100%烧无烟煤的预分解窑烧成系统的热工标定与分析

　　引言

　　长期以来，水泥回转窑企业均使用挥发分较高的烟煤作为燃料。但由于我国地域辽阔，燃料资源分布不均，烟煤产地主要集中在北方，而在长江以南，优质烟煤很少，特别是在福建地区，无烟煤资源较为丰富。因此，当地水泥生产企业用无烟煤作燃料，有着良好的经济效益和社会效益。但是无烟煤挥发分含量低、着火温度高、燃尽时间长，尤其是在分解炉内的中温燃烧，主要受化学反应控制，不易完全燃烧，因而对分解炉的结构及性能有着更高的要求。

　　福建SD厂2000t/d熟料生产线是20世纪90年代末引进德国KHD技术的国内第一条采用100%烧无烟煤的预分解窑生产线。在公司技术人员的努力下，经过近两年的试生产，烧成系统生产基本正常，系统运行稳定，无烟煤煅烧熟料取得成功。为了对烧成系统进行全面客观的评价，分析无烟煤在窑和炉内的燃烧情况，优化生产操作，进一步提高该系统的技术性能，SD厂与南京工业大学硅酸盐工程研究所合作，对该烧成系统进行了一次全面的热工标定。鉴于系统地分析预热器与分解炉工作状况的需要，在参照水泥回转窑热工标定国家标准的基础上，增加了窑尾、分解炉及有关部位物料分解率及煤粉燃尽度的测定，以及窑尾、分解炉及各级预热器出口气体温度、压力、气体成分等检测内容。测定期间，原料与煤粉质量稳定，系统运行也较稳定，标定结果具有代表性。

　　1 热工标定测点及标定项目

　　图1为预分解窑烧成系统各测点示意图，表1为标定项目一览表。

　　图1  PYROCLON预分解窑烧成系统运行检测测点分布图

　　注：图中序号标注见表1。

　　表1  测点分布标定项目一览表

　　注：各符号意义：tg、tm—气体及物料温度；P—气体压力；Ci—气体含尘量；—空气过剩系数；Gm 、Gg —物料、气体流量；— 物料分解率；

　　2 预分解窑烧成系统主要工艺设备

　表2为SD厂烧成系统主要工艺设备

　　表2预分解窑烧成系统主要工艺设备

　　3 热工标定主要参数汇总

　　表3～表9是热工标定的主要参数汇总。

　　表3熟料产量及煤耗

　　表4物料化学成分与煤粉工业分析（%）

　　表5窑尾系统各部位废气成分

　　表6各部位气体量、温度及压力

　　表7窑尾系统各部位温度、压力

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　　4 热态运行标定结果分析

　　4.1熟料产量

　　表8系统热量平衡表中主要支出热量

　　表9各级预热器工况风速

　　注：各级风速由测定风量、空气过剩系数计算得到。

　　热工标定期间，熟料产量为1931.2t/d，为设计产量的96.6%，尚未达标。分析热工标定结果，在烧成系统各子系统中，除高温风机及其配套电机富余能力不足外，其余各设备的选型都是合理的，且具有一定富余能力。测定期间，由于电压太低，制约了高温风机能力的发挥。因此，采用稳定供电，优化配料方案，稳定入窑生料成分，合理操作控制等措施，可进一步提高产量。

　　4.2 熟料烧成热耗

　　该预分解窑熟料烧成设计热耗为3032kJ/kg熟料，设计指标比较先进。实际测定熟料热耗为3 266kJ/kg熟料，超过设计指标7.72%。由表8知，在熟料烧成的支出热耗中，出预热器废气带走热、系统表面散热、出冷却机余风带走热分别占20.94%、12.44%、10.77%，三者共占44.15%。由表6知，该厂预热器出口废气量为128487Nm3/h，折合单位熟料废气量为1.6Nm3/kg熟料，C1筒出口废气温度为304℃，属国内较先进水平。尤其是作为100%燃烧无烟煤来说，该温度是较低的。

　　从表面散热损失看，该厂短窑系统单位熟料散热损失是比较高的，其中回转窑筒体的散热损失较高。标定期间，回转窑烧成带表面最高温度已超过400℃。从出冷却机熟料温度看，该厂由于采用带空气梁的第三代篦冷机，熟料冷却效果好，平均温度仅为94 ℃。根据以上分析，如果进一步降低出预热器废气量（设计废气量是1.52Nm3/kg熟料）和温度（设计为290℃），适当减少表面散热损失，并且达到和超过设计产量，其熟料烧成热耗有望接近和达到设计指标。

　　4.3 五级预热器系统

　　4.3.1 各级预热器的温度分布

　　从各级预热器的出口气体温度分布（见表7），该厂各级预热器气体温降是比较合理的。C4预热器除了预热C3筒的下料外，还具有物料的部分分解功能，该级的温度降可反映分解炉及C5预热器系统内煤粉的燃烧状况，如果C5级预热器出口存在煤粉的不完全燃烧，部分未燃尽煤粉必然会在C4筒内继续燃烧，从而造成C4筒温度降偏低，甚至出现温度倒挂的情况。从C4预热器的温度降来看，正常情况时在60℃以上，但从气体分析看（见表5），C5出口气体中不存在CO，因而可以排除化学不完全燃烧的存在，表明无烟煤的燃烧是充分的。

　　4.3.2 预热器的系统阻力损失

　　在产量为1 931 t/d时，其五级预热器的总阻力损失为4 219 Pa，与国内其他厂相比并不算高。从表7中各级预热器的阻力损失分布看，C1到C5各预热器的进出口静压差分别为：1080Pa、1030Pa、900Pa、670Pa和492Pa，其中C1筒由于要求分离效率最高，所以阻力损失最大；C2筒虽然进口风速不高，但其内筒直径与柱体直径的比值De/D仅为0.44，内筒直径小，阻力较大；而C3、C4、C5筒结构相同，其De/D比值为0.5，虽高于C2筒预热器，但与国内其它预热器相比，仍属偏小，显然KHD公司的设计偏重于提高分离效率，但阻力损失也相应会增加。另外，C3、C4、C5筒的工作温度逐步升高，其阻力损失则相应降低。

　　4.4 Pyroclon分解炉

　　该厂采用带Pyrotop的Pyroclon分解炉，其目的是通过煤粉与物料的分解炉外循环，延长物料的停留时间，从而有利于提高燃料的燃尽度与物料的分解率，以适应100%燃烧无烟煤的需要。经现场热态化学法测试，分解炉内物料平均停留时间为24 s，明显高于国内大部分分解炉，这对在并不太高的温度下物料的分解和无烟煤的燃烧都是极为有利的。测定期间，分解炉出口（C5筒进口处）温度为925 ℃左右，就100%燃烧挥发分仅3.34%的无烟煤而言，该温度显然并不算高。

　　从气体分析结果看（表5），分解炉出口过剩空气系数为1.395，且多次测量气体组成表明没有CO，说明炉内煤粉不存在化学不完全燃烧。但从分解炉出口物料的含碳量及气体组成来推算，该分解炉出口的煤粉燃尽度仅为76%左右，说明炉内煤粉存在着机械不完全燃烧，部分没有燃尽的煤粉进入C5筒，与来自窑尾的高温气体混合后，继续进行燃烧。燃烧产生的热量进一步供给C5筒内生料的分解，使得入窑物料的表观分解率由分解炉出口的72.3%提高到入窑时的91%左右。

　　Pyroclon分解炉燃烧所需的空气全部来自篦冷机。根据分解炉内小时用煤量、实测三次风量以及燃料燃烧理论空气量，计算得到其过剩空气系数为1.07，显然三次风用量是合理的。而从分解炉出口的实测过剩空气系数1.395来分析，煤粉在炉内存在相当部分的机械不完全燃烧，但从C5筒出口的过剩空气系数1.1及气体成分中无CO来分析，表明分解炉内未燃尽的煤粉在C5筒内继续燃烧，消耗了三次风入炉的部分过剩空气，因此入炉与入窑的总空气量也是合理的。

　　4.5 回转窑内燃料燃烧及用风

　　该厂窑头煤粉燃烧采用pyro－jet燃烧器。标定期间，实测窑头一次净风与煤风的总量占入窑总空气量的16.5%，比设计的6.3%明显偏大。如果一次风量过大，会相应地减少气流中的煤粉浓度，煤粉气流中由于低温的一次风增加，温度升高缓慢，限制了煤粉着火过程的发展和煤粉的完全燃烧。因此从燃烧的角度分析，减小一次用风量，增加高温的二次风量，有利于煤粉的着火和火焰的传播速度，以及降低系统的热耗。

　　该厂窑尾的过剩空气系数在标定期间，一般在1.037～1.170范围内，说明窑内用风是合理的。但是窑尾废气测定中每次均有CO存在，在0.2%～1.2%之间，表明窑内煤粉存在着化学不完全燃烧，当然也不排除可能还有少量机械不完全燃烧。该厂窑尾无控制棒阀，试生产中常有窑内通风良好而分解炉内通风不足之感，易引起塌料。从热工标定情况来看，虽然窑内已有少量结圈，阻力增加，但用风情况尚好，窑内通风并不过多。

　　4.6 篦式冷却机的分析与评述

　　该厂采用第三代带空气梁的篦式冷却机，入窑二次风达1100℃，入炉三次风为920℃，而出冷却机熟料温度平均为94℃，热回收率达75.8%，二次风温与三次风温的提高，特别有利于无烟煤的燃烧，920℃的三次风测点在窑尾Pyroclon分解炉的进口处，可确保无烟煤入炉后的迅速着火与燃烧，有利于提高煤粉在分解炉内的燃尽度。

　　4.7 高温风机

　　SD厂高温风机铭牌风量为305700m3/h，风压为5800Pa，电机功率730kW，是国内同系列预分解窑中风机规格和所配电机功率最小的。从标定结果看，预热器出口总风管测点处工况风量为299000m3/h，负压为5740Pa，风量与风压接近铭牌指标，风机已经满负荷运行，没有富余能力。另外标定期间，风机电压为574.8V，远低于额定电压660V，电源电压也制约了电机与风机能力的发挥，因而熟料产量没有达标。

　　5  结束语

　　（1）SD厂的带Pyrotop的Pyroclon分解炉内物料平均停留时间比普通Pyroclon分解炉延长约一倍多，表明带Pyrotop的Pyroclon分解炉对燃烧低挥发分煤、无烟煤是非常有利的，能够大幅度延长停留时间，从而提高煤粉燃尽率和物料分解率。

　　（2）分解炉、C5筒出口气体成分中无CO，C5、C4各级预热器温降正常，没有温度倒挂现象，无烟煤在分解炉和C5预热器内已基本燃尽，表明设计合理的带Pyrotop的Pyroclon分解炉能适应100%烧无烟煤的需要。

　　（3）目前该公司供电基本稳定，产量已经达标，正常生产时，熟料日平均产量在2050t左右，仍采用原风机和电机，表明以上分析诊断是正确的。但风机已满负荷运行，欲进一步增产，就风机来说必须提高风机的风量和风压，显然德国KHD公司原设计风机选型时，没有充分考虑超产而需要增加的富余能力。