RSP結構及特性分析

　　RSP系統(tǒng)是由日本小野田水泥公司于1972年在240t/d試驗窯上研究開發(fā)成功的，并在此基礎上，于1974年在大船渡水泥廠建立了3000t/dRSP生產(chǎn)線。經(jīng)放大進一步驗證，證明該燒成系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)量可達160kg熟料/(m3·h)，熱耗可降至3093kJ/kg熟料。不僅如此，窯外分解窯的結皮堵塞頑癥在RSP系統(tǒng)中也得到了有效根治，充分展現(xiàn)了它獨特的優(yōu)越性。 

　　自1976年至今全世界已有90余條RSP生產(chǎn)線投入運行(尚不包括我國開發(fā)的RSP)，遍及日本、美國、法國、印度、朝鮮、俄羅斯、泰國及非洲等國。中國建材院于1985年引進了1000t/d、2000t/dRSP專有技術，先后用于泰國、越南、津巴布韋以及我國滇西水泥廠的工程設計中，取得了十分滿意的效果。就我們親自參與操作過的泰國薩拉布里和滇西水泥廠而言，前者自1992年10月投產(chǎn)運行至今從未發(fā)生結皮堵塞事故，后者僅用三個月調試即可達標，是國內十幾條1000t/d生產(chǎn)線中建廠最晚達標最快的工廠。實踐證明RSP預熱分解系統(tǒng)運行穩(wěn)定，易操作，對原、燃料適應性強，且熱交換好、不易粘堵、易達標達產(chǎn)。 

　　1、RSP的發(fā)展過程 

　　就RSP結構及特性進行分析，在20多年的時間里，大致經(jīng)歷了如下三個發(fā)展階段。 

　　(1)初期(燒油)階段 

　　初期燒油階段，其混合室(MC)廢氣經(jīng)管道直接進入入窯旋風筒(C4或C5)如圖1所示。此結構適用于燃燒速度快的燃料，煙氣在RSP中的停留時間僅為1.8s，物料的停留時間約為4s左右。 

　　(2)燒油改燒煤階段 

　　此階段的設備改造，是在混合室(MC)的頂部加了一個擴大帶，混合室的廢氣經(jīng)擴大帶后再經(jīng)廢氣管道進入入窯旋風筒，如圖2所示。加擴大帶的目的是為了延長燃料的燃燒時間和進一步提高生料分解率。此結構可使煙氣的停留時間延長到2.5s，物料延長到8s左右。 

圖1　初期RSP 

圖2　燒煤RSP 

　　(3)更加完善階段 

　　RSP由燒油改為燒煤后，仍存在入分解爐的燃料不能充分燃燼問題(煤粉燃燼率僅為90%左右)，特別是使用低品位燃料時造成入窯旋風筒內部溫度偏高。為進一步延長燃料與物料在RSP系統(tǒng)中的停留時間，在原有基礎上從工藝參數(shù)到內部結構重新進行優(yōu)化設計，并確定了不同規(guī)模的水泥廠采用不同結構型式的RSP。對于1000t/d的水泥廠在混合室頂部增設了一鵝頸管道(如圖3所示)。加接鵝頸管道后煙氣在RSP中的停留時間延長到了3.5s，物料延長到15s左右。 

　　優(yōu)化設計后的RSP不僅適用于高品位燃料，而且更適用于各種低品位燃料。我院采用優(yōu)化設計后的RSP在泰國成功地使用了褐煤，在高海拔(2145m)云南滇西成功地使用了RSP預分解系統(tǒng)，在越南我們又設計了燃燒無煙煤的RSP預分解系統(tǒng)。從燒煤角度來說，目前的RSP可以說優(yōu)于其它預分解系統(tǒng)。 

圖3　優(yōu)化設計的RSP 

　　對優(yōu)化設計后的RSP，通過生產(chǎn)實踐對其結構及特性進行如下分析。 

　　2、RSP分解爐的結構特性及調節(jié)控制 

　　RSP分解爐由燃燒器、預燃室(BP)、分解室(SC)及SB調節(jié)閥門、SC調節(jié)閥門組成，如圖4所示。實際上最終完成預分解任務的技術裝備還包括混合室和鵝頸管道。 

圖4　RSP分解爐 

　　分解爐燃料燃燒所需的空氣由三部分組成，即①經(jīng)冷卻機預熱的三次風，經(jīng)管道以雙切線方式，同時作為生料的載體進入分解室(SC)；②由三次風管支管經(jīng)SB調節(jié)閥門引入預燃室(SB)；③分解爐送煤用風。 

　　眾所周知，分解爐是一個二次燃燒爐，其燃料用量一般等于或大于窯頭用量，因此燃料燃燒所需的空氣量，特別是氧的總含量，是一個非常重要的參數(shù)，必須得到有效控制。為此可通過上述調節(jié)機構，根據(jù)燃料的性質及用量，調節(jié)SB、SC閥門開度使SC室過?？諝庀禂?shù)控制在1.05～1.10之間，從而保證燃料的穩(wěn)定完全燃燒。 

　　SB調節(jié)閥門的主要作用在于控制分解爐燃燒器的火焰長短及燃料燃燒速度和燃燒溫度。根據(jù)燃料的特性(著火溫度、細度、揮發(fā)分等)調節(jié)SB閥門開度即可有效地進行控制。當燃料著火溫度高、粒度粗、揮發(fā)分低時，SB閥門開度要大，反之則小。如若不然，就會使火焰拉長，使燃料產(chǎn)生后移燃燒現(xiàn)象，并使未燃燼的燃料顆粒在CO2分壓較高的區(qū)域繼續(xù)燃燒，在還原氣氛下出現(xiàn)低熔點液相，造成結皮堵塞的隱患。根據(jù)有關試驗，當窯尾溫度穩(wěn)定在某一溫度范圍時，采用同一種燃料，當SB閥門全閉時，分解爐的火焰溫度僅為800℃，而在入窯旋風筒的進口處則為970℃(已是結皮、堵塞的危險溫度)，這是后燃現(xiàn)象所造成的結果。當SB閥門開度為70%時，火焰溫度為1600℃，入窯旋風筒進口處的溫度則為870℃。由此可見，SB閥門對火焰溫度、燃燒速度、預分解系統(tǒng)的溫度分布起著何等重要的作用。 

　　SC調節(jié)閥門的作用，主要是用于控制分解爐內燃料燃燒所需的空氣量，確保燃料燃燒是在O2壓較高的條件下進行，從而使燃料易于著火和穩(wěn)定燃燒。 

　　RSP的設計指導思想，據(jù)我們分析是在獲取較高分解率的前提下，必須防止在系統(tǒng)內部產(chǎn)生局部高溫，確保分解爐燃燒空氣中具有較高的氧含量，防止不完全燃燒所造成的還原帶，從而解決由于局部高溫或還原帶所引起的結皮堵塞問題。為實現(xiàn)這一指導思想，就必須使分解爐的燃料燃燒過程是在未與窯尾廢氣相遇之前在純的空氣狀態(tài)下進行，這是RSP的結構設計獨到之處。 

　　在RSP系統(tǒng)中無論是燃燒器、預燃室或是分解室，其氣團運動方式均為渦旋式。尤其是在分解室內，生料經(jīng)預熱后分兩路由三次風以雙切線方式載入分解室，在其內產(chǎn)生激烈的渦旋運動，由于離心力的作用，使SC室內中心部位成為物料濃度的稀相區(qū)，周邊部位成為物料的濃相區(qū)。由于濃稀相區(qū)的存在，在SC室的中心部位就為燃料的燃燒創(chuàng)造了一個非常有利的燃燒空間，為燃料的穩(wěn)定燃燒、提高燃燼率創(chuàng)造了條件。另外在分解爐頂部設有看火孔，可觀察火焰形狀與長短。 

　　由于渦旋運動，生料通過載體在SC室內所形成的物料濃度梯度，實質是一個多層次運動著的粉狀物料吸熱反應保護屏障，由此也就形成了一個較大的溫度梯度，其值約為700℃左右，即當火焰溫度為1600℃時，爐壁溫度為900℃左右，這是由于碳酸鹽吸熱分解反應迅速達到該反應的平衡溫度之故。加之生料率先于煤灰達到分解爐襯料內壁，免除了煤灰及未燃燼的燃料顆粒與襯料接觸，防止了對襯料的熔蝕和粘附，這就有效地保護了爐襯。盡管分解爐的熱負荷相當高，其值達4×106kJ/(m3·h)，但由于有渦旋運動所產(chǎn)生的吸熱反應保護屏障，因此對爐襯的使用壽命并無明顯危害。據(jù)我們所知，第一代RSP分解爐的爐襯已使用20多年，至今仍正常工作。 

　　3、混合室與鵝頸管道的作用 

　　RSP混合室(MC)坐落在窯尾煙室之上，上有鵝頸管道，下有可調縮口，中下有與分解爐相聯(lián)接的斜煙道(如圖5所示)。混合室與鵝頸管道實質上是與分解爐串聯(lián)的一個整體，窯的廢氣經(jīng)可調縮口以噴騰方式混入。由于混合室斷面風速與鵝頸管道斷面風速差異的存在，以及混合室內部幾何結構的特殊設計，創(chuàng)造了一個氣因循環(huán)往復回流區(qū)，并以新舊交替方式不斷進入與排出。在混合室內，氣固以激烈的噴騰循環(huán)往復方式進行混合與強化熱交換。SC室可以說是燃燒與分解反應的初始區(qū)，其燃燼率為80%，分解率僅為50%左右，氣固在SC室的停留時間分別為0.7s和3.5s左右?；旌鲜覄t是燃燒與分解的終始區(qū)，由于激烈的紊流運動，氣固進行強化熱交換，在混合室內燃料的燃燼率與碳酸鹽分解率已分別達96%和85%以上。氣固在混合室出口時的停留時間已分別延長到2.2s和12s左右，不言而喻，這就為提高燃燼率及分解率創(chuàng)造了有利條件。 

圖5　混合室與分解爐 

　　通過調節(jié)混合室下設的可調縮口，可使窯尾廢氣的噴騰速度控制在20～30m/s，在此種風速下，物料一般不會產(chǎn)生短路現(xiàn)象。但是該縮口同時也起著氣固兩相阻力自動平衡的作用，即當混合室內噴騰床的物料重力大于窯尾廢氣向上的噴騰阻力時，會使部分物料短路直接入窯。這種現(xiàn)象只有在喂料量出現(xiàn)較大波動時或各級預熱器物料突發(fā)性積富到某一數(shù)值時才會出現(xiàn)。大量的短路會造成窯熱工制度的紊亂，這就要求喂料量要穩(wěn)定，縮口調整要適當。但是我們也應該承認，可調縮口的存在對自動平衡氣固阻力、防止堵塞所發(fā)揮的作用。 

　　優(yōu)化設計后的RSP其鵝頸管道的設計與否取決于生產(chǎn)規(guī)模的大小和氣固所必須的停留時間。一般在2000t/d以下設鵝頸管道，就此而言，根據(jù)熱交換與分解反應主要是在管道內進行的原理和國內有關試驗，在混合室出口生料表觀分解率為85%，而在鵝頸管道出口表觀分解率已達94%左右。氣固在鵝頸管道內的停留時間分別為1.2s和3.5s。由此可見，加接鵝頸管道的目的是為了進一步提高燃燼率及分解率、延長氣固反應所必須的停留時間而進行優(yōu)化設計的必然產(chǎn)物。 

　　4、結論 

　優(yōu)化設計后的RSP從結　構及其特性分析，具有如下幾大特色： 

　　(1)分解爐的燃料燃燒過程是在純空氣狀態(tài)下進行。調節(jié)SB閥門可控制燃燒溫度與火焰長度，調節(jié)SC閥門可控制燃燒空氣中的氧含量，為燃料的完全燃燒創(chuàng)造了有利條件。 

　　(2)SC室內的渦旋運動不僅延長了氣固停留時間，更主要的是使物料形成具有濃度梯度的吸熱保護屏障，不僅保護了爐襯，同時也為燃料的燃燒創(chuàng)造了一個燃燒空間，使燃料易于穩(wěn)定燃燒。 

　　(3)氣固兩相在RSP系統(tǒng)中最終的停留時間分別為3.5s和15s左右，由此可使入窯生料表觀分解率達94%以上，燃料燃燼率達98%以上。 

　　(4)預分解系統(tǒng)的粘掛、結皮、堵塞主要原因，除原燃材料有害成分和操作技術外，關鍵在于燃料的不完全燃燒和在還原氣氛下所引起硫堿揮發(fā)和低熔物出現(xiàn)所造成的，而RSP解決了不完全燃燒問題，從而也就控制了結皮、堵塞問題。