预分解窑系统在稳定运行条件下的用风

作者通过对国内一些厂家实际生产情况的热态检测分析，发现了不少问题，诸如窑炉用风量不平衡、系统总的用风量偏高等。本文从实际生产的数据出发，着重分析了二者的用风及其风量平衡问题，以及烧成系统总的用风量及风、煤、料平衡问题，从而可为工厂的实际操作提供借鉴。 

1　窑炉内煤粉燃烧的特点 

　　众所周知，窑内煤粉的燃烧处于物料的烧成带和冷却带区段，强烈的熟料热辐射使煤粉迅速达到着火温度，其燃烧速度主要由煤粉和空气的混合强度所决定[1]，加强气流的扰动将大大加快煤粉燃烧进程。而分解炉内煤粉燃烧则处于物料的分解区段，强烈的吸热反应迅速吸收了燃烧过程中释放的热量，煤粉颗粒升温速度明显比窑内慢，燃烧温度也低得多，在800～950℃范围内。因此要保证生料的充分分解，煤粉颗粒在分解炉内还必须具有适宜的停留时间。当然，也要注意到炉内存在着因物料分解产生的大量二氧化碳。所以炉内煤粉燃烧要差，燃烧中产生的现象也明显不同。不同的窑炉结构及不同的操作条件，窑炉内煤粉燃烧的环境也不尽相同，故燃烧所需要的气体量也不相同。 

2　窑炉的用风量 

　　过剩空气系数α是燃烧过程中的一个重要参数，可用以判断窑炉的用风量或煤粉和空气量的比例情况[2]。不过，对分解炉来说，由于炉内煤粉分散的不均齐，局部空间可能存在氧气浓度太低，导致炉内煤粉的不完全燃烧，因此要结合不同分解炉的特点，来考虑炉出口的过剩空气系数α。 

2.1　窑内用风 
　　
窑内用风主要是其一次风与二次风的用风，当然也包括窑头、窑尾的漏风。二次风量受到一次风量和熟料冷却等的影响。一次风用于窑头煤粉的输送和供给煤中挥发分燃烧所需的氧。低温的一次风量占入窑空气量不宜过多。当一次风量增加到总空气量的10%时，废气温度将上升4℃，相应热耗增加58.5kJ/kg[1]。有人认为，在生产上可考虑将煤中挥发分燃烧所需要的理论空气量近似看作为一次风量，即一次风量比例可控制在大约等于煤的挥发分的百分数[3]。对于较难着火的煤，应采用较低的一次风量，但一次风量太低也会影响煤粉着火后的燃烧需要；对于易着火的煤，一次风量就不宜过小，否则可能使化学和机械不完全燃烧损失增加[4]。 
　　
对于预分解窑，其入窑物料的分解程度受到窑废气量的影响，因为物料分解所需热量由分解炉内煤粉燃烧热及窑尾废气所含热量两部分组成。这样通过窑尾的过剩空气系数α及气体成分可分析出窑内通风情况。表1列举了国内几个生产厂家实际生产时，窑头一次风率(即一次风量占入窑总空气量的比例)及窑尾气体的过剩空气系数α等情况，表中的一次风率不包括窑头送煤风。  

表中各厂窑头所使用的煤粉燃烧器均为三通道喷煤管。一般说来，三通道喷煤管的一次风量比例小于15%(含送煤风)，国外较先进的可以达到6%～8%左右，国内一般为10%～15%。从表中的一次风率来看，A、B、E三厂比较接近这个范围，C厂稍高些。但D厂明显偏高，这主要是由于该厂地处高海拔地区(当地大气压为0.79×105Pa)，且一次净风为离心风机送风，为达到合适的火焰长度与形状，在风压不足的情况下只好靠增大一次风量和喷射速度来弥补，但这样阻力会变大，建议可考虑使用高压风机。 
　　
而从窑尾气体的α来看，A、E两厂较为理想，其它三厂均小于1，尤其是D厂，仅为0.941，CO含量高达3.8%，说明窑内的用风不足，这就难以保证窑内煤粉的完全燃烧，未燃烬的煤粉到上升烟道、五级筒甚至四级筒内继续燃烧，生产中此处经常发生结皮堵塞现象。 
　　
但从窑尾温度来看，C厂明显偏高(但烧成带温度不高)，说明该厂窑内排风量过大，一次风混合不理想，火焰拉长，使火焰的高温部分远离了窑头。 

2.2　分解炉的用风 
　　
实际生产中为了保证炉内煤粉的燃烧完全，对分解炉的用风要求较高，但较为复杂，这不仅与分解炉的炉型、结构特点、操作等密切相关，还要受到窑、冷却机的操作、三次风抽风点的位置等影响。就三次风而言，其气流入炉的起始状态以及在炉内的运动规律对煤粉的着火和生料的起始升温有明显的影响[5]。入炉风与煤粉的充分混合对炉内煤粉的燃烧反应极为有利。目前有的厂家考虑把分解炉的煤粉燃烧器改为三通道喷煤管，也是基于这方面的一个想法。本文仅从入炉三次风量V3、煤粉燃烧所需理论空气量、炉出口过剩空气系数α及出炉气体O2、CO含量4个方面，对国内几个 厂家加以对比分析，如表2所示：

表中括号内的数值为MC室出口气体的α，括号外的数值为SC室出口气体的α。 
　　
需要指出的是A厂分解炉的三次风量比煤粉燃烧所需的理论空气量要小得多(其流化风量为标况下0.131m3/kg，加上三次风量、炉用煤风后总风量为标况下0.446m3/kg，比煤粉燃烧所需的理论空气量稍少)，但其分解炉采用的是流态化操作，煤粉在炉内停留时间较长，炉内温度场比较均匀，低温、低α操作是流态化分解炉操作的一个特点。表中A厂炉出口的α为窑气与炉出口气体混合后的结果，这个数值较为合理。B、D两厂分解炉的用风也比较合适，其三次风量稍大于炉内煤粉燃烧所需理论空气量，加之炉用送煤风，分解炉出口的空气量有一定的富余。但C厂的分解炉内煤粉燃烧所需的空气量比三次风量大，而且不管是从SC室出口气体的α(1.305)还是从SC室出口气体中氧的含量(4.56%)来看，又都表明炉出口过剩空气比较多，实际生产中SC室出口的气体温度只有833℃也证实了这一点。如表3所示，这只能说明其SC室内存在较严重的机械不完全燃烧，大量未燃烬的煤粉到MC室继续燃烧，导致MC室甚至整个窑尾系统出口气体温度偏高，实际生产中MC室出口气体温度为951℃。不过从其MC室出口气体的α(1.106)来看，该RSP分解炉整体用风量尚可。E厂分解炉三次风量明显偏大，过多的过剩空气量导致炉出口的气体温度降低，实际生产中SC室出口温度为940℃，低于D厂SC室出口的温度(1011℃)。 

 
表中括号内的数据为MC室出口数据，括号外的为SC室出口数据。 
　　
由表中炉出口的物料分解率可以看出，由于A厂分解炉设计的意图是采取反应两步到位，故炉出口的分解率不高，只有39.78%，但该厂把窑尾的上升烟道来作为第二分解炉，充分利用了窑尾废气带入的大量的热量，使得入窑的物料分解率达到87.89%，C、D两厂的分解炉也有类似的想法，不过这两厂SC室出口的物料分解率与国外同样炉型的分解炉相比，差了近30%，说明国内该类型分解炉在用风与用煤方面仍有待于提高。 

2.3　窑炉用风量的平衡 
　　
在预分解窑生产操作中，要求稳定喂入生料量和煤量，还要稳定窑炉用煤的比例，并据此调节好系统用风量，使系统各部分压力和温度相对稳定。操作上可根据窑炉内煤粉燃烧情况，调节好三次风管与窑尾上升烟道的阀门，使系统总风量及窑炉系列风量平衡均达到要求[6]。 
　　
但有的厂家为增强烧点火力烧成熟料而增加窑头用煤量，窑头用煤量的增加又会导致窑内煤粉出现不完全燃烧现象，尤其是当喂煤量出现波动时，这种现象更加严重，这时如果窑—炉—末级筒与三次风管系统阻力不平衡，煤粉在末级筒中发生后燃烧现象，产生局部熔融，导致末级筒甚至上一级筒出现结皮堵塞，这在E厂RSP窑系统发生过多次。 
　　
表4列举了这5个生产厂家窑炉用煤量比例及窑尾、炉出口以及末级筒出口气体的α及O2、CO含量。 

 
表4窑炉用煤量比例及窑尾、炉出口、末级筒出口气体的α及O2、CO含量 

由表可以看出，除A厂外，B、C、D三厂均存在风量不平衡问题，总体上都表现为三次风量偏大、窑内通风不足。其中B、C两厂炉用煤量偏高，尤其是C厂。在回转窑用煤量不足30%的情况下，窑尾出口气体的α还不到1.0，说明该回转窑内的通风难以保证窑内煤粉的正常燃烧，窑内的还原气氛极容易导致窑尾较频繁的结皮堵塞。其炉用煤量过大，使得实际生产中入窑生料分解率一般都在95%以上，很多的时候高达97%、98%甚至99%，这必然过分增加分解炉的负荷，造成窑尾系统整体温度过高，而窑内烧成温度不够，导致熟料升温偏低，游离CaO升高，影响熟料质量。 
　　
E厂窑尾的α为1.068，说明窑内的通风较为合理，但由于窑用煤量相对较多，窑头烧成带的热负荷相应增加，这也影响了窑的正常使用寿命，且炉内因用煤量偏小而显得三次风量过量，导致炉出口气体温度下降。分解炉的喂煤量应根据预热器来的生料升温及分解所需要的热量及热效率确定，通过控制物料分解率和炉出口气体温度来调节喂煤量；而窑用煤量应根据入窑生料量及分解率来确定，回转窑在此主要起物料的烧结作用[6]。 
　　
生产中一方面要根据各级预热器温度、压力、窑尾和一级筒出口的O2含量调节主排风机的转速和冷却机供风量，实现总风量与煤、料的合理匹配；另一方面也要根据窑尾及一级筒出口的过剩空气量，调节三次风管阀门或上升烟道的闸门，实现窑炉用风量的合理分配。 

3　系统总用风量 

　　系统总用风量取决于用煤量大小和系统生产能力，而煤又取决于料。风量控制的主要依据是保证煤粉的完全燃烧，而不需要太多的过剩空气量。系统喂料量的控制主要取决于系统温度的高低，使系统内温度与其生产能力相适应。此外，还应结合生料的率值成分加以综合考虑。但在增加喂料量时，应注意预热器和分解炉内料气之比，避免因料荷过大时，气体携带能力下降造成塌料。系统喂煤量的大小与生料喂入量密切相关。当喂料量变化时，烧成系统温度也会随之发生变化，此时需改变窑炉用煤量比例，调整因喂料量变化而引起的温度波动，以重新建立一个平衡的工况。若系统用风量过低，预热器内物料悬浮不起来，达不到充分换热的目的，且容易导致窜料等现象；但若系统用风量过高，不仅使系统阻力变大，电耗增加，而且出口废气量的增大，也会导致系统热耗的增加。因此必须通过合理调整风、煤、料量等来保证三者混合均匀，物料悬浮状态良好，分解充分，煤粉燃烧完全。 
　　
表5列举了上述5个厂预热器出口气体的α、总风量及冷却机供风量与系统烧成热耗。  

表5 预热器出口气体α、总风量、冷却机供风量及烧成热耗(标况) 
由表5可见，A厂系统用风量比较合理，E厂系统用风量明显偏大，其预热器出口气体的α达到1.586。这必然导致预热器出口废气带走热损失增大，系统的烧成热耗增加，如表5所示。资料表明[1]，预热器出口每增加10%过剩空气量时，废气温度将增加16℃，热耗相应增加25kJ/kg，E厂系统用风量较高的原因除冷却机供风量达到2.846m3/kg，系统较严重的漏风也是一个原因，尤其是旋风筒锥体膨胀仓的捅灰孔。 
　
　表5中D厂的冷却机为单筒冷却机，与其它厂家的篦冷机相比，其入冷却机风量相对要小些。B厂冷却机的风量过大，标况下为3.086m3/kg，虽然其冷却机的余风排风量也较高(标况下1.961m3/kg)，但仍容易导致系统废气量偏高、二次风温偏低，热效率降低。目前国内不少厂家采用的第三代带空气梁的篦冷机，其充气篦板具有高阻力、高气流穿透性特点，可减小熟料颗粒大小和料层阻力变化的影响，强化气固换热，使熟料得到有效的冷却，并能提高入窑二次风温与入炉三次风温，有利于窑炉内煤粉的燃烧。 
　　
从系统用风、煤、料量比例也明显可以看出，B厂用煤量偏高，这与其使用煤粉的低位热值较低有关。E厂用风量偏大，而C厂无论是用风还是用煤都有些偏高，同时较高的窑尾温度也说明了该厂在实际操作中排风量过大，建议工厂在实践中应逐步加以修正，以达到优质、高产和低耗的目的。 

4　结论 

　　预分解窑系统的用风比较复杂，不同窑型、炉型要求的用风也不相同，且不同的窑头用风与分解炉用风对煤粉燃烧的影响也不相同；同时，入冷却机风量以及系统各处的漏风，如预热器系列、窑尾、窑头等的漏风都对窑系统的正常操作及热耗产生影响。生产中要注意风的分配、窑炉用煤量的比例，兼顾整个系统的风、煤、料的平衡关系，为工厂优质、高产、低耗打下基础。