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如何操作好分解炉
2019-05-07

对于窑外分解窑来说,分解炉是其核心部分,它不仅承担了系统中燃料燃烧,气固换热,碳酸盐分解的任务,而且对整个烧成系统的热力分布,热工制度的稳定起着至关重要的作用,虽然现在应用的分解炉型式众多,结构各异,但其特点和具有的功能基本上都是一样的,都属于高温气固多相流反应器,且具有悬浮床的特征。

对于中控窑操作者来说:分解炉温度(包括分解炉本体温度和出口温度)是最重要的检测控制参数之一,因为它不但表征了生料在分解炉内的预分解情况,也就是生料在分解炉中分解率的高低(分解率的高低直接影响着回转窑运转的稳定性和熟料产、质量以及能耗的高低);同时也表征了燃料在分解炉中的燃烧情况。

因此,作为中控窑操作员来说,要想操作好预分解窑,首先必须保证分解炉的热工制度稳定,要想使分解炉的热工制度稳定,就必须搞清楚以下几个问题:

(1)燃料在分解炉中的燃烧传热特性及其影响因素;

(2)生料在分解炉中的吸热分解速度及其影响因素;

(3)气流在分解炉中运动对燃料燃烧放热和生料分解吸热的影响;         

(4)分解炉温度高低对回转窑煅烧的影响;

(5)分解炉温度调节控制的原则与方法;

(6)分解炉温度异常情况的原因与处理等。

下面就这几个问题谈一下个人的看法与认识。不足之处,尚请指正。

一、燃料在分解炉中的燃烧、传热特性及其影响因素

1.燃料在分解炉中的燃烧特性

在分解炉中,燃料的燃烧传热特性与回转窑内燃料的燃烧传热特性有着本质上的区别。回转窑内燃料的燃烧是扩散控制的过程,其火焰必须与回转窑内的煅烧制度相适应,即要求有一定的火焰形状、长度和温度。通常我们所说的火焰形状为“毛笔头状”、“棒槌状”以及不正常时形成的“球形”火焰,“舔料形”火焰 等就是这一特征的体现。而当煤粉颗粒喷入分解炉后,在旋流和喷腾作用的影响下,使得煤粉颗粒浮游于热气流中,经过预热,分解——煤中的挥发分吸收热量放出氮、氢、氧等,燃烧发出光和热,形成一个一个的小火星,无数的煤粉颗粒便形成无数个迅速燃烧的小火星,这些小火星实质上也就是一个个的小火焰,它们在气流的悬浮作用下充满整个分解炉,从而在整个分解炉内都形成燃烧区。但是从整体上却看不到一定轮廓的有形火焰。因此分解炉中煤粉的燃烧并不是一般意义上的无焰燃烧,而是充满全炉的无数小火星组成的燃烧反应。也有人把分解炉内的燃烧称之为辉焰燃烧,这是因为分解炉内的料粉颗粒是散布于高温燃烧的热气流中,当料粉颗粒受热达一定温度后,固体颗粒也会发出光、热辐射而呈辉焰状态。

2.分解炉中的传热特性

分解炉内的传热主要以对流为主,约占99%,其次是辐射传热。进入炉内的煤粉和生料粉悬浮于炉内热气流中,燃料燃烧将气流加热至高温,高温气流同时以对流的方式传热给物料。由于气固两相充分接触,所以其传热速率非常高。我们知道,辐射传热速率随温度的四次方而变化,温度越高传热速率越快,辐射传热能力也越强,在分解炉中,气流温度只有900℃左右,其辐射能力远远不及回转窑燃烧带的辐射能力,但是在炉中有大量的CaCO3分解,放出很多CO2气体(每100公斤CaCO3分解放出44公斤的CO2气体)同时,气流中又含有很多的细粉颗粒,这就增大了炉中热气流的辐射传热能力,这种辐射传热虽然只占分解炉内总传热量的1%,但是却对全炉的温度均匀分布极为有利。由于分解炉中燃料与物料是以悬浮态混合在一起的,燃料燃烧放出的热量立刻被物料吸收,当燃料燃烧快,放热快时,分解也就快,当燃料燃烧慢时,则放热也就慢,由于分解反应的吸热抑制了燃烧温度的提高,从而导致在分解炉中气流温度在正常情况下基本恒定在900℃左右。

3.影响燃料在分解炉中燃烧传热特性的因素

影响燃料在分解炉中燃烧和传热的因素很多 ,如温度、三次风温、煤粉细度、水分、煤质、煤粉的分散悬浮程度,停留时间、过剩空气系数等,但最重要的是分解炉内温度、三次风温和煤质。

1)分解炉内温度

在传统的回转窑中,煅烧带气流温度一般在1600~1700℃,物料温度在1350℃~1450℃,温度每增减10℃~20℃对于回转窑内煤粉的燃烧来说其影响很小,但对分解炉的影响却很大。在分解炉中,生料分解在接近平衡的条件下进行时,炉内温度一般在860℃~920℃之间,这时如果温度有一点小小的变化,如升高或降低,都将打破原有的平衡状态,从而引起分解反应速度的大幅度升高或降低,因为CaCO3的分解反应对温度变化十分敏感,温度升高或降低都将引起反应速度常数的增加或降低。

2)三次风温

三次风温的高低对于分解炉中煤粉的燃烧起着至关重要的作用,特别是对灰分含量高,挥发分含量低的煤,影响更为显著,三次风温低,煤粉燃烧速度变慢,这就有可能发生不完全燃烧,未燃烬的煤粉颗粒随气流离开分解炉后继续燃烧,造成分解炉以后的系统超温、结皮,严重时引起堵塞。如果三次风温过高(有时甚至可达到1000℃以上),煤粉燃烧速度过快,放热快,热力集中,对于高挥发份的煤来说极易在分解炉内由于局部高温而形成结皮、堵塞甚至烧坏分解炉。

3)煤质

煤质对分解炉内温度的影响更为显著:当煤粉细度细、水分小、分散悬浮程度好、过剩空气合适时煤粉燃烧完全,满足了分解炉的要求,则可获得较高的燃烧效率;反之,则影响其性能发挥,严重时引起结皮、堵塞等工艺事故。另外,在回转窑中挥发分高的煤易形成 短焰急 烧,固定碳高的煤易形 长焰低温。当挥发分高的煤喷入分解炉 与高温三次风混合后迅速燃烧 ,极易在分解炉底部形成局部高温而产生结皮。如东源5000t/d线所用煤挥发分为31.7%,CDC分解炉经常结皮,影响正常工作;巨龙、三狮更甚,每班至少要清理2次,严重时一 班需要清理五到六次。

二、物料在分解炉中的吸热分解速度及其影响因素

在实际的生产过程中,影响物料分解速度的因素很多,情况也很复杂,但主要因素 是温度和物料 的物理、化学性质,而对于不同的反应容器,比如回转窑和分解炉来说,其情况又不尽相同,对于分解炉来说,影响炉内分解速度的因素有以下几点:

1.温度

温度是影响生料分解速度的最主要因素之一,一切物质间的反应都是以一定的温度为基础的,随着温度的升高,物质间分子相对运动速度加快反应速度增加,对于CaCO3分解反应来说,随着温度的升高,分解速度常数增加,分解用时间缩短,分解速度加快,温度越高,分解越快。

2.物料的物理化学性质

结构致密,结晶粗大的石灰石,因晶体间各离子键的相互作用力大,抵抗外来破坏的能力强,所需的作用力大,所以分解速度慢,而对于结构相对疏松的石灰石来说,因其抵抗外来破坏的作用力相对较弱,故分解反应较易进行。

3.生料的细度

生料粉的细度大,气固接触的表面积小,传热、传质速度慢,分解所需的时间长,而生料细度细,颗粒均匀,情况则相反。

4.生料的悬浮分散程度

悬浮分散性差,相对地就增大了生料粉的颗粒尺寸,减少了传热面积,改变了分解过程的性质,降低了分解率,生料悬浮分散程度是影响生料粉分解速度的又一个非常重要的因素,我们知道在传统的回转窑内CaCO3的分解速度主要取决于传热过程,但由于物料是以堆积状态存在于回转窑的底部,热气流从料层表面流过,热气流和耐火材料对物料的传热面积非常小,传热系数也不高,而且由于物料是以堆积状态存在,料层内的料粉仅靠传导的方式从上下料层和衬料中吸热,其传热速率非常缓慢。同时料层内颗粒被CO2气膜所包围,CO2分压很大,分解温度相对要求较高,从而使碳酸盐分解困难,而在分解炉中,物料是以悬浮态存在于热气流中,基本上可以看作是单颗粒的,其传热系数非常大,特别是传热面积非常大,这无异就增大了料粉与热气流的接触面积,有资料指出,在预热器和分解炉中,由于物料是以悬浮状态存在,其传热系数比回转窑高2.5—10倍,传热面积则比回转窑大1300~4000倍,在回转窑中CaCO3的分解在800℃~1100℃的温度下,通常需要15分钟以上,而在分解炉内,悬浮状态下850℃时,生料表观分解率达到85~95%的时间只需要几秒钟。这也是现代水泥生产工艺为何广泛采用分解炉的最根本原因。

5. CO2浓度

CO2浓度低,分压低,有利于碳酸盐的分解,分解炉中CO2浓度越低,分解反应进行得越快,因此,在生产操作过程中,应保证分解炉中良好的通风。

三、分解炉中气流运动对原燃料反应的影响

在分解炉中,燃料燃烧放热,悬浮状态传热,与物料分解吸热这三个过程是紧密结合 在一起的,只有燃烧放热速率与分解吸热速率相适应时,分解炉 才能发挥其应有的作用。因此,分解炉的大小首先应保证生料碳酸盐分解率符合要求(一般在85%-95%) 与燃料完全燃烬。而经实验得知,当生料预热到600℃进入分解炉内在悬浮状态下,900℃时需要约0.8秒,碳酸盐的分解率可达到85%,而挥发分为25%,细度为15%(0.08mm筛筛余)煤粉在850℃—900℃的分解炉内燃烧,经过0.8秒却没有燃烬,要1.5秒—2秒才能完全燃烬,煤粉完全燃烬所需的时间比碳酸盐分解所需的时间长得多,这就对分解炉和分解炉内气流的运动提出了特殊的要求,以适应物料吸热分解和燃料燃烧放热的需要。

一方面可以用增大分解炉的容积和降低炉内风速来解决,但对于现代化的大型干法窑外分解系统来说,片面的增大炉的容积,就增加了制造、安装的难度,在经济上也是不合理的;而降低风速,则减小了气流悬浮 输送物料的能力,制约了产量的提高也不行。

另一方面,我们也可以利用气流的旋风或喷腾效应,使气流在分解炉 内作旋风或喷腾运动,使物料滞后于气流,以满足分解炉的热工过程。所谓旋风或喷腾效应就是使预热器或分解炉中的气流作旋流或喷腾运动,由于离心力的影响,从而使物料滞后于气流的效应。

分解炉内的气流具有供氧燃烧,浮送物料,及作传热介质的多重作用,为获得良好的燃烧条件及传热效果,要求分解炉各部位保持一定风速,以使燃烧稳定,物料悬浮均匀。而在相同的断面风速下,气流直接流过分解炉与旋流或喷腾运动通过分解炉所需的时间是相同的,但对于生料和煤粉来说,由于气流的附壁效应所形成的离心力的影响,使其在炉内所走的路程与气流所走的路程大不相同,从而使其在炉内的停留时间大幅度延长,所以为使在一定的炉体容积内物料和燃料滞留时间长些,则要求气流在炉内呈旋流或喷腾状或两者的结合,使 气流与物料间产生相对运动,从而使料粉滞后。炉内的气流依靠附壁效应使其含尘量大幅度增加而又不产生落料现象,使料粉在炉内获得适当长的吸热分解时间。同时为了提高传热效率及生产效率,要求气流具有有适当高的料粉浮送能力,在加热分解同样的物料量时,缩小分解炉的容积,并提高热的有效利用率,在满足上述条件的前提下,要求分解炉有较小的流体阻力,以降低系统的动力消耗。

同样的道理,由于炉内的旋流或喷腾效应,煤粉便滞后于气流,使煤粉颗粒在炉内的停留时间大大延长,造成炉内煤粉浓度增大,这样也就使分解炉单位容积中燃烧颗粒总面积增加使总的燃烧速度增大,从而提高了分解炉单位容积的热负荷。

分解炉内旋流或喷腾效应对煤粉在炉内的停留时间影响很大,如果控制不好,就会大幅度地影响煤粉及生料在炉内的燃烧分解时间,很有可能使煤粉在炉内来不及燃烧而到炉后系统去继续燃烧,使物料的分解率下降,炉后系统超温。

四、分解炉温度高低对回转窑煅烧的影响

分解炉温度的高低不仅影响预分解系统的正常工作,而且对回转窑的正常煅烧也有很大的影响。

1. 分解炉温度低时对回转窑煅烧的影响

当分解炉内温度较低时,物料吸热不足,分解不完全,入窑生料表观分解率降低,未分解的物料进入回转窑后,进一步吸热,完成其分解反应过程,从而使回转窑内分解带相对延长,其余各带相对缩短,烧成带向窑头方向延伸,使原本就不长的冷却带变得更短,稍不注意,极容易损伤窑口护板。同时由于窑内吸热量的增加,相应的要用加大窑头用煤量的办法来补充热量,为保证煤粉完全燃烧,就要加大 窑内二次空气用量用于煤粉完全燃烧所需要的氧。这样一来,就会引起窑炉用风,用煤比例的波动,严重时,引起窑、炉、风煤比例失调;再者由于物料在窑内吸热,破坏了窑内正常的热工制度,引起物料压迫火焰,火焰形状不规整,火焰回缩等现象的发生,轻者窑速波动大,稳不住,熟料产质量下降,游离钙高,出现黄心料;重者窑内窜灰、跑生;更为严重的是:由于热工制度不稳,火焰形状不良,极容易引起窑内窑皮垮落、结圈、火焰冲刷腐蚀窑皮造成窑皮变薄,耐火砖受损,甚至红窑等事故的发生。因此,在日常的操作中,首先要保证入窑物料分解率在规定的范围内,同时尽量使其相对稳定,避免大的波动,以保证回转窑的正常稳定运行。

2. 分解炉温度过高时对回转窑煅烧的影响

当分解炉温度较高时,入窑分解率较高,窑内热负荷小,窑速快,热工制度稳定,熟料产、质量高,但这并不是说,分解炉内温度越高越好,分解率越高越好(如100%)。因为当生料还没完全分解时,燃料燃烧所放出的热量,除了用来将生料加热到分解温度以外,其余的全部用于生料中的碳酸盐的分解,这时炉内温度基本恒定,一般在850—950℃之间,当分解炉中分解用热量有余时,一但分解反应结束,多余的热量就用于加热炉内物料,这时炉内和炉出口温度就要急剧升高,这会导致分解炉内旋风筒中以及连接管道、下料管的结皮堵塞,而影响窑的运转,因此,入窑分解率应控制在一定范围内,一般要留出5%-10%的物料入窑分解,以使操作稳定,同时在分解炉中没有被分解的物料大部分是结粒比较大的,较难分解的。这些较难分解的物料喂入窑内后在较长的时间内煅烧,使碳酸盐分解较完全,这在经济上也是合理的。

五、分解炉温度调节控制的原则与方法

分解炉温度控制的原则是:不但要保证物料在炉内充分分解,达到要求的分解率,同时又要保证分解炉不超温,以避免由于温度过高而引起的结皮堵塞对整个烧成系统的稳定运转带来的不利影响。

对日常操作来说,分解炉温度调节方法有以下几点:

⒈调节燃料喂入量

分解炉用煤量的大小,主要是根据生料喂料量,入窑生料CaCO3分解率,C1和C5筒出口气体温度来调节的,分解炉的温度主要取决于燃料燃烧放出热量的多少,在通风量基本不变时,改变燃料加入量,在完全燃烧的条件下,就是改变了炉的发热量,在喂料量相同时,则是改&

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