預(yù)分解窯窯內(nèi)通風(fēng)量的優(yōu)化

　　水泥熟料煅燒技術(shù)是水泥生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)。預(yù)分解窯煅燒技術(shù)用于熟料生產(chǎn)，使回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量大大提高，窯襯的穩(wěn)定性增強(qiáng)，熱耗降低，燃料選擇范圍加寬，大氣污染程度大大降低。在生產(chǎn)中，由于操作人員技術(shù)的理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)存在差異，加之系統(tǒng)設(shè)計(jì)的些許不合理，預(yù)分解窯煅燒技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮，這在一些新型干法水泥生產(chǎn)線上是常有的事情。預(yù)分解窯煅燒技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的關(guān)鍵在于是否合理把握好風(fēng)、煤、料的配合。根據(jù)近幾年的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐，筆者僅就窯內(nèi)通風(fēng)量的控制提出一些看法與同行交流。

　　1  對(duì)預(yù)分解窯窯內(nèi)通風(fēng)量的要求

　?。?）在頭煤用量波動(dòng)范圍內(nèi)始終有足量的O₂供燃料燃燒，保證窯內(nèi)不出現(xiàn)還原氣氛，而且使窯內(nèi)O₂適度偏大控制。

　　眾所周知，長(zhǎng)期以來(lái)窯尾結(jié)皮一直是眾多預(yù)分解窯生產(chǎn)線的一大難題。為了緩解結(jié)皮，一方面要控制原燃料有害元素的帶入量，另一方面得減少有害元素在高溫帶的揮發(fā)以增加出窯熟料有害元素的帶出量。本文以國(guó)內(nèi)普遍的硫過(guò)剩為例。硫的揮發(fā)系數(shù)隨窯內(nèi)O₂量增加而降低。窯內(nèi)硫揮發(fā)量主要來(lái)自CaSO₄的熱分解：

　　CaSO₄=CaO+SO₂+1/2O₂

　　這是一個(gè)可逆反應(yīng)。在溫度一定的條件下，當(dāng)O₂量增加時(shí)，反應(yīng)利于向左進(jìn)行，CaO、SO₂減少，CaSO₄增加；否則反之。國(guó)外實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同O₂量的SO₂測(cè)定認(rèn)為：O₂量4%左右是抑制熱生料中SO₂揮發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)O₂量大于4%左右后，生料中SO₂釋放量明顯地大幅下降 ；且隨O₂量的進(jìn)一步增加，生料中SO₂釋放量繼續(xù)下降 [1]。

　　窯內(nèi)存在不完全燃燒時(shí)，部分煤粉落在料面上，硫酸鹽與C作用，生成SO2：

　　K₂SO₄+C→K₂O+SO₂+CO

　　CaSO₄+C→CaO+SO₂+CO

　　這是SO₂揮發(fā)量增加的又一途徑。

　　另外，燒成帶溫度提高及燒成帶物料停留時(shí)間增加，SO₂揮發(fā)量均會(huì)隨之增加。

　　以上情況的種種組合使熟料攜帶出窯的硫酸鹽含量變化范圍頗寬。而窯尾煙氣中SO₂濃度過(guò)高，致使結(jié)皮加劇，影響窯內(nèi)通風(fēng)，還原氣氛更濃，SO₂揮發(fā)更多。結(jié)果，系統(tǒng)陷入惡性循環(huán)之中，熟料產(chǎn)質(zhì)量也受到影響。窯內(nèi)還原和還原─氧化反應(yīng)在窯磚內(nèi)產(chǎn)生體積效應(yīng)（包括反復(fù)地收縮與膨脹相更迭的體積效應(yīng)），磚的結(jié)構(gòu)弱化，強(qiáng)度降低，窯磚易于損壞。

　?。?）窯尾縮口等部位的風(fēng)速足以保證日常運(yùn)行中不塌料，而分配給三次風(fēng)管的通風(fēng)量能滿足爐煤燃燒對(duì)新鮮空氣量的要求。

　　窯尾縮口等部位風(fēng)速不足從而引發(fā)塌料在生產(chǎn)中時(shí)有見(jiàn)聞。對(duì)于國(guó)內(nèi)近幾年最為流行的爐型，窯尾煙室上方即為爐的下錐體底部縮口，其風(fēng)速如果不足以托住下錐體內(nèi)高濃度、且分散并不十分均勻的熱生料，就會(huì)觀察到部分生料一股股黑影般地下竄入窯。這些短路入窯生料的碳酸鹽分解率很低，給燒成帶增加了負(fù)擔(dān)，不得不加大頭煤用量來(lái)提高火力以彌補(bǔ)預(yù)燒之不足。另外，塌料會(huì)破壞系統(tǒng)熱工制度，令系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。對(duì)于某些離線分解爐，三次風(fēng)自爐下錐體進(jìn)入，也存在風(fēng)速與熱生料濃度及其穩(wěn)定性的匹配問(wèn)題。一旦塌料，熱生料進(jìn)入三次風(fēng)管，整個(gè)燒成系統(tǒng)會(huì)極度混亂，導(dǎo)致生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。分解爐的新鮮空氣來(lái)自三次風(fēng)。若該風(fēng)量過(guò)大，容易燒垮爐襯；過(guò)小，爐的能力受削弱。三次風(fēng)的風(fēng)路與窯的風(fēng)路兩者并聯(lián)，彼此的風(fēng)量有“此少彼多”的相關(guān)關(guān)系，不可顧此失彼。

　?。?）燒成系統(tǒng)低能耗運(yùn)行。

　　在三次風(fēng)支路加大通風(fēng)阻力來(lái)加強(qiáng)窯內(nèi)支路的通風(fēng)量時(shí)，窯內(nèi)支路的通風(fēng)阻力也將上升。結(jié)果，可能使系統(tǒng)的總阻力上升，拉風(fēng)電耗增大。因此，窯內(nèi)通風(fēng)量并不是越大越好，只要適度偏大即可。適度偏大的窯內(nèi)通風(fēng)會(huì)緩減結(jié)皮，減少通風(fēng)阻力。但風(fēng)速上升以及由此引起的揚(yáng)塵量增加，均會(huì)使動(dòng)壓頭損失增大，而動(dòng)壓頭與風(fēng)速的平方成正比。因此窯支路降低通風(fēng)阻力的要求依然存在。另外，要在盡量低控C1筒出口空氣過(guò)剩系數(shù)的前提下搞好二、三次風(fēng)風(fēng)量的精細(xì)分配。一些生產(chǎn)線在窯內(nèi)通風(fēng)不足而三次風(fēng)又偏大的情況下自覺(jué)或不自覺(jué)地靠加大C1筒出口抽力的辦法來(lái)解決窯內(nèi)通風(fēng)量低的問(wèn)題，則電耗熱耗均上升，很不經(jīng)濟(jì)。

　　2  影響窯內(nèi)通風(fēng)量的因素

　   有哪些因素影響窯內(nèi)通風(fēng)量呢？

　　（1）C1 筒出口排風(fēng)量改變，窯和三次風(fēng)管內(nèi)的通風(fēng)量都會(huì)發(fā)生同向調(diào)整。

　　（2) 調(diào)節(jié)三次風(fēng)閘板閥的開(kāi)度，三次風(fēng)量和窯內(nèi)通風(fēng)量將得到異向調(diào)整。

　?。?) 三次風(fēng)管內(nèi)熟料小顆粒沉降堆積，對(duì)窯內(nèi)產(chǎn)生增加通風(fēng)量的影響。[Page]

　?。?) 窯尾結(jié)皮、窯尾煙室斜坡結(jié)皮或物料堆積、窯內(nèi)結(jié)圈等，均增加了窯內(nèi)通風(fēng)阻力，削減了窯內(nèi)風(fēng)量。與此同時(shí)，三次風(fēng)管的通風(fēng)量上升，直至新的平衡建立。

　　（5） 窯內(nèi)填充率不同，影響通風(fēng)截面積，進(jìn)而影響到窯內(nèi)通風(fēng)量。

　　（6) 窯頭罩負(fù)壓是風(fēng)量收支平衡的一種反映。如果風(fēng)的供給不足或窯頭排風(fēng)機(jī)排風(fēng)過(guò)大而出現(xiàn)窯頭罩負(fù)壓絕對(duì)值增加，則窯內(nèi)通風(fēng)量將被削減。

　?。?）入窯風(fēng)溫下降，其標(biāo)況風(fēng)量上升。

　　（8）漏風(fēng)的情況比較復(fù)雜。如果漏風(fēng)發(fā)生在窯和三次風(fēng)管構(gòu)成的并聯(lián)風(fēng)路之后（即下游），則削弱了兩并聯(lián)支路的抽力，窯內(nèi)通風(fēng)量下降。如果窯尾密封部位漏風(fēng)，則窯內(nèi)通風(fēng)抽力被搶，引起窯通風(fēng)量下降。這是窯支路漏風(fēng)的情況。如果三次風(fēng)管支路漏風(fēng)，如風(fēng)管磨穿或閘板閥密封差，則在削減三次風(fēng)熱風(fēng)抽取量的同時(shí)削減了窯支路的通風(fēng)量。如果窯頭罩漏風(fēng)，則使二、三次風(fēng)的標(biāo)況風(fēng)量增加。強(qiáng)調(diào)指出，漏風(fēng)將使系統(tǒng)熱耗上升，用煤量增大，系統(tǒng)對(duì)窯內(nèi)風(fēng)量的需求增加。

　　（9）熟料生燒、飛砂料、高窯速運(yùn)轉(zhuǎn)或窯內(nèi)襯料粘結(jié)物不平整及圓周分布的不勻稱等使粉料揚(yáng)起量增加，均使含塵煙氣密度增加而削減窯內(nèi)的通風(fēng)能力。同理，增加窯喂料量也影響到窯內(nèi)通風(fēng)量。

　?。?0）熟料變得耐火，或者因種種原因分解爐能力下降，燒成要加強(qiáng)火力，頭煤用量比例提高，窯內(nèi)O2需求量發(fā)生了變化。另外，煤質(zhì)變劣，須提高燃燒用過(guò)?？諝庀禂?shù)。

　?。?1）操作中注重增加爐煤比例，減少了窯內(nèi)通風(fēng)量的需求。

　　（12）設(shè)計(jì)因素 （略）。

　　顯然，面對(duì)這個(gè)復(fù)雜多變的局面，在窯尾設(shè)置氣體分析儀是明智的選擇。

　　3  控制窯內(nèi)通風(fēng)量手段的沿革

　　讓我們回顧一下20世紀(jì)80年代初伯力鳩斯公司對(duì)三次風(fēng)管取舍的意見(jiàn)。

　　當(dāng)時(shí)伯力鳩斯公司認(rèn)為：當(dāng)產(chǎn)量在2000～3000 t/d時(shí)，采用AT（Air Through）型分解爐窯比較合適；當(dāng)產(chǎn)量＞3 000 t/d時(shí)，采用AS（Air Separate）型分解爐窯比之AT型的具有窯襯使用壽命長(zhǎng)久的巨大優(yōu)勢(shì)，綜合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯[2]。

　　自從有了三次風(fēng)管之后，二、三次風(fēng)的分配比例及手段經(jīng)歷了巨大變化。起先，為了保證三次風(fēng)量足夠大，在窯支路的窯尾部位設(shè)置了閘板閥以備必要時(shí)壓低窯內(nèi)通風(fēng)量來(lái)確保三次風(fēng)風(fēng)量，體現(xiàn)出給爐提供新鮮空氣特別優(yōu)先的設(shè)計(jì)思想。其實(shí)，在生產(chǎn)中有的生產(chǎn)線一次都未曾關(guān)小過(guò)。與此同時(shí)，將三次風(fēng)管有效內(nèi)徑設(shè)計(jì)得大大的，以至運(yùn)行中熟料小顆粒沉積嚴(yán)重，有的甚至達(dá)五分之二有效內(nèi)徑的沉積高度。幾年后，窯尾閘板閥被拋棄，三次風(fēng)路增設(shè)了閘板閥且有效內(nèi)徑縮小。但三次風(fēng)閘板閥存在明顯的先天不足（下文將細(xì)述）?，F(xiàn)在眾多生產(chǎn)線該閘板閥名存實(shí)亡，紛紛采用往里扔廢磚頭的土辦法。其缺點(diǎn)是調(diào)風(fēng)粗放，且偏流嚴(yán)重。于是，產(chǎn)生了在管道內(nèi)以抗磨耐火磚砌筑縮口的辦法。

　　筆者觀察認(rèn)為：在預(yù)分解技術(shù)發(fā)展的早期階段，有三次風(fēng)管取舍之爭(zhēng)，主張?jiān)O(shè)置三次風(fēng)管的則偏重于優(yōu)先保證三次風(fēng)擁有很大的風(fēng)量；中期階段，在三次風(fēng)管內(nèi)局部阻力系數(shù)可調(diào)，使兩個(gè)并聯(lián)支路中阻力相對(duì)于生產(chǎn)需求而言偏小的三次風(fēng)管風(fēng)量得到粗放的控制；現(xiàn)階段，預(yù)分解技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但二、三次風(fēng)風(fēng)量的比例優(yōu)化問(wèn)題明顯落后。要解決認(rèn)識(shí)問(wèn)題，要落實(shí)風(fēng)量比例分配的手段優(yōu)化。有人主張“三次風(fēng)閘板閥以‘某某開(kāi)度為最優(yōu)’”；也有人不顧“障礙物”的形狀尺寸、統(tǒng)統(tǒng)以“某某通風(fēng)面積為最佳”。甚至都認(rèn)為其主張是“放之四海而皆準(zhǔn)”的。筆者認(rèn)為：如前面所述，情況復(fù)雜多變，這種以“不變應(yīng)萬(wàn)變”是脫離實(shí)際的，理論上也講不通。

　　4   三次風(fēng)管改筑縮口的嘗試

　　J廠預(yù)分解窯生產(chǎn)線對(duì)窯內(nèi)O₂富余量十分敏感。雖然原燃料硫堿比一般尚可，但只要窯內(nèi)通風(fēng)量因種種原因有點(diǎn)緊張時(shí)，窯尾煙室物料就發(fā)粘，結(jié)皮明顯加劇，尤其在熟料SO₃達(dá)0.90以上時(shí)。遇到此類情況，一方面加強(qiáng)窯尾結(jié)皮清理，另一方面減產(chǎn)而不減設(shè)備C1筒出口的抽力，通常效果尚算明顯。這證明窯內(nèi)通風(fēng)量富余過(guò)小，未能適應(yīng)窯內(nèi)通風(fēng)量日常的需求波動(dòng)。該生產(chǎn)線三次風(fēng)閘板閥早就被熟料細(xì)粒磨蝕到盡頭，代之以在熱態(tài)中扔廢磚。扔廢磚不花錢(qián)，但磚堆高度常因高處的磚被風(fēng)吹跑而難保穩(wěn)定；況且即使高度相同，這個(gè)障礙物的幾何形狀和尺寸也難保相同，導(dǎo)致局部阻力系數(shù)差異較大；另外，與閘板一樣，偏流嚴(yán)重，常致殼體磨穿燒穿。閘板閥備有密封風(fēng)機(jī)，既使閥體襯料遭受熱震，又鼓入冷風(fēng)，加上閘板閥漏風(fēng)和殼體破損漏風(fēng)，冷風(fēng)摻入取代了窯頭罩的部分熱風(fēng)，使三次風(fēng)溫低至750 ℃左右。如果恢復(fù)閘板閥，則價(jià)格高，更換費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而使用周期不到一年（質(zhì)量一般的，幾個(gè)月就報(bào)廢）。因此在長(zhǎng)期對(duì)該窯進(jìn)行運(yùn)行觀察的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于前述的思想，決定對(duì)有效內(nèi)徑Ф1800管道內(nèi)筑Ф900×1000的縮口，同時(shí)把閘板閥升降口用澆注料封死。改后偏流消失，漏風(fēng)徹底獲得解決，三次風(fēng)溫上升了200 ℃。另外，窯內(nèi)通風(fēng)量上升使?fàn)t下部錐體縮口風(fēng)速上升，塌料現(xiàn)象得以根除。凡此，都為減少頭煤用量創(chuàng)造了條件，也有利于熟料質(zhì)量的提高及延長(zhǎng)窯襯和三次風(fēng)管襯料的使用壽命。

　　在三種不同條件下運(yùn)行，扔廢磚和筑縮口兩種狀態(tài)下?tīng)t出口負(fù)壓與三次風(fēng)負(fù)壓的關(guān)系在數(shù)值范圍方面大體相當(dāng)，而去縮口狀態(tài)則負(fù)壓明顯偏低。這同去縮口狀態(tài)時(shí)喂料量一直偏低有關(guān)，但主要還是去縮口狀態(tài)三次風(fēng)管內(nèi)“障礙物”去除后阻力很小之故?？涨暗牡妥枇κ谷物L(fēng)暢行無(wú)阻而風(fēng)量大增，窯內(nèi)通風(fēng)則大為削弱，兩個(gè)并聯(lián)支路的總阻力變小使出爐負(fù)壓明顯降低。運(yùn)行表明，去縮口狀態(tài)下窯后半部嚴(yán)重結(jié)圈持續(xù)半個(gè)來(lái)月，窯內(nèi)還原氣氛始終難以避免，產(chǎn)量低，熟料質(zhì)量差，單位熟料的熱耗電耗居高不下，窯尾結(jié)皮明顯增加，生產(chǎn)陷入空前的被動(dòng)局面。筑縮口狀態(tài)則恰恰相反，其實(shí)踐發(fā)現(xiàn)有如下特點(diǎn)：[Page]

　?。?）窯尾結(jié)皮大大減少，通風(fēng)阻力不高、且相對(duì)穩(wěn)定，窯尾排風(fēng)的單位產(chǎn)量電耗下降。

　?。?）燒成帶窯皮伸長(zhǎng)3 m左右，總長(zhǎng)接近20 m，且相當(dāng)穩(wěn)定。

　?。?）分解爐下錐塌料入窯的現(xiàn)象消失，窯頭用煤量穩(wěn)定。這就為提高爐煤比例提供了客觀條件，使頭煤在總用煤量中的比例下降至32%左右，為提產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

　　以上窯內(nèi)通風(fēng)量正反實(shí)踐的結(jié)論與前述國(guó)外實(shí)驗(yàn)在趨勢(shì)上完全吻合，以生產(chǎn)運(yùn)行的事實(shí)支持了窯內(nèi)O₂應(yīng)適度富裕控制的觀點(diǎn)。

　　理論與實(shí)踐告訴我們，高風(fēng)速區(qū)降風(fēng)速對(duì)減少風(fēng)阻特別有效。應(yīng)該減少入爐生料量的瞬間波動(dòng)，提高撒料均勻性，避免產(chǎn)生一股股強(qiáng)有力的下沖料來(lái)降低爐下錐體縮口風(fēng)速的要求值，謀求以相對(duì)的低風(fēng)速降低阻力，并避免塌料發(fā)生。另外，窯和窯尾煙室的交接處縮口通風(fēng)面積特低，可以對(duì)斜坡斜對(duì)面的澆注料懸拱進(jìn)行倒角以擴(kuò)大通風(fēng)面積。改善澆注料的抗結(jié)皮性能，最大程度地減少窯尾結(jié)皮，改善結(jié)皮和堆積物的清掃等等，依然是減少并穩(wěn)定窯支路通風(fēng)阻力的重要手段。

　　另外，縮口的一個(gè)缺點(diǎn)是筑后不能調(diào)節(jié)風(fēng)量。將筑縮口與縮口內(nèi)少量堆磚結(jié)合起來(lái)，可提高風(fēng)量調(diào)節(jié)的靈活性。

　　5  結(jié)束語(yǔ)

　?。?）窯內(nèi)通風(fēng)量適度偏高控制首先針對(duì)窯內(nèi)燃燒用O₂。窯內(nèi)O₂量適度富裕對(duì)改善我國(guó)當(dāng)前眾多預(yù)分解窯的運(yùn)行應(yīng)該有重大的意義。

　?。?）隨生料和燃料入窯的硫堿比例失調(diào)容易導(dǎo)致窯尾結(jié)皮。但把結(jié)皮原因都?xì)w結(jié)為硫堿比失調(diào)并不合理。硫堿比失調(diào)時(shí)窯內(nèi)出現(xiàn)的還原氣氛對(duì)結(jié)皮有推波助瀾的作用，而此時(shí)如果窯內(nèi)O₂量適度富裕會(huì)使結(jié)皮有所緩解。硫堿比在正常范圍內(nèi)而窯內(nèi)還原氣氛嚴(yán)重照樣會(huì)嚴(yán)重結(jié)皮（這正是許多生產(chǎn)線熱工不穩(wěn)的主因）。我們應(yīng)該更多關(guān)注窯尾各部位有害元素富集凝聚的機(jī)理，不能老是止步于入窯硫堿比，而長(zhǎng)期無(wú)視有害元素在燃燒帶的揮發(fā)率高低差異帶來(lái)的重大影響。

　?。?）窯內(nèi)通風(fēng)量適度偏高控制要從供給和需求兩方面去努力。根據(jù)C1筒出口氣體成分合理調(diào)整系統(tǒng)總抽力并對(duì)二、三次風(fēng)量分配比例進(jìn)行優(yōu)化是一方面，設(shè)法減少并穩(wěn)定頭煤用量是十分重要的另一方面。

　　（4）要嚴(yán)格控制漏風(fēng)對(duì)窯內(nèi)通風(fēng)量和預(yù)熱分解區(qū)域O₂控制的干擾。

　?。?）定量地了解窯內(nèi)通風(fēng)量是否完全滿足減少SO₃在高溫帶揮發(fā)的需求，目前最理想的手段還是窯尾煙室煙氣的氣體成分分析，由O₂、CO含量來(lái)判斷。

　?。?）窯內(nèi)通風(fēng)量要求滿足多方面的需要。以三次風(fēng)管縮口作控制手段，縮口的形狀尺寸取決于滿足方方面面正當(dāng)要求后窯內(nèi)通風(fēng)量的最低值。隨著三次風(fēng)和窯內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量分配比例的精細(xì)優(yōu)化，與閘板閥、堆廢磚相比，筑縮口（輔之以少量堆磚）具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　參考文獻(xiàn)

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