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水泥先進燒成系統的技術特征與運行參數

發布時間:2016-04-05 10:58:52

燒成系統是水泥生產線主要工序之一,對水泥企業生產效益有十分重要的影響,為了推進燒成系統的技術進步,我們根據多年來對燒成系統的優化改造經驗,對國外更合理的制造工藝技術的深入研究和實踐,針對國內燒成系統的技術現狀,提出了“先進燒成系統的特征和技術性能”的課題,對“先進燒成系統的特征和技術性能”進行了深入研究和實踐。本文就我們在國內外已經應用成功的一些具有穩定性能的技術的特征和內容與各位從事燒成技術研究和實踐的同行們探討。

一、先進燒成系統的技術

1、低氮燃燒器

燃燒器(通稱噴煤管)是水泥熟料燒成系統較重要的設備之一。

國內能夠見到的不同結構和規格的噴煤管有180種(類)之多。噴煤管結構、參數和使用技巧,直接影響著熟料的質量、熱耗、耐火磚的壽命、系統的運轉率以及熟料的成本。在熟料燒成技術發展到今天這樣的高水平時,對噴煤管的要求已經不僅僅是不掃窯皮、火焰形狀比較好調整那么簡單的要求了,已賦予它更高的功能——氮氧化物形成量低和用煤量低。

根據我們對國內外從700~10000t/d數十條生產線的噴煤管的調試、使用以及分析研究,總結出了真正低氮燃燒器應有的特點:

(1)頭部結構合理。頭部風道的排列順序為:直流外凈風、旋流內凈風、煤風、中心風;所有風道的截面積可以在使用中進行調節,以保證工況變化時可以容易地保證火焰的形狀和溫度狀況隨之改變。

(2)配備長徑比合理的標準攏焰罩,避免產生峰值溫度,提高煤粉的燃盡率,使窯內溫度分布合理。

(3)采用火焰穩定器,使火焰受喂煤量、煤質和窯情變化波動的影響小,火焰更加穩定。

(4)凈風風量≤6%,工作壓力≤36kPa。

(5)使用中能保證在窯內較低過剩空氣系數≤1.05的工況下正常使用,而不降低熟料質量。圖7低氮燃燒器頭部結構

(6)火焰的形狀能使整個燒成帶具有強而均勻的熱輻射,有利于熟料結粒、礦物晶相正常發育,防止燒成帶揚塵,并能提高熟料質量。

(7)能夠形成穩定厚度均勻堅固的窯皮,穩定窯內工況,延長耐火磚使用壽命。

但是,國際上公認的幾種符合上述條件的低氮燃燒器,都存在控制窯內工況的能力差,容易降低熟料質量的缺陷。這種缺陷主要表現在火焰的剛性較弱,在因為各種原因導致窯內工況波動而影響熟料質量,特別是游離鈣跑高的時候,比較難以迅速得以控制。

我們在對國際上有名的低氮燃燒器進行結構和參數優化之后,發現低氮燃燒器在使用中與一般燃燒器不同的方面:

(1)噴煤管的大推力和剛性火焰的產生,不是僅僅凈風壓力大,風速高壓力就行的,主要是風速和各自風量的合理匹配后形成的,僅僅提高一次風速造成大推力的狀態,很容易產生更多的熱力氮。

(2)低氮燃燒器需要通過對應的操作技術,即采用不同的定位原則(例如不能偏向料來燒)和采用水泥工藝學中合理的燒成操作制度來保證其使用性能,而不能采用短焰急燒的燒成操作制度。

調整并使用好的低氮燃燒器,不但可以解決熟料質量容易降低的問題,并且還有提高熟料質量(提高游離鈣合格率降低平均值)的作用,同時使燒成帶窯皮的長度達到標準的5d。這些都為提高熟料質量、降低熱耗創造了條件。

2、篦冷機縱向控制流固定床技術

篦冷機是燒成系統中直接影響熟料質量、熟料易磨性和熱耗的關鍵設備之一。在決定熟料質量的因素中,它是可以改變的因素之一。在決定系統熱耗的因素中,它又是較基礎的條件。在系統的空氣平衡鏈里,它是較重要的一個環節。

在過去,人們較關注的是篦冷機的熱交換效率,后來又關注不漏料和減少用風量,這些都是有必要的。對于采用什么傳動方式的問題,其實已經不是很重要了。因為在解決了熟料的冷卻效果后,如果篦床上的熟料底層能夠形成均勻的冷料層,并在風機性能有保證的情況下,形成懸浮狀態時,篦床運動的阻力是很小的。

但是,篦冷機內存在熟料的“冷卻狀態”這一關鍵問題卻沒有引起人們的特別關注。對篦冷機內零壓點合理確定和合理控制的問題也被放在了次要一些的位置。

十多年前,我們合作的一個外國公司,注意到了熟料急冷的問題,并由此改變了篦冷機固定床和這部分篦板的設計。特別是篦板的供風方式和篦板的表面結構,由原來的按“行”由充氣梁供風,改為與熟料流動方向相同的縱向按“列”風室供風。并在每列篦板的供風中使用了流量控制閥,這種供風方式符合了熟料在高溫落料端堆積時會產生離析現象需要供風不一樣的要求。通過這兩種改變,很好地解決了熟料急冷和篦冷機堆雪人的問題。這項技術在歐洲等國家應用得比較好。正常工作中,二次風溫可以達到1150℃以上,小窯頭罩的情況下可以達到1180℃以上,同時熟料的強度可以提高1~4MPa。但是,其在國內水泥廠的應用中沒有穩定地出現這種效果,或者是說在2500t/d以上的生產線中沒有出現。正如前文所說:不同地域(或海拔高度)的石灰石和硅質原料都會對熟料產生嚴重的影響。我們發現了這種不同直接影響了熟料在篦冷機篦床上的堆積狀態,這種堆積狀態直接影響了熟料的冷卻狀態和冷卻效果。

經過多年的實驗和探討,在解決這種問題的過程中,我們優化了這種結構,同時補充完善了對篦冷機的多種認識。

(1)篦冷機內存在熟料的冷卻效率和冷卻狀態兩個方面的問題。冷卻效率高的篦冷機,熟料的冷卻狀態不一定好,很多篦冷機配套了推雪人裝置就說明了這一點。而冷卻狀態好的篦冷機(急冷效果好)冷卻效率肯定會高,其生產能力也可以達到55t/(m2·d)。

(2)熟料急冷效果好并冷卻狀態合理時,二次風溫會高達1150℃以上,小窯頭罩的情況下可以達到1180℃以上,同時熟料的強度可以提高1~4MPa。

(3)篦冷機內的零壓點是計算出來的,并要在操作中進行控制。

(4)急冷效果好的篦冷機,在二次風溫達到1150℃以上時,必須要保證零壓點之內的風機滿負荷運行,這時才能對熟料產生急冷,二次風溫才會對系統的節能降耗起到明顯的作用。否則單純的依靠增厚料層、降低風機負荷率來提高的二次風溫以及盲目地追求提高二次風溫的操作方法,對系統的貢獻是有限的。

經過優化設計的縱向控制流固定床可以滿足更好的熟料冷卻狀態,并能在零壓點內風機運行在額定負荷的時候(借助電器控制),保證熟料的急冷效果和二次風溫達到1150℃以上。

二、先進燒成系統的運行參數與熟料質量

采用上述技術的燒成系統,在工藝參數互相匹配的情況下,會產生“1+12”的效果;還會促進其他一些成熟技術的應用,例如新的操作技術,從而使這個燒成系統具有穩定性,這種穩定性在運行參數上就能表現出來。

其在運行參數方面的表現特點是:

(1)熱耗小于95~100kg標煤/t熟料(熟料強度≥56MPa);

(2)出口NOx減少30%~50%;

(3)二次風溫>1150℃(風機負荷率95%);

(4)三次風溫>1000℃(距離分解爐柱體2.5m);

(5)在分解爐實際控制溫度≤860℃時入窯物料分解率≥95%;

(6)噴煤管定位在中心線以上(0,50);

(7)三次風管閥門開度>85%,壓力損失<300Pa;

(8)出口壓力比同類型的低200~1000Pa;

(9)燒成帶窯皮平整、堅固,且長度≥5d;

(10)在環境溫度25℃,耐火磚使用時間10個月內,回轉窯筒體冷卻風機可以不用;

(11)篦冷機冷卻風量≤1.6m3/kg熟料;

(12)系統運行穩定,可以長時間不調整。

采用這些技術后的燒成系統生產出的熟料也有其特點:

(1)熟料質量穩定,月合格率95%;

(2)游離氧化鈣平均值下降0.2%~0.5%;

(3)熟料強度比同類窯型和原料條件的高1~4MPa;

(4)熟料顆粒均勻,碎顆粒少,色澤合理。

燒成系統技術性能的大的突破,必須有創新的理念和創新的技術。而特殊的理念和原理,都有一個應用技術發展的過程,不是只要應用了先進原理就能實現特殊的效果。這里還有應用技術水平的問題。這就像前面所說的分級燃燒技術一樣,應用技術的不足,可能會導致沒有效果或是效果更不好。

同時采用上述燒成技術后,還應該配套采用一些輔助技術,這樣就可以穩定地達到預期效果,這應該是水泥行業在當前環境下追求的目標。特殊的燒成系統在運行中可以明顯地降低系統熱耗,減少氮氧化物的生成量和氨水的使用量,同時提高了熟料的質量和強度。這些都完全符合國家對傳統行業和高能耗產業的技術進步要求。也是水泥生產技術管理者和技術人員努力爭取實現的目標。

燒成系統是水泥生產線主要工序之一,對水泥企業生產效益有十分重要的影響,為了推進燒成系統的技術進步,我們根據多年來對燒成系統的優化改造經驗,對國外更合理的制造工藝技術的深入研究和實踐,針對國內燒成系統的技術現狀,提出了“先進燒成系統的特征和技術性能”的課題,對“先進燒成系統的特征和技術性能”進行了深入研究和實踐。本文就我們在國內外已經應用成功的一些具有穩定性能的技術的特征和內容與各位從事燒成技術研究和實踐的同行們探討。

一、先進燒成系統的技術

1、低氮燃燒器

燃燒器(通稱噴煤管)是水泥熟料燒成系統較重要的設備之一。

國內能夠見到的不同結構和規格的噴煤管有180種(類)之多。噴煤管結構、參數和使用技巧,直接影響著熟料的質量、熱耗、耐火磚的壽命、系統的運轉率以及熟料的成本。在熟料燒成技術發展到今天這樣的高水平時,對噴煤管的要求已經不僅僅是不掃窯皮、火焰形狀比較好調整那么簡單的要求了,已賦予它更高的功能——氮氧化物形成量低和用煤量低。

根據我們對國內外從700~10000t/d數十條生產線的噴煤管的調試、使用以及分析研究,總結出了真正低氮燃燒器應有的特點:

(1)頭部結構合理。頭部風道的排列順序為:直流外凈風、旋流內凈風、煤風、中心風;所有風道的截面積可以在使用中進行調節,以保證工況變化時可以容易地保證火焰的形狀和溫度狀況隨之改變。

(2)配備長徑比合理的標準攏焰罩,避免產生峰值溫度,提高煤粉的燃盡率,使窯內溫度分布合理。

(3)采用火焰穩定器,使火焰受喂煤量、煤質和窯情變化波動的影響小,火焰更加穩定。

(4)凈風風量≤6%,工作壓力≤36kPa。

(5)使用中能保證在窯內較低過剩空氣系數≤1.05的工況下正常使用,而不降低熟料質量。圖7低氮燃燒器頭部結構

(6)火焰的形狀能使整個燒成帶具有強而均勻的熱輻射,有利于熟料結粒、礦物晶相正常發育,防止燒成帶揚塵,并能提高熟料質量。

(7)能夠形成穩定厚度均勻堅固的窯皮,穩定窯內工況,延長耐火磚使用壽命。

但是,國際上公認的幾種符合上述條件的低氮燃燒器,都存在控制窯內工況的能力差,容易降低熟料質量的缺陷。這種缺陷主要表現在火焰的剛性較弱,在因為各種原因導致窯內工況波動而影響熟料質量,特別是游離鈣跑高的時候,比較難以迅速得以控制。

我們在對國際上有名的低氮燃燒器進行結構和參數優化之后,發現低氮燃燒器在使用中與一般燃燒器不同的方面:

(1)噴煤管的大推力和剛性火焰的產生,不是僅僅凈風壓力大,風速高壓力就行的,主要是風速和各自風量的合理匹配后形成的,僅僅提高一次風速造成大推力的狀態,很容易產生更多的熱力氮。

(2)低氮燃燒器需要通過對應的操作技術,即采用不同的定位原則(例如不能偏向料來燒)和采用水泥工藝學中合理的燒成操作制度來保證其使用性能,而不能采用短焰急燒的燒成操作制度。

調整并使用好的低氮燃燒器,不但可以解決熟料質量容易降低的問題,并且還有提高熟料質量(提高游離鈣合格率降低平均值)的作用,同時使燒成帶窯皮的長度達到標準的5d。這些都為提高熟料質量、降低熱耗創造了條件。

2、篦冷機縱向控制流固定床技術

篦冷機是燒成系統中直接影響熟料質量、熟料易磨性和熱耗的關鍵設備之一。在決定熟料質量的因素中,它是可以改變的因素之一。在決定系統熱耗的因素中,它又是較基礎的條件。在系統的空氣平衡鏈里,它是較重要的一個環節。

在過去,人們較關注的是篦冷機的熱交換效率,后來又關注不漏料和減少用風量,這些都是有必要的。對于采用什么傳動方式的問題,其實已經不是很重要了。因為在解決了熟料的冷卻效果后,如果篦床上的熟料底層能夠形成均勻的冷料層,并在風機性能有保證的情況下,形成懸浮狀態時,篦床運動的阻力是很小的。

但是,篦冷機內存在熟料的“冷卻狀態”這一關鍵問題卻沒有引起人們的特別關注。對篦冷機內零壓點合理確定和合理控制的問題也被放在了次要一些的位置。

十多年前,我們合作的一個外國公司,注意到了熟料急冷的問題,并由此改變了篦冷機固定床和這部分篦板的設計。特別是篦板的供風方式和篦板的表面結構,由原來的按“行”由充氣梁供風,改為與熟料流動方向相同的縱向按“列”風室供風。并在每列篦板的供風中使用了流量控制閥,這種供風方式符合了熟料在高溫落料端堆積時會產生離析現象需要供風不一樣的要求。通過這兩種改變,很好地解決了熟料急冷和篦冷機堆雪人的問題。這項技術在歐洲等國家應用得比較好。正常工作中,二次風溫可以達到1150℃以上,小窯頭罩的情況下可以達到1180℃以上,同時熟料的強度可以提高1~4MPa。但是,其在國內水泥廠的應用中沒有穩定地出現這種效果,或者是說在2500t/d以上的生產線中沒有出現。正如前文所說:不同地域(或海拔高度)的石灰石和硅質原料都會對熟料產生嚴重的影響。我們發現了這種不同直接影響了熟料在篦冷機篦床上的堆積狀態,這種堆積狀態直接影響了熟料的冷卻狀態和冷卻效果。

經過多年的實驗和探討,在解決這種問題的過程中,我們優化了這種結構,同時補充完善了對篦冷機的多種認識。

(1)篦冷機內存在熟料的冷卻效率和冷卻狀態兩個方面的問題。冷卻效率高的篦冷機,熟料的冷卻狀態不一定好,很多篦冷機配套了推雪人裝置就說明了這一點。而冷卻狀態好的篦冷機(急冷效果好)冷卻效率肯定會高,其生產能力也可以達到55t/(m2·d)。

(2)熟料急冷效果好并冷卻狀態合理時,二次風溫會高達1150℃以上,小窯頭罩的情況下可以達到1180℃以上,同時熟料的強度可以提高1~4MPa。

(3)篦冷機內的零壓點是計算出來的,并要在操作中進行控制。

(4)急冷效果好的篦冷機,在二次風溫達到1150℃以上時,必須要保證零壓點之內的風機滿負荷運行,這時才能對熟料產生急冷,二次風溫才會對系統的節能降耗起到明顯的作用。否則單純的依靠增厚料層、降低風機負荷率來提高的二次風溫以及盲目地追求提高二次風溫的操作方法,對系統的貢獻是有限的。

經過優化設計的縱向控制流固定床可以滿足更好的熟料冷卻狀態,并能在零壓點內風機運行在額定負荷的時候(借助電器控制),保證熟料的急冷效果和二次風溫達到1150℃以上。

二、先進燒成系統的運行參數與熟料質量

采用上述技術的燒成系統,在工藝參數互相匹配的情況下,會產生“1+12”的效果;還會促進其他一些成熟技術的應用,例如新的操作技術,從而使這個燒成系統具有穩定性,這種穩定性在運行參數上就能表現出來。

其在運行參數方面的表現特點是:

(1)熱耗小于95~100kg標煤/t熟料(熟料強度≥56MPa);

(2)出口NOx減少30%~50%;

(3)二次風溫>1150℃(風機負荷率95%);

(4)三次風溫>1000℃(距離分解爐柱體2.5m);

(5)在分解爐實際控制溫度≤860℃時入窯物料分解率≥95%;

(6)噴煤管定位在中心線以上(0,50);

(7)三次風管閥門開度>85%,壓力損失<300Pa;

(8)出口壓力比同類型的低200~1000Pa;

(9)燒成帶窯皮平整、堅固,且長度≥5d;

(10)在環境溫度25℃,耐火磚使用時間10個月內,回轉窯筒體冷卻風機可以不用;

(11)篦冷機冷卻風量≤1.6m3/kg熟料;

(12)系統運行穩定,可以長時間不調整。

采用這些技術后的燒成系統生產出的熟料也有其特點:

(1)熟料質量穩定,月合格率95%;

(2)游離氧化鈣平均值下降0.2%~0.5%;

(3)熟料強度比同類窯型和原料條件的高1~4MPa;

(4)熟料顆粒均勻,碎顆粒少,色澤合理。

燒成系統技術性能的大的突破,必須有創新的理念和創新的技術。而特殊的理念和原理,都有一個應用技術發展的過程,不是只要應用了先進原理就能實現特殊的效果。這里還有應用技術水平的問題。這就像前面所說的分級燃燒技術一樣,應用技術的不足,可能會導致沒有效果或是效果更不好。

同時采用上述燒成技術后,還應該配套采用一些輔助技術,這樣就可以穩定地達到預期效果,這應該是水泥行業在當前環境下追求的目標。特殊的燒成系統在運行中可以明顯地降低系統熱耗,減少氮氧化物的生成量和氨水的使用量,同時提高了熟料的質量和強度。這些都完全符合國家對傳統行業和高能耗產業的技術進步要求。也是水泥生產技術管理者和技術人員努力爭取實現的目標。

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