RSP結(jié)構(gòu)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(yàn)窯上研究開發(fā)成功的，并在此基礎(chǔ)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(jìn)一步驗(yàn)證，證明該燒成系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)量可達(dá)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(jié)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(dú)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(yùn)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(jìn)了1000t/d、2000t/dRSP專有技術(shù)，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(shè)計(jì)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(yùn)行至今從未發(fā)生結(jié)皮堵塞事故，后者僅用三個(gè)月調(diào)試即可達(dá)標(biāo)，是國內(nèi)十幾條1000t/d生產(chǎn)線中建廠最晚達(dá)標(biāo)最快的工廠。實(shí)踐證明RSP預(yù)熱分解系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，易操作，對原、燃料適應(yīng)性強(qiáng)，且熱交換好、不易粘堵、易達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。 

　　1、RSP的發(fā)展過程 

　　就RSP結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行分析，在20多年的時(shí)間里，大致經(jīng)歷了如下三個(gè)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(jìn)入入窯旋風(fēng)筒(C4或C5)如圖1所示。此結(jié)構(gòu)適用于燃燒速度快的燃料，煙氣在RSP中的停留時(shí)間僅為1.8s，物料的停留時(shí)間約為4s左右。 

　　(2)燒油改燒煤階段 

　　此階段的設(shè)備改造，是在混合室(MC)的頂部加了一個(gè)擴(kuò)大帶，混合室的廢氣經(jīng)擴(kuò)大帶后再經(jīng)廢氣管道進(jìn)入入窯旋風(fēng)筒，如圖2所示。加擴(kuò)大帶的目的是為了延長燃料的燃燒時(shí)間和進(jìn)一步提高生料分解率。此結(jié)構(gòu)可使煙氣的停留時(shí)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(shí)造成入窯旋風(fēng)筒內(nèi)部溫度偏高。為進(jìn)一步延長燃料與物料在RSP系統(tǒng)中的停留時(shí)間，在原有基礎(chǔ)上從工藝參數(shù)到內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確定了不同規(guī)模的水泥廠采用不同結(jié)構(gòu)型式的RSP。對于1000t/d的水泥廠在混合室頂部增設(shè)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(shí)間延長到了3.5s，物料延長到15s左右。 

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yù)分解系統(tǒng)，在越南我們又設(shè)計(jì)了燃燒無煙煤的RSP預(yù)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(yù)分解系統(tǒng)。 

圖3　優(yōu)化設(shè)計(jì)的RSP 

　　對優(yōu)化設(shè)計(jì)后的RSP，通過生產(chǎn)實(shí)踐對其結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行如下分析。 

　　2、RSP分解爐的結(jié)構(gòu)特性及調(diào)節(jié)控制 

　　RSP分解爐由燃燒器、預(yù)燃室(BP)、分解室(SC)及SB調(diào)節(jié)閥門、SC調(diào)節(jié)閥門組成，如圖4所示。實(shí)際上最終完成預(yù)分解任務(wù)的技術(shù)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(jī)預(yù)熱的三次風(fēng)，經(jīng)管道以雙切線方式，同時(shí)作為生料的載體進(jìn)入分解室(SC)；②由三次風(fēng)管支管經(jīng)SB調(diào)節(jié)閥門引入預(yù)燃室(SB)；③分解爐送煤用風(fēng)。 

　　眾所周知，分解爐是一個(gè)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(gè)非常重要的參數(shù)，必須得到有效控制。為此可通過上述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，根據(jù)燃料的性質(zhì)及用量，調(diào)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(diào)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(xì)度、揮發(fā)分等)調(diào)節(jié)SB閥門開度即可有效地進(jìn)行控制。當(dāng)燃料著火溫度高、粒度粗、揮發(fā)分低時(shí)，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(diǎn)液相，造成結(jié)皮堵塞的隱患。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)，當(dāng)窯尾溫度穩(wěn)定在某一溫度范圍時(shí)，采用同一種燃料，當(dāng)SB閥門全閉時(shí)，分解爐的火焰溫度僅為800℃，而在入窯旋風(fēng)筒的進(jìn)口處則為970℃(已是結(jié)皮、堵塞的危險(xiǎn)溫度)，這是后燃現(xiàn)象所造成的結(jié)果。當(dāng)SB閥門開度為70%時(shí)，火焰溫度為1600℃，入窯旋風(fēng)筒進(jìn)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(yù)分解系統(tǒng)的溫度分布起著何等重要的作用。 

　　SC調(diào)節(jié)閥門的作用，主要是用于控制分解爐內(nèi)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(jìn)行，從而使燃料易于著火和穩(wěn)定燃燒。 

　　RSP的設(shè)計(jì)指導(dǎo)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(nèi)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(jié)皮堵塞問題。為實(shí)現(xiàn)這一指導(dǎo)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(jìn)行，這是RSP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)到之處。 

　　在RSP系統(tǒng)中無論是燃燒器、預(yù)燃室或是分解室，其氣團(tuán)運(yùn)動方式均為渦旋式。尤其是在分解室內(nèi)，生料經(jīng)預(yù)熱后分兩路由三次風(fēng)以雙切線方式載入分解室，在其內(nèi)產(chǎn)生激烈的渦旋運(yùn)動，由于離心力的作用，使SC室內(nèi)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(gè)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(shè)有看火孔，可觀察火焰形狀與長短。 

　　由于渦旋運(yùn)動，生料通過載體在SC室內(nèi)所形成的物料濃度梯度，實(shí)質(zhì)是一個(gè)多層次運(yùn)動著的粉狀物料吸熱反應(yīng)保護(hù)屏障，由此也就形成了一個(gè)較大的溫度梯度，其值約為700℃左右，即當(dāng)火焰溫度為1600℃時(shí)，爐壁溫度為900℃左右，這是由于碳酸鹽吸熱分解反應(yīng)迅速達(dá)到該反應(yīng)的平衡溫度之故。加之生料率先于煤灰達(dá)到分解爐襯料內(nèi)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(hù)了爐襯。盡管分解爐的熱負(fù)荷相當(dāng)高，其值達(dá)4×106kJ/(m3·h)，但由于有渦旋運(yùn)動所產(chǎn)生的吸熱反應(yīng)保護(hù)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(diào)縮口，中下有與分解爐相聯(lián)接的斜煙道(如圖5所示)?；旌鲜遗c鵝頸管道實(shí)質(zhì)上是與分解爐串聯(lián)的一個(gè)整體，窯的廢氣經(jīng)可調(diào)縮口以噴騰方式混入。由于混合室斷面風(fēng)速與鵝頸管道斷面風(fēng)速差異的存在，以及混合室內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，創(chuàng)造了一個(gè)氣因循環(huán)往復(fù)回流區(qū)，并以新舊交替方式不斷進(jìn)入與排出。在混合室內(nèi)，氣固以激烈的噴騰循環(huán)往復(fù)方式進(jìn)行混合與強(qiáng)化熱交換。SC室可以說是燃燒與分解反應(yīng)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(shí)間分別為0.7s和3.5s左右。混合室則是燃燒與分解的終始區(qū)，由于激烈的紊流運(yùn)動，氣固進(jìn)行強(qiáng)化熱交換，在混合室內(nèi)燃料的燃燼率與碳酸鹽分解率已分別達(dá)96%和85%以上。氣固在混合室出口時(shí)的停留時(shí)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(diào)節(jié)混合室下設(shè)的可調(diào)縮口，可使窯尾廢氣的噴騰速度控制在20～30m/s，在此種風(fēng)速下，物料一般不會產(chǎn)生短路現(xiàn)象。但是該縮口同時(shí)也起著氣固兩相阻力自動平衡的作用，即當(dāng)混合室內(nèi)噴騰床的物料重力大于窯尾廢氣向上的噴騰阻力時(shí)，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(shí)或各級預(yù)熱器物料突發(fā)性積富到某一數(shù)值時(shí)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(diào)整要適當(dāng)。但是我們也應(yīng)該承認(rèn)，可調(diào)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(shè)計(jì)后的RSP其鵝頸管道的設(shè)計(jì)與否取決于生產(chǎn)規(guī)模的大小和氣固所必須的停留時(shí)間。一般在2000t/d以下設(shè)鵝頸管道，就此而言，根據(jù)熱交換與分解反應(yīng)主要是在管道內(nèi)進(jìn)行的原理和國內(nèi)有關(guān)試驗(yàn)，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(dá)94%左右。氣固在鵝頸管道內(nèi)的停留時(shí)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(jìn)一步提高燃燼率及分解率、延長氣固反應(yīng)所必須的停留時(shí)間而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的必然產(chǎn)物。 

　　4、結(jié)論 

　優(yōu)化設(shè)計(jì)后的RSP從結(jié)　構(gòu)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(jìn)行。調(diào)節(jié)SB閥門可控制燃燒溫度與火焰長度，調(diào)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(nèi)的渦旋運(yùn)動不僅延長了氣固停留時(shí)間，更主要的是使物料形成具有濃度梯度的吸熱保護(hù)屏障，不僅保護(hù)了爐襯，同時(shí)也為燃料的燃燒創(chuàng)造了一個(gè)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(shí)間分別為3.5s和15s左右，由此可使入窯生料表觀分解率達(dá)94%以上，燃料燃燼率達(dá)98%以上。 

　　(4)預(yù)分解系統(tǒng)的粘掛、結(jié)皮、堵塞主要原因，除原燃材料有害成分和操作技術(shù)外，關(guān)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(jié)皮、堵塞問題。