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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
2、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 物料化学成分及率值项目化学成分/%率值LSAFCMK2ONa2OSO3LSFSMIM生料
3、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/kg1.6925.6526.3746.2921700表3 窑尾系统主要部位气体成分测点气体成分/%过剩空气系数CO2O2CON2窑尾烟室10.40.81.287.61.009分解炉出口19.02.00.378.71.097C1出口33.61.60.264.61.096C5出口33.43.20
4、63.41.234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/%54.6021.6313.676.623.48表6 预热器及分解炉出口温度及压力项目C5出口汇总风管C4出口C3出口C2出口C1出口炉出口炉中
5、部窑尾ABABABABAB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/%13.1814.2794.0494.5189.7170.772 结果分析2.1 熟料产量标定期间生料投料量为16680t/d，熟料产量为10393t/d，超产近4%。2.2 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
6、/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 预热器预热器出口气体
7、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
8、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
9、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。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1848
10、94m3/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 回转窑该生产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
11、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。
12、2.6 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），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 对比分析该生产线与史密
13、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
14、。对比可以发现该生产线分解炉的三次风用量是明显偏低的。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)0.6810.5524 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。
