在水泥余热发电工艺中采用循环流化床技术预烧水泥生料

　　水泥生产窑外分解技术是70年代发展起来的水泥干法生产技术，该技术的关键是预分解炉。早期的分解炉多为生料一次通过分解炉，由于停留时间较短，为保证出炉生料中碳酸钙的分解率，降低热耗，生料入炉前，都要经过预热，不论采用那种预热方式，分解炉系统都设有较庞大的预热装备。中国建材院在借鉴国内外窑外分解技术的基础上，提出在水泥窑余热发电工艺中采用流态化分解炉技术，使冷生料直接入炉的工艺方案。第一代分解炉在抚顺水泥厂应用，经过几年的运行，证明该工艺技术是成功的。在此基础上，提出采用“炉外循环”技术以进一步提高分解效率和出炉生料中碳酸钙分解率。“炉外循环”技术八十年代国外已有研究，在实验室和工业试验上均取得较好的效果。国内在“炉外循环”方面虽有探讨，但未在水泥工业上应用。本文通过热模实验，探索炉外循环与生料中碳酸钙分解率的关系。我们采用冷生料直接入炉的工艺方案，分解炉兼有预热和分解双重功能。出系统高温废气用于发电。为了提高分解炉热效率和出炉生料分解率，将出炉物料经旋风筒收下以后部分返回分解炉，即采用“炉外循环”技术。这样，高温生料在炉系统中停留时间得以延长，从而提高了出炉生料的碳酸钙分解率，为把水泥生产余热发电工艺提高到一个新水平创造了技术条件。

2　实验流程

　　本工艺采用冷生料直接入炉，为保证炉内热负荷，在炉子下部和中部各设一喷油口。生料在炉底部流化风的作用下流态化，来自油枪的燃烧烟气加入后，炉内气流速度提高，生料被带出炉子，经三级旋风筒收尘，烟气通过水收尘经排风机后进入烟囱排出。一级旋风筒和二级旋风筒收下的生料可以返回炉内，在一级旋风筒下料管道上装有高温分料器，用以调节回炉生料的循环量。本实验的工艺流程示于图1。图中T是温度测点；P是压力测点。进入炉内的风量和油量用转子流量计计量。

　　　　　　　　　　　　图1　循环流态化分解炉工艺流程

1.油箱；2.鼓风机1；3.油泵；4.鼓风机2；5.分解炉；6.下油枪；7.上油枪；8.喂料机；9.旋风筒Ⅰ；10.翻板阀；11.分料器；12.旋风筒Ⅱ；13.旋风筒Ⅲ；14.手推车；15.水收尘箱；16.引风机

3　实验结果分析

3.1　床层阻力与流化风量的关系

3.1.1　布风板阻力

　　从实验得出，随着流化风量的增加，布风板两侧压力降增大，开始压降增加缓慢，在风速大于0.34m/s之后，阻力的增大随流量增加明显加快。由流体动力学理论知道：

　　管内流体流动阻力ΔP与流速V的关系为：

　　ΔP∝V2，而V=Q/A，Q是流量，A是过流面积。则：

　　ΔP∝Q2/A2，在A不变的条件下ΔP∝Q2

　　实验测出的布风板阻力与流化风量的关系符合上述规律，如图2所示。

　　　　　图2　布风板阻力与风量的关系

3.1.2　床层阻力与床层高度和流化风量的关系

　　在床高一定的情况下，床层阻力降与流化风量的关系为：床层阻力在风量较小的阶段随风量的增加呈线性增加，当流化风量达到一定量以后，阻力降不再随风量增大而增大，而是在一个很狭窄的波动范围内走一个平台，如图3所示。

　　　　　图3　不同床高床层阻力与流化风量的关系

　　　　　1.床高361mm；2.床高248mm；3.床高116mm

　　浓相床高的变化对床层阻力产生影响，在不产生沟流和死床的情况下，床层阻力随着浓相床高度的提高而增大。图3是在三种浓相床层高度时床层阻力随流化风量变化的情况。

3.1.3　系统压力分布

　　炉系统正常工作时微负压运行。炉膛负压为-100～-150Pa，一级旋风筒入口负压-400～-600Pa，二级旋风筒入口负压-900～-1100Pa，三级旋风筒入口负压-1400～-1700Pa。

　　流化床正常工作时的鼓风压力为800～1600Pa。本实验过程中正常的鼓风压力为1000Pa，当床层积料增多时，鼓风压力增大。

3.2　温度与出炉生料分解率之间的关系

　　温度对生料中碳酸钙的分解率起着决定性作用。根据A.Muller等人的研究，在720℃的温度条件下，水泥生料中碳酸钙分解率达到80%需要136s，在900℃的温度条件下，达到80%需要4s，而在1000℃的温度条件下，达到80%只需1.1s。

　　本实验系统在无循环条件下，生料从进炉到出一级旋风筒之间的停留时间为2.9s(计算值，不考虑颗粒与气流之间的滑移)。如考虑气流与颗粒之间的滑移，实际颗粒停留时间要大于计算值。

　　在本实验中，炉膛平均温度900～950℃时，从一级旋风筒收下的物料碳酸钙分解率在85%左右。1000℃以上时，分解率达90%以上。降低炉子的温度水平，分解率明显下降。当炉子平均温度800℃以下时，得到的分解率不及10%。为了在较低的温度水平上得到较高的出炉物料分解率，需要增加物料在炉子中的停留时间。本实验通过把一级和三级旋风筒收下的物料部分返回炉内，从而增大物料在炉内的停留时间，达到提高生料出炉分解率的目的。

　　生料一次通过炉系统的分解率与炉膛平均温度的关系如图4所示。

　　　　图4　生料分解率与炉膛平均温度的关系

3.3　循环量与生料分解率的关系

　　本文中循环率定义为：出一级旋风筒下料管物料入炉量/入窑物料量(即各旋风筒放出物料总量)。

　　从温度变化对分解率的影响可以看出，在炉膛平均温度950℃以上，生料颗粒一次通过炉系统，碳酸钙分解率可达90%以上。这时，由于碳酸钙分解在很短时间完成，停留时间对分解率的影响有限，此时温度对分解率起着控制作用，增加停留时间并不能大幅度提高分解率。在我们的实验中，当炉平均温度在950℃以上时，循环与不循环时，生料中碳酸钙分解率没有明显变化。炉膛平均温度960℃的实验证明，物料不循环时的碳酸钙分解率可达90.03%，出一级旋风筒下料管物料100%循环时的碳酸钙分解率为90.732%。在炉膛平均温度900℃以下，由于水泥生料在炉系统中产生高分解率所需时间较长，此时设法延长生料在炉内的停留时间，对提高出炉生料分解率有利。由于在900℃以上，炉膛易发生结焦，并且余热锅炉易集灰，不适合余热发电系统采用，我们的实验将重点放在700～900℃的温度范围内。

　　在炉膛平均温度850℃的实验中，我们看到物料循环对碳酸钙分解率的影响。对出一级旋风筒的物料分析，物料不循环时的碳酸钙分解率为58.39%，出一级旋风筒下料管物料50%循环时的碳酸钙分解率达81.64%。由于部分物料回炉循环增加了生料在系统中的停留时间，从而有效地提高了生料中碳酸钙出炉分解率。图5是炉膛平均温度在850℃、900℃和950℃条件下，物料循环时碳酸钙分解率与循环率的关系。

　　　　　　　循环率/%

　　　图5　循环量与分解率的关系

1.炉膛平均温度950℃；2.炉膛平均温度900℃；3.炉膛平均温度850℃

　　由于物料多次通过炉膛，在较低的温度水平上获得了生料的高分解率，从而为降低分解炉操作温度，防止炉膛结焦，降低热耗提供了技术途径。

4　结论

　　(1)本实验实现了在实验室规模下将循环流态化分解炉应用于水泥预煅烧过程，并得出其主要工艺参数。

　　(2)热态模型实验表明：采用循环流态化分解炉，在炉膛平均温度850℃左右，可以有效提高分解炉的效率和出炉生料分解率。在950℃以上或700℃以下，物料循环对生料分解率没有明显提高。本循环系统在炉膛平均850℃左右时，出炉生料中碳酸钙分解率达80%以上，而在同样条件下，不采用循环系统时，出炉生料碳酸钙分解率最多不超过60%。

　　(3)在700～950℃温度范围内采用循环系统，当温度一定时，可以提高出炉生料分解率；或者当要求一定的出炉分解率时，炉子可以在较低的温度水平下运行，这对于降低热耗，避免炉系统因温度过高而结焦，都有积极意义。

　　(4)本实验所得工艺参数和操作经验，对于工业化循环流态化分解炉的设计和操作具有指导作用。第一套采用该系统的工业生产装置已在呼和浩特市水泥厂安装，1994年底投入运行。