天津院TTF分解炉

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1、天津水泥工业设计研究院有限公司（以下简称天津院）目前已有57条5000t / d级生产线相继投入运行， 这些生产线均已达到或超过设计指标。在工程实践、试验及理论研究的基础上，天津院对已投产的大 量 5000t/ d 生产线的预分解系统进行了归纳总结和不断的优化改进，在此基础上进行了新型低能耗 型第三代5500t / d预分解系统的研究开发，并已应用于工程项目。2 5000t/d 烧成系统运行现状天津院的第一条5000t / d预分解系统2002年6月于池州海螺1号生产线投产运行，2002年10月 21-2413进行了烧成系统热工标定及考核验收工作，标定结果为产量：5518t/d、烧成热耗296

2、3.62kJ /kg熟料、烧成系统电耗23.68kWh/t熟料。此套系统为国内第一条考核验收的国产化的5000t / d 系统，在当时的原燃料条件下，生产线完全达到设计的各项指标要求。随着5000t / d生产线大量的普及应用，很多生产线设计阶段的原燃料与实际使用的差别很大，部 分生产线实际运行指标较池州考核指标有一定的差距。为此，天津院在大量实践反馈的基础上进行了 针对性的优化改进。从实践情况反映，改进后的生产线运行状况有一定幅度的改善。表1 为实测部分 生产线在产量为 5500t/ d 左右时预热器的出口温度及压力分布情况。表1部分5000t/d生产线预热器出口温度及压力厂家C1出口C5出

3、口分解炉出口温度，C压力，Pa温度，C压力，Pa温度，C压力，Pa亚泰明城307-6900859-3190952-2860池州1号331-5650871-2470875-1920枞阳4号348-5100831-2394861-1500华新阳新335-4850879-1580900-630英德海螺D322-4500870-1800880-12003 第三代 5500t/d 预分解系统的研究开发及应用为了从根本上解决5000t / d烧成系统对原燃料的适应性较差的问题，天津院进行了新型低能耗型 5500t/ d 烧成系统的研究开发，即在保持回转窑规格不变的前提下，通过采用优化改进的第三代预分 解系

4、统、高效篦冷机及燃烧器等烧成技术与装备使整个烧成系统能力达到额定5500t/d,性能指标达 更优，其主要技术方案及特点如下：31 5500t/ d 系统设计指标烧成系统总体设计指标如下：烧成热耗： 2967.8 kJ/ kg 熟料；预热器出口温度：30515C ；出口压力：-4800300Pa；预热器出口含尘浓度：65g / m3（标）；预热器出口 NOx： 500 mg/ m3 （标）（10 O2）。32 第三代预分解系统方案321 预热器预热器系统开发主要考虑提高其换热效果，降低系统阻力，并使系统布置更为合理。 3211 提高预热器系统的换热效率影响预热器系统换热效率的因素，主要有两点：一

5、是管道系统的换热效率，二是旋风筒的分离效 率。提高预热器系统换热效率措施如下：A 加强管道系统换热效果 管道中换热以对流换热为主，其换热公式可用牛顿冷却定律表达如下：Q=aAT(1)式中：Q气固间的换热速率，Wa气固间换热系数，W/(m2C)A固体微粒与气体接触的表面积，m2T为气固间的平均温差，C可见，当温差一定时，换热速率Q主要决定于换热系数的大小及生料分散的程度(分散越好，A越 大)。提高管道中气固换热效果，措施如下：(1) 适当提高管道名义风速影响a的因素较多，有温度、速度及流体物性参数等，可简化计算如下：氓=加二-，甲/(/丿(2)式中：An与流体有关的系数d管道有效直径，mW管道中

6、流体速度，m/s可见换热系数与速度的 0.8 次方成正比，即管道风速增加，换热系数增加，换热效果好。第三代预 分解系统管道风速在第二代的1315m/s基础上提高到1719m/s,在提高换热效果的同时阻力增 加很少。(2)撒料装置(图 1)合理设计，增加物料在管道中的分散度图 1 撒料盒结构示意图物料在管道中分散越好，气固接触表面积越大，即式（1）中 A 越大，相应气固换热速率快。通过第 二代预分解系统的大量工程实践证明，采用图1所示结构的撒料装置，在相同情况下（相对于弧形板等 其它型式的撒料装置），出预热器出口温度可下降20C，说明该撒料装置可使物料充分分散。B 提高旋风筒的分离效率研究表明提

7、高旋风筒分离效率可有效提高预热器系统换热效果1。 主要措施是采用分离效率高、结 构型式合理的旋风筒。第三代旋风筒采用二心270大蜗壳型式（图2），研究显示其分离效率（图3）较高。 数值模拟研究CFD计算结果表明，该旋风筒C1分离效率可达94%96%,其它各级90%,较第二 代（分离效率 C1 9395，其它88）有一定幅度的提高，而预热器系统阻力相当。3212 降低预热器系统的阻力 预热器系统的压损主要产生在旋风筒上，管道系统所占的比例很小，考虑预热器系统的降阻主要 从降低旋风筒的阻力损失着手。通过理论分析及工程实践，在不影响旋风筒分离效率的前提下，我们 采取的主要措施如下：（1）采用结构合理

8、的二心大蜗壳型旋风筒（图 2），它具有 270的大蜗壳内螺旋结构，可使气流平稳引 入旋风筒，扩大了大部分进口区域与蜗壳，减少了进口区涡流阻力；（2）进风口尺寸形状合理设计，减少或避免进口气流与回流相撞；适当降低进口气流速度，适当合 理地降低筒内气流旋转速度；（3）合理设计内筒直径，适当降低旋风筒出口风速，缩短气流在旋风筒内的无效行程。旋风筒分离效率的提高与阻力的降低是相互制约的，第三代预分解系统总体开发思路是，在系统 阻力变化不大的情况下适当提高分离效率。第三代旋风筒保留第二代低阻的优点，内筒风速适当提高， 从第二代的1114m/s提高到1416m/s，现场实测及CFD计算表明，单个旋风筒的阻

9、力增加很 小（2030Pa），预热器整体阻力基本相当（分解炉出口至预热器出口总压降为35003800Pa），但系统 分离效率较高，相应换热效果好。3213 预热器系统其它细节开发考虑本项目在注重旋风筒开发的同时，对预热器系统其它细微结构亦进行了优化：（1）料管：在保证料流顺畅基础上，尽可能缩小其尺寸，同时在料管的工艺布置保证管内物料有足 够的冲击力，确保物料在风管内充分分散。（2）锁风装置：锁风阀阀板轴支承在特种轴承外圈上，并设置了防串动装置，高温段的 C4、C5 锁 风阀阀板采用耐热铸钢件。该阀阀板更换方便，不产生抱轴现象，因轴承远离壳体出轴的位置，减少 了轴承进灰，降低轴承的环境温度，提高

10、了锁风阀防止气体内漏、物料外泄的能力，并延长了锁风阀 的使用寿命。(3) 喂料室喂料托板：喂料托板处的环境温度高达1050C或以上，其前段下半圆直接暴露在高温气 流中，并承受着料流的冲刷，因此耐热钢板形式的喂料托板易变形、氧化，使用寿命较短。采用风冷 分片式耐热铸钢喂料托板，它由托板和托架两部分组成，通过楔铁锁紧并焊接，该喂料托板能明显延 长使用寿命。322 分解炉第三代预分解系统的开发一个主要的思路是，解决第二代TDF双喷腾型分解炉对燃料的适应性较 差的问题，从分解炉的型式、分解炉的容积效率及分解炉与C5旋风筒的连接方式等各方面进行优化 改进。3221 分解炉型式对分解炉的研究，天津院已形成

11、了一套从原燃料特性研究、机理分析、冷态模拟试验、CFD研究、 现场测试等完整的研究开发体系。天津院目前的主导炉型为双喷腾的TDF炉，我们用各种方式对其 进行了大量的研究工作，在此基础上形成了三喷腾型TTF分解炉。根据我们的研究成果,TTF型式的 分解炉具有三喷腾和碰顶效应、湍流回流作用强、固气停留时间比大(Tm=45)、温度场及浓度场均匀、 物料分散及换热效果好、炉体结构简单、阻力系数低等特点。在线布置可有效利用窑尾废气的热焓， 利于“热炉”，升温点火容易，没有离线分解炉塌料影响周边环境及处理工作量大的问题。针对在线分 解炉煤粉燃烧的纯氧空间不如离线分解炉大，燃烧环境不如离线分解炉好的问题，我

12、们从煤粉燃烧的 机理出发作了仔细研究。在提高三次风温度的同时，在结构设计上，避免窑气与三次风过早相混；在 三次风入炉口设置燃烧器，提高纯氧燃烧空间及燃烧所需的动力，合理布置C4下料位置，提高煤粉 燃烧区域的温度，加快煤粉的燃烧速度，所有这些技术措施将有效地提高煤粉的燃烧效率，这些技术 思想已在我院设计的几十条生产线上实施，业已证明是正确、可行、可靠的。TTF分解炉结构示于图4,其工艺特点如下：(f,I图 4 分解炉示意图三喷腾效应：TTF炉固气停留时间比(t /t =4.8 )大，在相同炉容下，炉流场大大优化，物料停留 mg时间长，有利于煤粉的充分燃烧及生料充分分解；喂料方式：上下料点合理分料

13、，分解炉中部局部温度可达1300C，可大幅提高煤粉燃烧效果，高 温区间设计1.5s，可保证劣质煤及无烟煤的充分燃烧；物料置于三次风正上方，可充分分散，分解炉 物料分布均匀，流场更合理，同时可减少锥部塌料，分解炉的压损可大幅减少，系统阻力相应降低；喂煤方式：二通道对称四点喷入，优化分解炉温度场；增设后置管道：适当增加分解炉炉容，方便与C5筒连接，降低塔架高度； 可操作性：分解炉操作简单，对燃原料适应强。3. 2. 2. 2分解炉的CFD模拟研究为了确保分解炉运行的可靠性，天津院利用CFD研究对分解炉结构型式进行优化设计。本研究使用的分解炉计算机辅助试验平台，是自行开发的软件系统，我们通过基础试验

14、研究，建立了针对分解炉特点的、在耦合状态下的煤焦燃烧及碳酸钙分解的动力学模型。对不同煤种、不同生料进行实验，求取动力学参数，建立数据库，以实现针对性模拟。在变换生料、煤粉下料点位置、进口物性参数、分解炉各部分尺寸等多种情况下，进行仿真试验， 通过出口分解率、燃尽率、出口温度等宏观信息，结合流场图、温度场、组分场、颗粒运动轨迹内部 可视化信息统筹比较，非常便利地确定煤燃烧与碳酸钙分解最佳结合点的分解炉型式与尺寸。本方案模拟计算结果如下：分解炉流场见图5，温度场见图 6。图 5 分解炉流场示意图 图 6 分解炉温度场示意图计算模拟出主炉分解率为 85.6，煤粉然尽率为84.6，可见分解炉完全能满足

15、设计指标要求。 3223 分解炉的环保效应根据天津院对国内多台预分窑系统窑的测试表明，现行预分解窑系统氮氧化物排放值均大于中国 的“水泥厂大气污染排放标准”，为适应日益严格的环保要求，在天津院科研项目“低NOx型分解炉的 开发研究”研究成果的基础上采取措施，以降低预分解系统的NOx排放。本研究降低NOx的技术思路是，首先采用与生产兼容的分级技术，以最小的操作成本，尽可能降 低NOx。在此基础上，留有废气脱硝的空间，必要时投入相应的系统，在废气中喷氨水进一步降低 NOx，确保系统NOx指标小于500mg / m3（标），使总体技术经济指标最优化。在分解炉锥部还原区中喷入一定的燃料，由于燃料化学不完全燃烧继而产生大量CO形成还原气氛, 窑尾烟气中的NOx与CO反应形成N2,从而达到脱NOx的目的，反应可简单表示如下： CO+NOf，CO2（5）研究及工程实践表明，分解炉分级燃烧技术能降低熟料烧成系统的NOx的排放，以燃料分级对系 统的工艺操作影响最小。通过合理确定喷煤量、喷入位置，保证适宜的停留时间及空气过剩系数，能 达到降低NOx约3O%的效果。