一万吨预分解窑系统的热工分析

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1、10000t/d 预分解窑系统的热工分析 南京工业大学 材料科学与工程学院 徐州中联水泥有限公司徐州中联水泥有限公司 10000t/d 生产线于 2004 年 10 月投产，由天津水泥工业设计研 究院有限公司设计，是国内投入生产的第三条万吨生产线。该生产线于 2007 年 11 月开工 建设了由海螺川崎总包的 16MW 纯低温余热发电工程。其烧成系统采用 DOPOL 双系列五 级旋风预热器、在线型 MSC 管道式分解炉和 HE101845R/1845R 型篦式冷却机，窑规格为 5.8m/6.0m/6.4m90m。系统自 2004 年投产以来，曾出现窑尾结皮堵塞以及冷却机 “红河”等问题。为了对

2、该生产线烧成系统进行全面客观的评价，分析系统设计、运行和 操作中存在的问题，优化操作参数，进一步挖掘潜力，2009 年 4 月南京工业大学材料科学 与工程学院与徐州中联水泥有限公司合作，对该生产线烧成系统进行了一次热工检测。 1热工检测主要参数 在热工检测期间，该系统生产比较稳定，预分解窑系统流程见图 1。根据 JC/T733- 2007水泥回转窑热平衡测定方法以及 JC/T730-2007水泥回转窑热平衡、热效率、综 合能耗计算方法的规定进行了热工检测和测定结果计算。为系统地分析预热器和分解炉 的工作状况，检测中增加了 C2 出口及分解炉出口的生料分解率。主要检测结果见表 1表 6。表 1

3、物料化学成分及率值 化学成分/%率值项目LSAFCMK2ONa2OSO3LSFSMIM 生料35.813.042.792.2342.801.860.530.02199.07103.742.701.25 熟料0.1421.775.473.5264.452.240.940.0520.3198.8992.392.451.54表 2 煤粉工业分析 Mad/%Aad/%Vad/%FCad/%Qnet,ar/kJ/kg 1.6925.6526.3746.2921700表 3 窑尾系统主要部位气体成分 气体成分/%测点CO2O2CON2过剩空气系数 窑尾烟室10.40.81.287.61.009 分解炉出口

4、19.02.00.378.71.097 C1 出口33.61.60.264.61.096 C5 出口33.43.2063.41.234表 4 主要部位气体量、温度及压力项目三次风二次风冷却机排出气 体预热器出口废 气入冷却机空气标况下气体量 /(m3/h)18489410811980654620298922532温度/778113812032020 压力/Pa-274-184-5300表 5 主要支出热量项目熟料形成热预热器出口废 气显热冷却机排出空 气显热系统表面散热 损失出冷却机熟料 显热 支出热量/kJ/kg1747.15692.17437.59211.88111.41 所占百分比/%5

5、4.6021.6313.676.623.48表 6 预热器及分解炉出口温度及压力 C5 出口汇总风管C4 出口C3 出口C2 出口C1 出口项目ABABABABAB炉出口 炉中部 窑尾温度/3113304664876126346927157267598598401234压力/Pa-5270-5330-4280-4360-3390-3540-2730 -2850 -2180-2210-1520-870-680 物料表观分解率/%13.1814.27 94.0494.5189.7170.77 2结果分析结果分析 2.1熟料产量熟料产量 标定期间生料投料量为 16680t/d，熟料产量为 10393

6、t/d，超产近 4%。 2.2熟料单位热耗熟料单位热耗 测定期间发现窑头及分解炉的煤粉计量设备误差较大，校正前中控显示窑头、窑尾喂 煤量分别为 23t/h 和 25t/h，进行校正后，窑头实际喂煤量为 24.61t/h，分解炉实际喂煤量为 36t/h，窑、炉用煤量比例为 40.6:59.4，单位熟料热耗为 3038kJ/kg。 影响熟料烧成热耗的主要因素有 C5 出口废气、冷却机排出气体、出冷却机熟料带走 的热量和设备表面散热等。C5 出口废气、冷却机排出气体带走的热损失由风量和温度决定 （见表 4） ，风量愈大、风温愈高，带走的热量愈大。由表 5 可知，该生产线 C5 出口废气 带走热量、冷

7、却机排出气体带走热量、表面散热和出冷却机熟料带走热量共占总支出热量 的 45.40%，与国内其他带余热发电系统的生产厂家数据接近（如淮海中联 5000t/d 生产线 为 45.50%，同力 2#2500t/d 生产线为 46.12%） 。 2.3预热器预热器 预热器出口气体温度差可间接反映该级预热器的气固换热情况。由表 6 可见，预热器 温度分别没有倒挂现象，但是 C1 进出口气体温度差偏大。主要原因是 C1 下料管的翻板阀 失灵，存在内漏风现象，使得 C1 的分离效率降低，生料不能及时地被分离下来，在 C1 中 重复换热，从而导致 C1 进出口气体温度差偏大，因此在生产中要定期检查各部位运行

8、情 况，发现问题要及时处理，避免影响生产。 由表 6 可知，C1C5 的压力损失都不高，分别为 675 Pa、595 Pa、675 Pa、855 Pa 和 980 Pa，这与预热器采用了粗内筒、柱体螺旋进风和较大的进口面积等结构设计密切相关。 采用粗内筒可使预热器出口气体速度减小，柱体下降螺旋顶部进风有助于引导进入旋风筒 的气体沿柱体壁面逐渐向下锥体部分，减少了气流的冲撞，同时较大的进口面积也降低了 预热器的进口风速，这些都有助于减小旋风筒的压力损失。 2.4分解炉分解炉 MSC 在线管道式分解炉主要是加高上升烟道的上部并向下弯曲而成。管道型分解炉的 特点是结构简单，阻力相对减小，但是实际生产

9、中该分解炉转折多，阻力也不低。生料分 两层四点入分解炉，80%的物料分两路从分解炉锥体部分入炉，20%的物料分两路从分解 炉的中部入炉。三次风分两层三点进入分解炉，在分解炉锥体部分三次风分两路入炉，另 一路从分解炉的中部进入炉内（见图 1） 。这样设计的意图是通过调整风量及喂煤量，使得 分解炉下部三次风入口与中部三次风入口之间形成还原气氛，从而达到降低氮氧化物排放 浓度的目的，炉中部三次风管以上区域因中部三次风的加入形成氧化气氛，以保证一氧化 碳及燃料的完全燃烧。然而实际生产中，由于炉体中部进入的这部分三次风温度较低和 C2 来料的加入，造成分解炉内气体温度降低，影响到炉内煤粉燃烧和生料分解。

10、建议可把中 部入炉的两路三次风，或者调整燃料、生料入炉位置，在分解炉中部设置一个缩口，加强 喷腾效应，这样炉内气固两相的运动更加合理，有利于生料的分解和煤粉的燃烧。 由表 2 可知，根据分解炉出口废气成分分析的结果计算得出分解炉出口的过剩空气系 数为 1.097，但这并没有真实反映出分解炉内煤粉的机械不完全燃烧情况。该分解炉喂煤量 为 36t/h，根据测定的三次风量 184894m3/h（标态下）推算，分解炉过剩空气系数为 0.979，说明分解炉的三次风风量略显不足。生产中炉顶部弯管处容易积灰，使管道通风面 积变小，风速变大，阻力增加，因此应注意定时清理管道内积灰。 2.5回转窑回转窑 该生产

11、线窑头采用三通道燃烧器，实际生产过程中调节较为灵敏、方便，能满足不同 火焰的要求，熟料质量较好，fCaO 含量低（0.35%0.71%） ，升重在 128511g/L 范围内， 烧成带窑皮长度也较合理。 检测期间窑尾气体中始终有 CO 存在，多次测量的平均值为 1.08%，说明煤粉在窑内没 有完全燃烧。公司使用的燃料是西部煤掺加一部分当地煤，煤粉的工业分析见表 2。由于 煤岩组成的特殊性，西部煤（焦渣特性为 2 或者 3）以弱黏煤和不黏煤为主，煤的挥发分 和氢含量较低，氧含量普遍较高，煤灰成分中 SiO2 含量较高，Al2O3 含量较低，CaO、K2O、和 Na2O 等碱性成分含量相对较高，使

12、得煤灰的软化温度，变形温度与熔化温度 降低，容易结渣，且灰渣中易带走未燃的煤粉，使机械不完全燃烧热损失增加。同时西部 煤水分含量较高，一部分吸附在煤颗粒孔内的水分很难干燥，会降低煤的发热量，对煤粉 的着火不利。该窑系统窑尾温度、窑尾负压偏高，说明窑头煤粉产生后燃现象，窑内通风 偏大。但由于窑尾废气直接进入在线分解炉，入窑风量与入炉风量在分解炉内汇合可以相 互调节，因此在线分解炉有利于在一定范围内调节窑炉的用煤与用风，提高窑与炉的操作 弹性。 2.62.6篦式冷却机篦式冷却机 篦式冷却机分三段，共十五室，配二十四台风机，二次风温度达 1138（窑头罩处） ， 三次风温度为 778（三次风入炉处）

13、 ，标态下单位熟料冷却风用量为 2.13m3/kg，而出冷 却机熟料平均温度为 140，热回收率达 57.58%。 检测过程中冷却机系统存在“红河”现象，分析原因是出窑熟料进入冷却机时，由于 分料墙磨损粗细熟料颗粒在篦床上分布不均匀，粗颗粒一侧由于床层空隙率大，冷却风容 易穿过热料层，热交换比较充分；而细颗粒一侧床层空隙率小，熟料颗粒与冷却风热交换 不充分，出现“红河”现象。建议生产中提高细颗粒物料一侧的篦室压力以改善篦床的通 风能力，避免“红河”现象的出现。 3 3对比分析对比分析 该生产线与史密斯 10000t/d 生产线的主要生产操作参数（设计值）对比见表 7。由表 7 可以看出，与史密

14、斯生产线的设计参数对比，该生产线回转窑的燃烧带截面热负荷和单 位容积产量都高出 15%左右；系统熟料超产约 4%，单位熟料热耗高出 2.3%。如果该生产线 把预热器出口气体温度由 320降低到 310，考虑散热等其他因素的影响，单位熟料热耗 可降低 55kJ/kg，达到 2983kJ/kg。虽然该生产线预热器系统阻力高出 5.2%，但通过计算， 如果史密斯系统的熟料产量增加到 10393t/d，则其预热器系统阻力将达到 5444Pa，反而高 出该生产线 2.7%。史密斯系统回转窑采用 Duoflex 燃烧器，其燃烧推动力较大，卷吸二次 风能力较强。对比可以发现该生产线分解炉的三次风用量是明显偏

15、低的。 表 7 与史密斯 10000t/d 预分解窑系统的主要生产操作参数的对比 项目史密斯徐州中联 回转窑规格6.0m95m5.8m/6.0m/6.4m90m 分解炉型式ILCPrepol MSC 分解炉规格8.8m38m(柱长)7.64m85m(全长) 产量/(t/d)1000010393 单位熟料热耗/(kJ/kg)29683038 窑燃烧带截面热负荷/(GJ/hm2)20.0622.97 窑单位容积产量/(t/dm3)4.284.97 单位熟料预热器出口风量/(kg/kg)1.9762.093 预热器出口风温/310320 预热器出口压力/Pa-5040-5300 炉内气体停留时间/s4.35.4 单位熟料二次风量/(kg/kg)0.3960.323 单位熟料三次风量/(kg/kg)0.6810.552 4结论结论 通过热工标定及分析可知，该 10000t/d 预分解窑系统总体各项技术指标是比较好的， 系统运转比较稳定。但是通过标定我们也发现，系统生料秤、煤粉秤在实际生产的过程中 容易跑偏，理应定期对这些计量设备加以校正。同时该熟料生产线在系统用风、篦冷机各 室压力分布等方面还需要进行深入研究。