RSP结构及特性分析

　　RSP系统是由日本小野田水泥公司于1972年在240t/d试验窑上研究开发成功的，并在此基础上，于1974年在大船渡水泥厂建立了3000t/dRSP生产线。经放大进一步验证，证明该烧成系统的单位容积产量可达160kg熟料/(m3·h)，热耗可降至3093kJ/kg熟料。不仅如此，窑外分解窑的结皮堵塞顽症在RSP系统中也得到了有效根治，充分展现了它独特的优越性。 

　　自1976年至今全世界已有90余条RSP生产线投入运行(尚不包括我国开发的RSP)，遍及日本、美国、法国、印度、朝鲜、俄罗斯、泰国及非洲等国。中国建材院于1985年引进了1000t/d、2000t/dRSP专有技术，先后用于泰国、越南、津巴布韦以及我国滇西水泥厂的工程设计中，取得了十分满意的效果。就我们亲自参与操作过的泰国萨拉布里和滇西水泥厂而言，前者自1992年10月投产运行至今从未发生结皮堵塞事故，后者仅用三个月调试即可达标，是国内十几条1000t/d生产线中建厂最晚达标最快的工厂。实践证明RSP预热分解系统运行稳定，易操作，对原、燃料适应性强，且热交换好、不易粘堵、易达标达产。 

　　1、RSP的发展过程 

　　就RSP结构及特性进行分析，在20多年的时间里，大致经历了如下三个发展阶段。 

　　(1)初期(烧油)阶段 

　　初期烧油阶段，其混合室(MC)废气经管道直接进入入窑旋风筒(C4或C5)如图1所示。此结构适用于燃烧速度快的燃料，烟气在RSP中的停留时间仅为1.8s，物料的停留时间约为4s左右。 

　　(2)烧油改烧煤阶段 

　　此阶段的设备改造，是在混合室(MC)的顶部加了一个扩大带，混合室的废气经扩大带后再经废气管道进入入窑旋风筒，如图2所示。加扩大带的目的是为了延长燃料的燃烧时间和进一步提高生料分解率。此结构可使烟气的停留时间延长到2.5s，物料延长到8s左右。 

图1　初期RSP 

图2　烧煤RSP 

　　(3)更加完善阶段 

　　RSP由烧油改为烧煤后，仍存在入分解炉的燃料不能充分燃烬问题(煤粉燃烬率仅为90%左右)，特别是使用低品位燃料时造成入窑旋风筒内部温度偏高。为进一步延长燃料与物料在RSP系统中的停留时间，在原有基础上从工艺参数到内部结构重新进行优化设计，并确定了不同规模的水泥厂采用不同结构型式的RSP。对于1000t/d的水泥厂在混合室顶部增设了一鹅颈管道(如图3所示)。加接鹅颈管道后烟气在RSP中的停留时间延长到了3.5s，物料延长到15s左右。 

　　优化设计后的RSP不仅适用于高品位燃料，而且更适用于各种低品位燃料。我院采用优化设计后的RSP在泰国成功地使用了褐煤，在高海拔(2145m)云南滇西成功地使用了RSP预分解系统，在越南我们又设计了燃烧无烟煤的RSP预分解系统。从烧煤角度来说，目前的RSP可以说优于其它预分解系统。 

图3　优化设计的RSP 

　　对优化设计后的RSP，通过生产实践对其结构及特性进行如下分析。 

　　2、RSP分解炉的结构特性及调节控制 

　　RSP分解炉由燃烧器、预燃室(BP)、分解室(SC)及SB调节阀门、SC调节阀门组成，如图4所示。实际上最终完成预分解任务的技术装备还包括混合室和鹅颈管道。 

图4　RSP分解炉 

　　分解炉燃料燃烧所需的空气由三部分组成，即①经冷却机预热的三次风，经管道以双切线方式，同时作为生料的载体进入分解室(SC)；②由三次风管支管经SB调节阀门引入预燃室(SB)；③分解炉送煤用风。 

　　众所周知，分解炉是一个二次燃烧炉，其燃料用量一般等于或大于窑头用量，因此燃料燃烧所需的空气量，特别是氧的总含量，是一个非常重要的参数，必须得到有效控制。为此可通过上述调节机构，根据燃料的性质及用量，调节SB、SC阀门开度使SC室过剩空气系数控制在1.05～1.10之间，从而保证燃料的稳定完全燃烧。 

　　SB调节阀门的主要作用在于控制分解炉燃烧器的火焰长短及燃料燃烧速度和燃烧温度。根据燃料的特性(着火温度、细度、挥发分等)调节SB阀门开度即可有效地进行控制。当燃料着火温度高、粒度粗、挥发分低时，SB阀门开度要大，反之则小。如若不然，就会使火焰拉长，使燃料产生后移燃烧现象，并使未燃烬的燃料颗粒在CO2分压较高的区域继续燃烧，在还原气氛下出现低熔点液相，造成结皮堵塞的隐患。根据有关试验，当窑尾温度稳定在某一温度范围时，采用同一种燃料，当SB阀门全闭时，分解炉的火焰温度仅为800℃，而在入窑旋风筒的进口处则为970℃(已是结皮、堵塞的危险温度)，这是后燃现象所造成的结果。当SB阀门开度为70%时，火焰温度为1600℃，入窑旋风筒进口处的温度则为870℃。由此可见，SB阀门对火焰温度、燃烧速度、预分解系统的温度分布起着何等重要的作用。 

　　SC调节阀门的作用，主要是用于控制分解炉内燃料燃烧所需的空气量，确保燃料燃烧是在O2压较高的条件下进行，从而使燃料易于着火和稳定燃烧。 

　　RSP的设计指导思想，据我们分析是在获取较高分解率的前提下，必须防止在系统内部产生局部高温，确保分解炉燃烧空气中具有较高的氧含量，防止不完全燃烧所造成的还原带，从而解决由于局部高温或还原带所引起的结皮堵塞问题。为实现这一指导思想，就必须使分解炉的燃料燃烧过程是在未与窑尾废气相遇之前在纯的空气状态下进行，这是RSP的结构设计独到之处。 

　　在RSP系统中无论是燃烧器、预燃室或是分解室，其气团运动方式均为涡旋式。尤其是在分解室内，生料经预热后分两路由三次风以双切线方式载入分解室，在其内产生激烈的涡旋运动，由于离心力的作用，使SC室内中心部位成为物料浓度的稀相区，周边部位成为物料的浓相区。由于浓稀相区的存在，在SC室的中心部位就为燃料的燃烧创造了一个非常有利的燃烧空间，为燃料的稳定燃烧、提高燃烬率创造了条件。另外在分解炉顶部设有看火孔，可观察火焰形状与长短。 

　　由于涡旋运动，生料通过载体在SC室内所形成的物料浓度梯度，实质是一个多层次运动着的粉状物料吸热反应保护屏障，由此也就形成了一个较大的温度梯度，其值约为700℃左右，即当火焰温度为1600℃时，炉壁温度为900℃左右，这是由于碳酸盐吸热分解反应迅速达到该反应的平衡温度之故。加之生料率先于煤灰达到分解炉衬料内壁，免除了煤灰及未燃烬的燃料颗粒与衬料接触，防止了对衬料的熔蚀和粘附，这就有效地保护了炉衬。尽管分解炉的热负荷相当高，其值达4×106kJ/(m3·h)，但由于有涡旋运动所产生的吸热反应保护屏障，因此对炉衬的使用寿命并无明显危害。据我们所知，第一代RSP分解炉的炉衬已使用20多年，至今仍正常工作。 

　　3、混合室与鹅颈管道的作用 

　　RSP混合室(MC)坐落在窑尾烟室之上，上有鹅颈管道，下有可调缩口，中下有与分解炉相联接的斜烟道(如图5所示)。混合室与鹅颈管道实质上是与分解炉串联的一个整体，窑的废气经可调缩口以喷腾方式混入。由于混合室断面风速与鹅颈管道断面风速差异的存在，以及混合室内部几何结构的特殊设计，创造了一个气因循环往复回流区，并以新旧交替方式不断进入与排出。在混合室内，气固以激烈的喷腾循环往复方式进行混合与强化热交换。SC室可以说是燃烧与分解反应的初始区，其燃烬率为80%，分解率仅为50%左右，气固在SC室的停留时间分别为0.7s和3.5s左右。混合室则是燃烧与分解的终始区，由于激烈的紊流运动，气固进行强化热交换，在混合室内燃料的燃烬率与碳酸盐分解率已分别达96%和85%以上。气固在混合室出口时的停留时间已分别延长到2.2s和12s左右，不言而喻，这就为提高燃烬率及分解率创造了有利条件。 

图5　混合室与分解炉 

　　通过调节混合室下设的可调缩口，可使窑尾废气的喷腾速度控制在20～30m/s，在此种风速下，物料一般不会产生短路现象。但是该缩口同时也起着气固两相阻力自动平衡的作用，即当混合室内喷腾床的物料重力大于窑尾废气向上的喷腾阻力时，会使部分物料短路直接入窑。这种现象只有在喂料量出现较大波动时或各级预热器物料突发性积富到某一数值时才会出现。大量的短路会造成窑热工制度的紊乱，这就要求喂料量要稳定，缩口调整要适当。但是我们也应该承认，可调缩口的存在对自动平衡气固阻力、防止堵塞所发挥的作用。 

　　优化设计后的RSP其鹅颈管道的设计与否取决于生产规模的大小和气固所必须的停留时间。一般在2000t/d以下设鹅颈管道，就此而言，根据热交换与分解反应主要是在管道内进行的原理和国内有关试验，在混合室出口生料表观分解率为85%，而在鹅颈管道出口表观分解率已达94%左右。气固在鹅颈管道内的停留时间分别为1.2s和3.5s。由此可见，加接鹅颈管道的目的是为了进一步提高燃烬率及分解率、延长气固反应所必须的停留时间而进行优化设计的必然产物。 

　　4、结论 

　优化设计后的RSP从结　构及其特性分析，具有如下几大特色： 

　　(1)分解炉的燃料燃烧过程是在纯空气状态下进行。调节SB阀门可控制燃烧温度与火焰长度，调节SC阀门可控制燃烧空气中的氧含量，为燃料的完全燃烧创造了有利条件。 

　　(2)SC室内的涡旋运动不仅延长了气固停留时间，更主要的是使物料形成具有浓度梯度的吸热保护屏障，不仅保护了炉衬，同时也为燃料的燃烧创造了一个燃烧空间，使燃料易于稳定燃烧。 

　　(3)气固两相在RSP系统中最终的停留时间分别为3.5s和15s左右，由此可使入窑生料表观分解率达94%以上，燃料燃烬率达98%以上。 

　　(4)预分解系统的粘挂、结皮、堵塞主要原因，除原燃材料有害成分和操作技术外，关键在于燃料的不完全燃烧和在还原气氛下所引起硫碱挥发和低熔物出现所造成的，而RSP解决了不完全燃烧问题，从而也就控制了结皮、堵塞问题。