預分解窯系統(tǒng)在穩(wěn)定運行條件下的用風

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

1　窯爐內(nèi)煤粉燃燒的特點 

　　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，強烈的熟料熱輻射使煤粉迅速達到著火溫度，其燃燒速度主要由煤粉和空氣的混合強度所決定[1]，加強氣流的擾動將大大加快煤粉燃燒進程。而分解爐內(nèi)煤粉燃燒則處于物料的分解區(qū)段，強烈的吸熱反應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間。當然，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。不同的窯爐結構及不同的操作條件，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　窯爐的用風量 

　　過剩空氣系數(shù)α是燃燒過程中的一個重要參數(shù)，可用以判斷窯爐的用風量或煤粉和空氣量的比例情況[2]。不過，對分解爐來說，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，導致爐內(nèi)煤粉的不完全燃燒，因此要結合不同分解爐的特點，來考慮爐出口的過?？諝庀禂?shù)α。 

2.1　窯內(nèi)用風 
　　
窯內(nèi)用風主要是其一次風與二次風的用風，當然也包括窯頭、窯尾的漏風。二次風量受到一次風量和熟料冷卻等的影響。一次風用于窯頭煤粉的輸送和供給煤中揮發(fā)分燃燒所需的氧。低溫的一次風量占入窯空氣量不宜過多。當一次風量增加到總空氣量的10%時，廢氣溫度將上升4℃，相應熱耗增加58.5kJ/kg[1]。有人認為，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量，即一次風量比例可控制在大約等于煤的揮發(fā)分的百分數(shù)[3]。對于較難著火的煤，應采用較低的一次風量，但一次風量太低也會影響煤粉著火后的燃燒需要；對于易著火的煤，一次風量就不宜過小，否則可能使化學和機械不完全燃燒損失增加[4]。 
　　
對于預分解窯，其入窯物料的分解程度受到窯廢氣量的影響，因為物料分解所需熱量由分解爐內(nèi)煤粉燃燒熱及窯尾廢氣所含熱量兩部分組成。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)通風情況。表1列舉了國內(nèi)幾個生產(chǎn)廠家實際生產(chǎn)時，窯頭一次風率(即一次風量占入窯總空氣量的比例)及窯尾氣體的過?？諝庀禂?shù)α等情況，表中的一次風率不包括窯頭送煤風。  

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量比例小于15%(含送煤風)，國外較先進的可以達到6%～8%左右，國內(nèi)一般為10%～15%。從表中的一次風率來看，A、B、E三廠比較接近這個范圍，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?shù)卮髿鈮簽?.79×105Pa)，且一次凈風為離心風機送風，為達到合適的火焰長度與形狀，在風壓不足的情況下只好靠增大一次風量和噴射速度來彌補，但這樣阻力會變大，建議可考慮使用高壓風機。 
　　
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3.8%，說明窯內(nèi)的用風不足，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、五級筒甚至四級筒內(nèi)繼續(xù)燃燒，生產(chǎn)中此處經(jīng)常發(fā)生結皮堵塞現(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)排風量過大，一次風混合不理想，火焰拉長，使火焰的高溫部分遠離了窯頭。 

2.2　分解爐的用風 
　　
實際生產(chǎn)中為了保證爐內(nèi)煤粉的燃燒完全，對分解爐的用風要求較高，但較為復雜，這不僅與分解爐的爐型、結構特點、操作等密切相關，還要受到窯、冷卻機的操作、三次風抽風點的位置等影響。就三次風而言，其氣流入爐的起始狀態(tài)以及在爐內(nèi)的運動規(guī)律對煤粉的著火和生料的起始升溫有明顯的影響[5]。入爐風與煤粉的充分混合對爐內(nèi)煤粉的燃燒反應極為有利。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想法。本文僅從入爐三次風量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個方面，對國內(nèi)幾個 廠家加以對比分析，如表2所示：

表中括號內(nèi)的數(shù)值為MC室出口氣體的α，括號外的數(shù)值為SC室出口氣體的α。 
　　
需要指出的是A廠分解爐的三次風量比煤粉燃燒所需的理論空氣量要小得多(其流化風量為標況下0.131m3/kg，加上三次風量、爐用煤風后總風量為標況下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)停留時間較長，爐內(nèi)溫度場比較均勻，低溫、低α操作是流態(tài)化分解爐操作的一個特點。表中A廠爐出口的α為窯氣與爐出口氣體混合后的結果，這個數(shù)值較為合理。B、D兩廠分解爐的用風也比較合適，其三次風量稍大于爐內(nèi)煤粉燃燒所需理論空氣量，加之爐用送煤風，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，實際生產(chǎn)中SC室出口的氣體溫度只有833℃也證實了這一點。如表3所示，這只能說明其SC室內(nèi)存在較嚴重的機械不完全燃燒，大量未燃燼的煤粉到MC室繼續(xù)燃燒，導致MC室甚至整個窯尾系統(tǒng)出口氣體溫度偏高，實際生產(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分解爐整體用風量尚可。E廠分解爐三次風量明顯偏大，過多的過?？諝饬繉е聽t出口的氣體溫度降低，實際生產(chǎn)中SC室出口溫度為940℃，低于D廠SC室出口的溫度(1011℃)。 

 
表中括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為MC室出口數(shù)據(jù)，括號外的為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廠分解爐設計的意圖是采取反應兩步到位，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外同樣爐型的分解爐相比，差了近30%，說明國內(nèi)該類型分解爐在用風與用煤方面仍有待于提高。 

2.3　窯爐用風量的平衡 
　　
在預分解窯生產(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)用風量，使系統(tǒng)各部分壓力和溫度相對穩(wěn)定。操作上可根據(jù)窯爐內(nèi)煤粉燃燒情況，調(diào)節(jié)好三次風管與窯尾上升煙道的閥門，使系統(tǒng)總風量及窯爐系列風量平衡均達到要求[6]。 
　　
但有的廠家為增強燒點火力燒成熟料而增加窯頭用煤量，窯頭用煤量的增加又會導致窯內(nèi)煤粉出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象，尤其是當喂煤量出現(xiàn)波動時，這種現(xiàn)象更加嚴重，這時如果窯—爐—末級筒與三次風管系統(tǒng)阻力不平衡，煤粉在末級筒中發(fā)生后燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)生局部熔融，導致末級筒甚至上一級筒出現(xiàn)結皮堵塞，這在E廠RSP窯系統(tǒng)發(fā)生過多次。 
　　
表4列舉了這5個生產(chǎn)廠家窯爐用煤量比例及窯尾、爐出口以及末級筒出口氣體的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三廠均存在風量不平衡問題，總體上都表現(xiàn)為三次風量偏大、窯內(nèi)通風不足。其中B、C兩廠爐用煤量偏高，尤其是C廠。在回轉窯用煤量不足30%的情況下，窯尾出口氣體的α還不到1.0，說明該回轉窯內(nèi)的通風難以保證窯內(nèi)煤粉的正常燃燒，窯內(nèi)的還原氣氛極容易導致窯尾較頻繁的結皮堵塞。其爐用煤量過大，使得實際生產(chǎn)中入窯生料分解率一般都在95%以上，很多的時候高達97%、98%甚至99%，這必然過分增加分解爐的負荷，造成窯尾系統(tǒng)整體溫度過高，而窯內(nèi)燒成溫度不夠，導致熟料升溫偏低，游離CaO升高，影響熟料質量。 
　　
E廠窯尾的α為1.068，說明窯內(nèi)的通風較為合理，但由于窯用煤量相對較多，窯頭燒成帶的熱負荷相應增加，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量過量，導致爐出口氣體溫度下降。分解爐的喂煤量應根據(jù)預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；而窯用煤量應根據(jù)入窯生料量及分解率來確定，回轉窯在此主要起物料的燒結作用[6]。 
　　
生產(chǎn)中一方面要根據(jù)各級預熱器溫度、壓力、窯尾和一級筒出口的O2含量調(diào)節(jié)主排風機的轉速和冷卻機供風量，實現(xiàn)總風量與煤、料的合理匹配；另一方面也要根據(jù)窯尾及一級筒出口的過?？諝饬浚{(diào)節(jié)三次風管閥門或上升煙道的閘門，實現(xiàn)窯爐用風量的合理分配。 

3　系統(tǒng)總用風量 

　　系統(tǒng)總用風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。此外，還應結合生料的率值成分加以綜合考慮。但在增加喂料量時，應注意預熱器和分解爐內(nèi)料氣之比，避免因料荷過大時，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。當喂料量變化時，燒成系統(tǒng)溫度也會隨之發(fā)生變化，此時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，以重新建立一個平衡的工況。若系統(tǒng)用風量過低，預熱器內(nèi)物料懸浮不起來，達不到充分換熱的目的，且容易導致竄料等現(xiàn)象；但若系統(tǒng)用風量過高，不僅使系統(tǒng)阻力變大，電耗增加，而且出口廢氣量的增大，也會導致系統(tǒng)熱耗的增加。因此必須通過合理調(diào)整風、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個廠預熱器出口氣體的α、總風量及冷卻機供風量與系統(tǒng)燒成熱耗。  

表5 預熱器出口氣體α、總風量、冷卻機供風量及燒成熱耗(標況) 
由表5可見，A廠系統(tǒng)用風量比較合理，E廠系統(tǒng)用風量明顯偏大，其預熱器出口氣體的α達到1.586。這必然導致預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]，預熱器出口每增加10%過?？諝饬繒r，廢氣溫度將增加16℃，熱耗相應增加25kJ/kg，E廠系統(tǒng)用風量較高的原因除冷卻機供風量達到2.846m3/kg，系統(tǒng)較嚴重的漏風也是一個原因，尤其是旋風筒錐體膨脹倉的捅灰孔。 
　
　表5中D廠的冷卻機為單筒冷卻機，與其它廠家的篦冷機相比，其入冷卻機風量相對要小些。B廠冷卻機的風量過大，標況下為3.086m3/kg，雖然其冷卻機的余風排風量也較高(標況下1.961m3/kg)，但仍容易導致系統(tǒng)廢氣量偏高、二次風溫偏低，熱效率降低。目前國內(nèi)不少廠家采用的第三代帶空氣梁的篦冷機，其充氣篦板具有高阻力、高氣流穿透性特點，可減小熟料顆粒大小和料層阻力變化的影響，強化氣固換熱，使熟料得到有效的冷卻，并能提高入窯二次風溫與入爐三次風溫，有利于窯爐內(nèi)煤粉的燃燒。 
　　
從系統(tǒng)用風、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。E廠用風量偏大，而C廠無論是用風還是用煤都有些偏高，同時較高的窯尾溫度也說明了該廠在實際操作中排風量過大，建議工廠在實踐中應逐步加以修正，以達到優(yōu)質、高產(chǎn)和低耗的目的。 

4　結論 

　　預分解窯系統(tǒng)的用風比較復雜，不同窯型、爐型要求的用風也不相同，且不同的窯頭用風與分解爐用風對煤粉燃燒的影響也不相同；同時，入冷卻機風量以及系統(tǒng)各處的漏風，如預熱器系列、窯尾、窯頭等的漏風都對窯系統(tǒng)的正常操作及熱耗產(chǎn)生影響。生產(chǎn)中要注意風的分配、窯爐用煤量的比例，兼顧整個系統(tǒng)的風、煤、料的平衡關系，為工廠優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗打下基礎。