配置,并不意味該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)能。

　　3)窯的料負(fù)荷在正常產(chǎn)量即5800到7000t/d時(shí),單位產(chǎn)量的功耗降低,即為該窯的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷區(qū)。由于窯的功耗來自兩項(xiàng)之和[1],即：N0=N1+N2
　　　　N1=D3·L·sin3θ·n·K1
　　　　N2=P·D·td·n··fK2/Dr
　　　式中：
　　N1———負(fù)荷功率,kW;
　　N2———摩擦功率,kW;
　　D———窯的直徑,m;
　　L———窯的長度,m;
　　θ———對應(yīng)于窯內(nèi)物料層圓心角的一半,見圖1;
　　n———窯轉(zhuǎn)速,r/min;
　　K1———與物料平均容重γ和平均休止角α有關(guān)的系數(shù),K1=0.086γsinα;
　　P———托輪軸承支撐物體總質(zhì)量(取窯重+耐火磚重+物料重),kg;
　　Dt———輪帶外徑,m;
　　d———托輪軸軸頸直徑,m;
　　f———托輪軸與軸承摩擦系數(shù);
　　Dr———托輪直徑,m;
　　K2———常數(shù),5.9×10-4。

　　從上述兩項(xiàng)功率消耗來看,對同一臺窯來說,兩項(xiàng)消耗均與物料在窯內(nèi)的填充率和窯速有關(guān),只是兩者在功率消耗中所占份額不同。負(fù)荷功率與填充率相關(guān)的sinθ值的三次方成正比,與轉(zhuǎn)速的一次方成正比;而摩擦功率均是與料負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的一次方成正比。考慮到實(shí)際生產(chǎn)中,窯正常時(shí),即風(fēng)、煤、料相對穩(wěn)定時(shí),基本是窯轉(zhuǎn)速越高,窯產(chǎn)量就越高,但對填充率的選擇卻不一定采用高填充率,而往往是有一個(gè)相對固定的料層厚度即相對固定的填充率,大約7%到8%,操窯工稱之為“薄料快轉(zhuǎn)”。料層薄,有利于火焰和煙氣與物料進(jìn)行熱交換,提高了物料溫度的均勻性,減少了物料表面和內(nèi)部的溫差,熟料形成的顆粒均勻,質(zhì)量有保證。實(shí)際生產(chǎn)中恰恰是較高窯速時(shí),填充率較低;反之填充率較高。因此對窯的功耗來說,在一定范圍內(nèi)是產(chǎn)量越高,單位產(chǎn)量的功耗越低。 為計(jì)算得出的n-t、n-Q和n-φ之間的關(guān)系曲線,圖3為n-φ和n-N關(guān)系曲線。從中可知,熟料在燒成帶的停留時(shí)間隨轉(zhuǎn)速的增加始終是減小的;產(chǎn)能隨轉(zhuǎn)速的提高始終是增加的;而窯內(nèi)填充率前半部分隨轉(zhuǎn)速的提高而降低,后半部分是隨轉(zhuǎn)速的提高而略有提高,基本保持在8%左右。通過控制窯速,可根據(jù)煅燒情況控制熟料在窯內(nèi)的停留時(shí)間,以確保熟料的燒成質(zhì)量。可以看出,窯負(fù)荷隨著窯速的提高,趨勢始終在提高,只是窯速提高而填充率下降時(shí)(n=2.4、3.2r/min)窯負(fù)荷上升的幅度低于窯速、填充率共同提高時(shí)(n=3.2 、3.79r/min)窯負(fù)荷上升的幅度。實(shí)際上窯速對窯負(fù)荷的影響要比截面料負(fù)荷對窯負(fù)荷的影響大的原因是當(dāng)窯速提升時(shí),窯內(nèi)的料流量是增加的,盡管料層變薄但料的運(yùn)動速度變快,即單位時(shí)間輸送的物料量是增加的。

　　3、與同規(guī)模窯的比較 

　　 注：①Φ5.0×68窯欄中的參數(shù)均為設(shè)計(jì)參數(shù);②為窯速3.2r/min下的電流

　　通過比較表2中數(shù)據(jù)可以看出,物料在窯內(nèi)總的停留時(shí)間相差不大,在燒成帶的停留時(shí)間超短窯略短約13.9min,最長的窯也就15min左右,均能滿足熟料燒成需要。L/D值大的窯物料在預(yù)熱帶和放熱反應(yīng)帶的停留時(shí)間差別不大,隨著轉(zhuǎn)速的提高,物料前進(jìn)速度提高快,而到燒成帶后物料的前進(jìn)速度明顯變慢,因此燒成帶會相對延長,此時(shí)若要縮短燒成帶的長度,唯一的辦法是加快窯速,從我們前面的分析可知,加快窯會使速窯的功耗增加。因此,縮短窯長是最有效的辦法,這與德國專家的結(jié)論一致。

　　從燒成帶的截面熱負(fù)荷和容積熱負(fù)荷來看,目前已達(dá)到的能力,超短窯的截面和容積熱負(fù)荷均最低,Φ5.0m×74m窯的截面熱負(fù)荷最高,Φ5.0m×68m窯的容積熱負(fù)荷最高。由此可以推斷,Φ5.2m×61m的窯增產(chǎn)潛力最大,可略提高填充率增加窯的產(chǎn)量。在生產(chǎn)考核的投料操作中,因原料磨產(chǎn)量的影響,該窯投料量只在385到395t/h之間。要進(jìn)一步增加產(chǎn)量還取決于物料的易燒性和燃燒器對火焰的調(diào)節(jié)能力。因?yàn)檫M(jìn)一步加大產(chǎn)量就意味著提高窯速,縮短物料在燒成帶的停留時(shí)間,提高燒成溫度可縮短反應(yīng)時(shí)間,易燒性好的物料所需的反應(yīng)時(shí)間短。從中還可看出,在運(yùn)行產(chǎn)量下,短窯的運(yùn)行電流最低,也是因?yàn)榱县?fù)荷、窯皮負(fù)荷和磚負(fù)荷最低的緣故。由此可以推出,在上述的幾種規(guī)格的窯型中,除Φ5.0m×68m的窯缺乏運(yùn)行參數(shù)外,超短窯的單位產(chǎn)量的運(yùn)行功耗最低。 從對窯的受力分析可知,兩支墩的窯受力更均勻,不存在跳空時(shí)的應(yīng)力集中情況。另據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,中外專家通過對窯筒體的應(yīng)力分析和模型測試一致認(rèn)為：“對襯料最危險(xiǎn)的變形是改變筒體的圓截面為橢圓。筒體的徑向變形最大的地方在輪帶下,并且隨著與輪帶的距離增大而減小,變形主要由輪帶傳到筒體上的反力所引起”,“筒體變形隨遠(yuǎn)離輪帶而迅速消失以至窯筒體完全呈圓形”,“跨間筒體變形遠(yuǎn)較支撐處為小,應(yīng)力狀態(tài)較為簡單”。用兩支墩的短窯實(shí)際是加大了跨間距,減少了筒體的變形區(qū)域,對耐火材料的損害減輕,充分體現(xiàn)出了兩支墩短窯的優(yōu)勢。4Φ5.2m×61m窯的主要技術(shù)參數(shù)跨間距加大,筒體的應(yīng)力和變形發(fā)生了改變,兩檔托輪支撐的受力、傳動和潤滑等對設(shè)備的研發(fā)確是一個(gè)全新的課題。研發(fā)人員依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等機(jī)械設(shè)計(jì)所涉及的眾多理論,輔助于計(jì)算機(jī)模擬分析,結(jié)合其多年的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出了全新的屬于我們自己的兩支墩短窯裝備。經(jīng)過2年多的生產(chǎn)運(yùn)行證明,窯運(yùn)行正常,對輪帶間隙、輪帶內(nèi)表面與墊板之間的滑動、托輪軸承與潤滑、液壓擋輪的運(yùn)行、大齒輪的齒面負(fù)荷等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)檢測,顯示該窯運(yùn)行良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),完全發(fā)揮了其功能。表2的運(yùn)行參數(shù)顯示,窯產(chǎn)能在5800t/d時(shí),窯電流為556A。窯內(nèi)各帶的長度劃分見表3窯的主要技術(shù)參數(shù)見表4Φ5.2m×61m

　　5、根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐我們認(rèn)為,縮短回轉(zhuǎn)窯的長度最直接的優(yōu)勢是：①減短了筒體長度,減少了窯的占地;②可減少窯的支撐,使回轉(zhuǎn)、支撐系統(tǒng)受力更趨合理、簡單;③窯用耐火材料消耗減少;④窯的土建施工費(fèi)用低。潛在的優(yōu)勢是：①窯設(shè)備的安裝和日常維護(hù)、調(diào)節(jié)簡單;②窯的運(yùn)行電耗相對較低;③窯內(nèi)部的溫度分布更趨合理。隨著入窯分解率的提高,適當(dāng)縮短窯的長度更合理。由于物料在窯內(nèi)停留時(shí)間縮短,而升溫速度快,C3S晶格尺寸小于30μm,有利于粉磨和提高水泥強(qiáng)度。雖然中長窯在提高窯速的情況下也能實(shí)現(xiàn),但功耗會明顯提高。

國共產(chǎn)黨另外,從設(shè)計(jì)中也可看出,兩支墩的超短窯盡管減少了一檔托輪,但設(shè)備質(zhì)量并非最小。因?yàn)榭玳g距加大,筒體的應(yīng)力和支墩的承載變化導(dǎo)致用材的規(guī)格和托輪、輪帶的規(guī)格加大,與其它規(guī)格的窯相比,設(shè)備質(zhì)量反而加大。表5中列出了幾種窯型的筒體耗用材料量、設(shè)備質(zhì)量和外加的生產(chǎn)負(fù)荷。 

　　從中可以看出,幾種規(guī)格的窯筒體中,超短窯的表面積最小,外加的生產(chǎn)負(fù)荷也是最低的,但設(shè)備質(zhì)量卻排在第2位。Φ5.0m×68m窯的表面積和外加的生產(chǎn)負(fù)荷均排在第三位,分別比超短窯多71m2和43t,但設(shè)備質(zhì)量卻最小,表2中也顯示了其裝機(jī)功率也為最低(僅630kW)。該窯型的L/D值為13.6,當(dāng)窯速在3.2～3.8r/min時(shí),物料在燒成帶的停留時(shí)間為14.5～12.2min;在3.8r/min時(shí),產(chǎn)量可超過7000t/d。該窯的操作范圍比超短窯寬,控制、調(diào)節(jié)容易。因此,我們認(rèn)為該窯型用于5500～6500t/d規(guī)模應(yīng)該是一個(gè)具有競爭力的窯型。

　　另外,超短窯的窯尾溫度高,幾乎是控制極限,溫度進(jìn)一步升高,窯尾產(chǎn)生結(jié)皮的可能性很大,因此對窯系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求更高,對窯況的波動必須要有迅速信息反饋和調(diào)節(jié)手段。設(shè)計(jì)中縮短了窯尾的上升煙道,安裝了多臺空氣炮,緩解了窯尾結(jié)皮的影響。

　　6、結(jié)論與看法

　　1)我院研發(fā)的兩支墩超短窯經(jīng)過2年多的生產(chǎn)運(yùn)行證明：該窯運(yùn)行良好,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)顯示正常,達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。對窯本身作為燒成系統(tǒng)中的一臺熱工裝備完全發(fā)揮了其功能,填補(bǔ)了我國沒有自己短窯的空白。 

　　2)超短窯具有直接和潛在的優(yōu)勢,但是窯尾溫度高,對窯系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求高,對窯況的波動必須要有迅速信息反饋和調(diào)節(jié)手段。

　　3)對新型干法窯外分解系統(tǒng)的窯來說,長徑比小于12的窯并非是最經(jīng)濟(jì)的窯型,無論是設(shè)備質(zhì)量還是裝機(jī)容量均非最低。相反長徑比在12.5 到13.5、斜度選擇4%的窯型,可能更有競爭優(yōu)勢,對系統(tǒng)前后設(shè)備的配套和控制,要求會相對寬松,會有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

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