水泥熟料燒成系統(tǒng)煤粉計量中的鎖風問題

　　由于煤粉輸送過程中，管道的阻力、豎直管道上物料勢能的提高、管道彎頭的壓力損失、噴煤管的壓力損失以及煤粉分送幾個用煤點時，人為增加阻力，以保持幾個供煤點的阻力平衡，使得羅茨風機的出口阻力往往達到30～50kPa；而煤粉出料口入風道處風壓在0.5～10kPa左右(取決于煤粉管道的長度、高度、彎頭個數和轉彎半徑等參數，也取決于管道中是否設置了旨在降低鎖風設備出口風壓的噴射管)。鎖風設備鎖風能力如不過關，往往造成大量的一定壓力的空氣作用在計量系統(tǒng)的出口，影響計量設備的穩(wěn)定。為此，通常在工藝線計量系統(tǒng)的進出口，設置有排風管。通過泄壓，使計量系統(tǒng)的上下料口處于基本平衡的風壓條件下，從而保持了計量系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。相當數量的系統(tǒng)因鎖風狀態(tài)并不十分完好，需要排除的風量很大，又往往因為除塵器工作狀態(tài)的變化(正常的收塵狀態(tài)和反吹風的狀態(tài)等)造成計量系統(tǒng)的波動。即使鎖風設備的功能良好，有效地隔離了漏風的影響，但因鎖風設備傳動軸密封作用失效可能性較大，或因風的泄漏帶來煤粉對環(huán)境的嚴重污染，或因攜帶煤粉的風泄漏進鎖風設備的軸承腔，而導致軸承早期損壞。鎖風裝置密封狀況的惡化，往往破壞了計量系統(tǒng)的正常工作狀況。因此必須對煤粉計量和輸送系統(tǒng)在設備和工藝上考慮更為完善的方案。

　　2 平行平板中氣體的間隙流動
　　平板間氣體的間隙流動是研究設備密封中的漏風現象的理論基礎?？梢越栌眠@一理論，分析鎖風系統(tǒng)的漏風問題。如果不考慮平板速度對于漏風的影響，根據伯努利方程，兩塊相隔很近的平行布置的平板間的漏風量Q與平板間的縫隙寬度b的一次冪、與縫隙高度h的三次冪、與空氣壓力p的二次冪成正比，而與縫隙長度l的一次冪成反比，即，Q∝bh3p2/l。如何在工藝設計中，優(yōu)化這幾個參數，對于鎖風系統(tǒng)的設備選擇和設計有著重要意義。這一表達式在具體應用時，對于葉輪給料機和螺旋輸送機等，由于形式、規(guī)格和參數上的差異，表達式的部分形式和參數系數會產生變化。對于剛性葉輪給料機而言，如縫隙的長度l可以表現為給料機各個葉片厚度的累計，縫隙的寬度b表現為給料機的寬度，縫隙的厚度h表現為剛性葉輪給料機的葉片與殼體之間的間隙。但無論是何種設備，漏風量與風壓差之間、與設備形式和參數之間基本的函數關系已確定，這些是我們設計或選擇鎖風設備、確定鎖風設備參數的主要原則，也是我們確定鎖風工藝系統(tǒng)的基本原則。在設計和加工時，對于以上參數，應在價格和加工可以接受的條件下，盡量予以優(yōu)化。

　　3 幾種機械鎖風設備
　　煤粉計量系統(tǒng)采用鎖風的設備通常有剛性(彈性)葉輪給料機、螺旋泵和溢流螺旋輸送機。

　　3.1 葉輪給料機
　　葉輪給料機是連續(xù)給料裝置中最簡單的設備。有的剛性葉輪給料機，在設計和制造加工時，軸承的游隙、殼體與葉片之間的間隙超出0.5～1mm，往往造成不可容忍的空氣泄漏，導致計量系統(tǒng)正常狀態(tài)的破壞。為了加強密封而采用剛性葉輪給料機，但除非采用特殊的密封材料(可以隨著磨損而得到補償)，否則隨著葉片和殼體的磨損，葉片與殼體之間的間隙將日漸變大，最終導致空氣的大量泄漏，造成計量系統(tǒng)狀態(tài)的惡化。80年代初期進口的水泥成套設備配置的剛性葉輪給料機，在設備現場總是放置1臺備用，任何一次短暫的停窯，就會以搶修的速度更換剛性葉輪給料機。然后就是維修、減小間隙，再將備用設備運至生產設備旁邊，準備第二次搶修。因此只有在鎖風裝置進出料口的壓差比較小的條件下，也就是鎖風裝置的出料口的壓力不超過500Pa時，才能考慮葉輪給料機的使用。在葉輪給料機的應用上，要保證在連續(xù)運轉過程中，有較小的葉片與殼體的間隙，要適當增加葉片數量和采用端面封閉的葉輪，以及在不影響煤粉的進入和卸出時，加大葉片端部的寬度。對于采用密封材料的葉輪給料機，應采用調整裝置，使密封材料磨損后，得以及時的補償。

　　3.2 螺旋泵
　　螺旋泵和引進技術生產的富勒泵均屬于依靠在出料口處增加阻尼，減緩粉體物料的流速，從而在輸送機的葉片中形成一段料封的方式，實現螺旋泵進出料口空氣的隔離。從原理上講，螺旋泵應該有很強的鎖風能力，但在煤粉計量系統(tǒng)實際使用中并不理想，常常存在以下問題:1)由于螺旋泵出口閥板的密封狀況并不理想，而且隨著閥板和閥板座的磨損，密封狀況進一步惡化，對于煤粉這種流動性極好的物料，在料封沒有形成之前，已經形成氣流的“短路”，而且“短路”一旦形成，料封也就很難再形成了。2)工藝設計選型不當，螺旋泵的能力遠遠大于計量系統(tǒng)的流量使料封難于形成。由于以上原因，在出料口處風壓過大的條件下，在螺旋泵內很難形成有效的料封，使鎖風失敗。在煤粉計量系統(tǒng)中，采用這種設備有成功的，但也有一定數量的設備因沒有形成有效的鎖風，使煤粉計量系統(tǒng)在較高風壓的影響下，出現了振蕩，甚至因風壓過大，造成煤粉倉供煤的中斷。

　　3.3 溢流螺旋輸送機
　　溢流螺旋輸送機是粉狀物料氣力輸送系統(tǒng)中的鎖風、輸送專用設備。由于在溢流螺旋輸送機中粉狀物料是從端部上翻后卸出的，物料的輸出，總是要依靠后續(xù)物料的擠壓和推動而完成。為此料柱的形成是在煤粉進入管道，而導致管道和鎖風設備出口壓力上升之前。因此輸送機內總是保持著一個穩(wěn)定的料柱，形成有效的料封。這一料封的穩(wěn)定性不因設備的輸送能力和實際流量是否匹配而改變，也不會因螺旋葉片的磨損而降低，因而鎖風的可靠性比較高。早期設計中為了提高其鎖風的可靠性，在上方出料口上設置了閥板，但從多年使用的情況看，可做簡化削減。這種溢流螺旋輸送機，現在已經廣泛的應用于增濕塔下部、氣力提升泵和回轉窯煤粉計量系統(tǒng)的鎖風。但在早期的設備中，對于軸端的密封設計不夠完善，導致了粉體的溢出和軸端軸承的污染。在以后的設計中，這種溢流螺旋輸送機的出料端的軸承密封將作進一步的改進，會使鎖風和設備的可靠性進一步提高。

　　3.4 噴射泵的研制和應用
　　中國建筑材料科學研究院從文丘里管的原理入手，經過試驗和測試，優(yōu)選參數，研制出系列噴射泵和與之相關的設計軟件。采用噴射泵由于設置噴口加大了送煤系統(tǒng)阻力，根據輸送管道的阻力和風機壓力的情況，縮口阻力損失通?？稍O計為10～15kPa，但它的應用大大降低了鎖風設備出料口的壓力，從而降低了設備對鎖風能力的要求，從另一個角度反應了入窯煤粉計量的成功。噴射泵縮口的斷面應保證其風速為3～6倍的管道輸送風速，其軸向應能進行必要的調節(jié)，以使鎖風裝置出料口的負壓值可在一定范圍內進行優(yōu)選。

　　4 輸送管道系統(tǒng)對于鎖風的影響
　　由于我們現在所采用的鎖風裝置還不能完全解決風壓對于計量系統(tǒng)的計量和正常輸送的干擾問題，因此管道系統(tǒng)的設計是否合理，是否在鎖風裝置的出料口有超出鎖風裝置能力的壓風作用，對于計量系統(tǒng)的鎖風有著重要的影響。但這個重要的問題，又往往被人們所忽略。一旦由于過高的風壓影響了計量和正常的輸送，人們往往埋怨計量或鎖風系統(tǒng)，而沒有從系統(tǒng)中找原因，使管道系統(tǒng)趨向合理。

　　4.1 氣力輸送的幾種狀態(tài)
　　與粉狀物料的垂直氣力輸送不同，煤粉輸送管道中，由于有相當長度的水平管道，水平管道內粉狀物料的濃度在垂直方向上的差異，使煤粉管道的氣力輸送有所不同。水平氣力輸送依照煤粉的濃度大致可以分為:稀相輸送(又稱為穩(wěn)流輸送)和雙相輸送。隨著煤粉濃度的進一步加大(或風速的降低)，水平煤粉輸送管道底部的煤粉濃度將超出稀相輸送的范圍，形成上部為稀相，下部為濃相的雙相輸送。隨著風速的進一步降低(或煤粉濃度的進一步加大)，水平輸送管道下部將出現斷續(xù)的煤粉沉積，氣體的阻力出現一定程度的振蕩，輸送將進而演變成脈沖輸送和塞流輸送。在這2種狀態(tài)下，氣體阻力將大幅度增加，并出現較大幅度的振蕩(見圖2)。

圖2 氣力輸送幾種狀態(tài)

　　由于后2種狀態(tài)下氣體阻力的振蕩之大，已經超出了煤粉輸送對于穩(wěn)定性的工藝要求，在具體實施中應避免這種狀態(tài)出現。為保證正常輸送狀態(tài)，各個公司依據自己的試驗，參數上略有出入，但基本趨近于煤粉質量與輸送空氣質量的比應不大于2.5∶1，管道的風速應為25～30m/s。在輸送系統(tǒng)的設計過程中，應考慮海拔等對于空氣密度的影響。在稀相輸送階段，煤粉管道的壓降比較低，輸送系統(tǒng)也比較穩(wěn)定，但風料比較高，輸送不十分經濟。雙相輸送較稀相輸送經濟，風料比較低。因而在生產中，總是在稀相和雙相輸送的范圍內，追求較低的風料比。但對于較長的水平輸送的煤粉管道而言，在阻力增加或在部分管道工況風速降低的狀況下，會產生煤粉的沉積。此時一旦煤粉計量系統(tǒng)在瞬時間有較多的煤粉注入輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)將轉變?yōu)槊}沖輸送，在脈沖輸送狀態(tài)下，管道系統(tǒng)阻力將快速上升，并呈現一定幅度的振蕩狀態(tài)，如果風機的風壓不足以克服阻力，輸送能力將直線下降，甚至造成輸送管道一定程度的堵塞。而且這種加大并振蕩的氣體阻力，將使鎖風設備的出口出現較高的正壓，加大鎖風設備的壓力，甚至導致系統(tǒng)計量的紊亂，嚴重時輸送管道堵塞，干擾了計量系統(tǒng)正常的下料。從控制的穩(wěn)定性和可靠性出發(fā)，煤粉的輸送應該介于稀相和雙相輸送之間，以兼顧輸送的可靠性和經濟性。

　　4.2 管道系統(tǒng)對于輸送濃度狀態(tài)的影響
　　管道系統(tǒng)對于輸送狀態(tài)的影響并不僅僅是管道公稱直徑。某一段管道里煤粉的輸送狀態(tài)取決于這一段管道內的工況風速(不是標態(tài)風速)。工況風速較高時，煤粉濃度較稀。由于管道各處的靜壓不同，從整個煤粉的輸送管道看，工況風速是有差別的。在氣力輸送管道的出口，工況風速最高；而在煤粉入口處，管道工況風速最低。要有效的控制煤粉的輸送狀態(tài)，應該優(yōu)選工況風速值，使煤粉入口處，保持必要的工況風速，使輸送維持在稀相與雙相輸送狀態(tài)之間的臨界狀態(tài)。當然在實際操作時，為了保持控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力，應將實際濃度控制在稍低于臨界狀態(tài)的程度。在生產線的實際操作時，當然不必顧及每個狀態(tài)的細微變化，但我們在輸送水平管道距離長、彎道多的條件下，應注意靜壓變化給工況風速帶來的影響，并注意以下幾點：

　　1)選擇合適的輸送管道的管徑，在保證輸送前提下，盡量降低管道風速和減少彎頭個數，應盡量加大管道的曲率半徑，最大限度的降低管道阻力。

　　2)煤粉輸送的風料比不應一成不變。在管道輸送阻力較大的前提下，由于煤粉入口處工況風速下降，濃度提高，同時羅茨風機機內泄露也有所提高。因此對于輸送管道阻力較大時，除提高羅茨風機風壓外，應適當提高羅茨風機的輸出風量(其修正系數應該為1.1上下)，從而降低輸送的風料比。

　　3)對于高海拔地區(qū)，應對通常在低海拔地區(qū)采用的每立方米空氣輸送多少千克煤粉的概念，根據空氣密度的變化，做出修正。

　　4.3 分風問題的影響
　　隨著分解爐的大型化，分解爐多點進煤的要求給氣力輸送系統(tǒng)的管道帶來了新問題。為了平衡各個分管道之間不同的管道阻力，各個分管道上設置的閥門應精心調整，在各個分風道阻力盡可能平衡的前提下，應努力使管道系統(tǒng)的總阻力為最低。但要使各分管道處于基本相同的輸送狀態(tài)，并非易事。實際操作中結果往往是有的分管道處于雙相甚至脈沖輸送狀態(tài)，而另一分管道則處于高于必要風速的稀相輸送狀態(tài)，而整個管道系統(tǒng)的阻力則大大高于理想的、狀態(tài)單一的計算值，所需風量也將有所提高。在鎖風裝置的出口造成了很高的風壓。從而給煤粉的鎖風裝置和計量系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉造成了很大的壓力。因此，對于兩個以上的供煤點，為了保證各個管道基本相似的暢通輸送狀態(tài)，除需提高羅茨風機的風壓，使其超出計算值約10%～20%外，風量也需適當加大，不均勻修正系數應約為1.2～1.3。

　　不考慮管道條件的不同，照搬其他生產線現成的風量風壓配置(使用效果很好)，也有可能造成鎖風設備和計量系統(tǒng)的問題。而由此將問題歸罪于計量系統(tǒng)和鎖風裝置，不但不能解決問題，顯然也有失公允。

　　5 優(yōu)選的煤粉計量系統(tǒng)的鎖風系統(tǒng)
　　如圖3所示，采用溢流螺旋輸送機和噴射泵組成鎖風系統(tǒng)，同時在溢流螺旋輸送機的入口處(設備的出口處)和計量設備的進口處分別設置通風管道，并以閥門與收塵設備相連。這樣既將計量設備的出口風壓降低至零壓或微正壓，又平衡了計量設備的進出料口風壓，從而確保了計量設備工作狀態(tài)的穩(wěn)定。使煤粉計量控制系統(tǒng)的工作保持穩(wěn)定。

圖3 一種煤粉計量系統(tǒng)配置