立磨的工艺要求与热风炉设计

  引言:               

　　矿渣微粉作为生产水泥重要的混合材之一. 目前已在全国以及世界各地逐步建立了矿渣微粉生产线. 作为钢铁厂高炉的矿渣. 由过去的粗放经营改为深加工. 提高产品的附加值. 各地钢厂早几年已实施这一工程. 对于引进的国外立磨, 承担这一主要任务. 而如何配置并设计热风炉系统, 达到烘干炉料的目的. 对于我国广大的工程技术人员, 应结合我国国情与燃料资源状况. 并充分了解引进国外立磨的机械特性与工艺要求.对 热风炉的燃料而言我国煤炭资源较天然气与高炉煤气, 焦炉煤气与重油, 柴油等要丰富得多. 因此, 我国热风炉燃料应定位于燃煤为主. 但也存在少量企业燃烧高炉煤气的热风炉.               
我公司是以工业炉研制, 设计, 技术服务一体化的专业公司. 为此专门开发了一种高效节能型扩散式喷煤燃烧炉 (热风炉) 新工艺生产线, 来配合矿渣微粉生产线.               

1.     立磨对热风炉的工艺要求:                  

1.1 可靠性:

　　立磨对热风炉的温度出口风温可调性要求非常高. 它要求热风炉对立磨预热. 并随产量的变化而不断地调节温度, 直至稳定正常运行. 

　　高效节能型扩散式喷煤燃烧炉. (热风炉)是一种可调比例非常高的高温型工业炉. 炉温可以从800℃～1500℃任意调节. 该新工艺生产线配置了对原煤的计量, 能对热风炉的煤耗彻底精算. 同要求原煤的计量与炉温形成圈流自控系统, 按设定生产工艺温度曲线, 组织生产. 即炉温过高. 原煤自动下降, 炉温过低, 原煤自动上升. 目的是始终保持热风炉对立磨的温度工艺要求, 而平稳可靠运行. 

　　立磨对热风炉的承受的炉膛负压要求也很严格. 各国的立磨机械性能不同而对热风炉承受的负压也不尽相同. 而一般国外公司产的立磨对热风炉所能承受的负压几乎要求达到300pa以上. 这对于不论是燃气, 燃油, 还是燃煤的热风炉都是一个巨大的考验. 特别是为燃煤的热风炉. 由于负压过大, 悬浮在空气中的煤粉燃烧效果必定很差. 煤粉气流速度过快, 冲刷炉墙与大量的煤粉跑到热风管内燃烧. 必然会有大量不完全燃烧现象产生和炉膛结焦, 以至于热风管结焦.

　　 为此, 扩散式喷煤燃烧炉(热风炉). 根据立磨自身特性和工艺要求, 设计成双机组工艺生产线与特殊的炉膛结构. 即前一部分为燃烧室, 后一部分为混合室. 在混合室我们设计了调节风门. 如立磨要求负压过大. 我们可打开调节风门, 使气流短路. 而不会造成燃烧炉形成过大的负压. 而不影响燃烧炉的煤粉燃烧. 如图1:      

　　实践证明: 每当新建立磨调试期. 如一旦因中控操作不当, 立磨产生巨大的抽风力时. 热风炉产生很大负压时, 只要迅速打开这些调风门, 热风炉的负压很快减少. 以适应立磨生产与调节. 因此, 在新建立磨与热风炉联动调试时, 这种调试是一种渐进式的调试. 不能说通过一二次调节就完成了. 只有中控人员彻底熟悉了立磨与热风炉的特性后, 准确地找出各机台的平衡点, 通过一段时间的磨合期才能使立磨投入正常的运行 

1.2  反应速度 

 热风炉应变反应速度要求特别快. 主要体现在如下几个方面:       

　　第一.如图所示. 温度反应时间要快. 特别是在立磨与热风炉联动生产时, 从立磨预热来看. 有些厂家反映立磨预热时间长短不一. 有些厂家立磨预热长达2小时. 有的厂家立磨预热仅半小时. 到底多长时间为好. 除与当地气候, 水渣的含水量和各厂家的立磨特性不同之外. 有点很重要的是与使用热风炉有关. 目前从全国来讲, 在矿渣微粉生产线中, 只配置二种炉型. 即一种为煤粉炉 (由我公司生产制作), 一种为沸腾炉. 实践证明: 煤粉炉由于自动化工程度高, 实现无人置守. 明显比沸腾炉要好. 温度反应速度要快的多. 

　　由中控发出指令给热风炉升温或降温, 至立磨入口温度变化不到5秒.由于沸腾炉有置后现象, 反映到立磨入口的温度, 需要较长的时间. 

　　第二.  对立磨特性要求负压来看. 也要求热风炉随着立磨的要求而随时具备负压应变能力. 特别是在立磨与热风炉联动调试期来讲显得特别重要.        

　　热风炉启动性要快. 高效节能型扩散式喷煤燃烧炉. 除去新建热风炉烘炉点火升温时段之外, 正常运行时点火升温只需要十几分钟. 对于我公司设计的工艺生产线之

　　第一.  中是由两条机组组成. 可根据立磨研磨的物料不同. 物料含水量不同而任意迅速启动任意一个机组. 而对于沸腾炉来说, 就困难得多, 启动时间也长得多.       

1.3  热风炉自动化控制系统: 

　　立磨要求热风炉的所有机电设备与热风炉的温度, 气氛, 压力, 煤的计量等等. 必须实现全部自动化控制. 即PLC自控系统. 热风炉自控柜只需要二根双绞线即可将热风炉所有参数通过计算机送入中控系统(DCS系统). 由中控完全掌握热风炉的运行工况. 实现热风炉车间无人置守与由中控巡视人员现代化工业操作制度. 

1.     热风炉的环保性能: 

2.1  N0x控制原理

　　整条生产线由两项国家专利组成. 即: <<双旋流煤粉燃烧器>>和<<高效节能型扩散式喷煤燃烧炉>>. 其中<<双旋流煤粉燃烧器>>是根据美国能源部的煤粉燃烧器的基本原理. 结合我国国情和材质要求而发明的一种新型煤粉燃烧器. 因此, 该产品具有良好的空气动力流场. 确保一定的煤风比例. 使煤流, 空气流达到均匀混合. <<扩散式喷煤燃烧炉>>是根据煤粉燃烧学原理和应用非氮化物燃烧新技术. 空气分级燃烧技术, C02高温回流技术等. 实现在炉内还原区产生大量的可燃气体. 如:CO,CH4等. 后进入炉内的第二阶段氧化区. 在炉内氧化区突然配入大量的新鲜空气与可燃气体结合产生大量放热反应. 从而杜绝大量的N0x物产生. 因此该炉也是种非氮化物燃烧的环保型工业炉.     

2.2   SO2 , SO3的控制      

　　 由于在原煤之中有在大量的硫铁矿. 硫的有机化合物与其化学成分组成的混合物. 作为用户首先把关, 进厂原煤必须选用低硫煤即S<1%以下, 方可进厂. 如条件限制必须使用当地高硫煤, 则应在系统之中考虑脱硫环保装置. 

2.3   CO的控制措施:

　　在热风炉内的氧化段通过进入的新鲜空气达到完全燃烧, 但是防止残余的CO漏出, 在我们要求的主热风管上第一个配风阀门常开时, 可调进大量的新鲜空气. 使CO进一步氧化成CO2进入系统. 从而控制CO的生成量. 从目前已建的生产线环保测废气中CO的含量远低于国家标准. 

2.4   立磨以及热风炉排放粉尘的控制:

　　热风炉整个工艺生产线为负压操作. 热风炉排渣为人工或机械排渣两种形式. 炉渣可回收再利用. 从而达到综合利用的目的. 废气粉末排放由系统之中的布袋除尘器考虑设置, 从目前运行的微粉生产线之中, 全部可达到对外排放70mg/M3以下的国家环保标准, 从而实现花园式工厂. 

1.     热风炉工艺生产线设计要点: 

3.1  工艺流程:

　　目前国内已在矿渣微粉生产线之中使用的扩散式喷煤燃烧炉煤粉炉工艺生产线有两种形式: 含有煤粉制备系统和不含有煤粉制备系统. 如下图:    

　　在整个工艺生产线之中, 不论那种形式, 其目的都需解决. 两大问题即煤粉燃烧效率的提高与污染物排放的降低. 如何解决上述两个问题, 也是我们不断探索和研究的问题. 为此, 我们重点从三个方面着手解决. 其一, 煤粉的细度与计量. 其二, 煤粉燃烧器. 其三, 燃烧炉的设计与环保处理. 根据上述原则与生产工艺, 我们采取如下几方面新技术.   

3.2  空气分级燃烧与热气流 (co, co2) 再循环燃烧:

　　我们利用了德国F.Totzek发明的K-T炉的工作原理. 将燃烧用的空气分阶段送入. 先将理论空气量的80%从燃烧器送入. 使燃料在缺氧的条件下燃烧. 即控制空气过剩系数.将燃烧炉分成两部分. 即前一部分是在还原气氛下, 产生了大量的H2与CO. 由于高温与适当的水蒸气(原煤之中的外来自然水分渗入反应). 即可产生一定量的CH4 (甲烷).    

C+2H2               

CH4+20870千卡; CO+3H2            

CH4+H20+49250千卡. 其中产生热风的工业炉是由于燃烧室与混合室组成. 产生甲烷气体主要是后一个反应进行. 当含有大量可燃气体, 运动到混合室时, 我们有意识补充大量的空气. 热气流在此产生剧烈的放热反应. 使未燃尽的碳粒子得到充分的燃烧. 固此有如下反应即:

 C+O2 ＝CO;

 CO↑+O2＝CO2↑   

CH4+O2＝CO↑+H20. 

　　为了防止有少量C或CO 未燃尽, 我们又通过回风管在从混合室取回部分未燃尽气体. 进入煤磨达到烘干煤磨中的原煤. 以携带这部分的水蒸气进入一次风到煤粉燃烧器, 进入燃烧室. 进行循环燃烧. 这部分既是我们常说的热气流再循环利用. 以减少不完全燃烧的损失. 提高工业炉的热工效率.    

3.3   CO2循环燃烧:   

　　在上述结果可以得出: 从混合室出来的大量高温空气(约95% CO2) 进入一次风携带煤粉送入炉膛. 这就是02/CO2和煤粉的再循环燃烧. 实验证明: 在O2/CO2的环境下, NOx的生成量由于供入空气量大大减少, 而产生的NOx大大减少.   

　　上世纪70年代以来, 世界上许多国家对煤的低NOx燃烧进行了研究取得了可喜成果. 我国也采取了多种方法. 如徐旭常院士开发的船形煤粉燃烧器. 通过分级燃烧, 不仅减低NOx排放, 对火焰的稳定也有很好的效果.   

3.4    双旋流煤粉燃烧器:   

　　作为工业炉燃料燃烧器也是非常重要的热工设备. 据我国燃烧资源和基本工业状态. 燃煤燃烧器难度最大. 与国外相比差距较大. 我们研究重点是用煤粉炉之中煤粉燃烧器. 我们依据美国能源部第二燃烧研究室研究的成果, 结合国内的实际国情研究出系列型双旋流煤粉燃烧器, 来配合扩散式喷煤燃烧炉. 该煤粉燃烧器共二大类16个品种. 采用配套各种型号的煤粉炉. 该产品已获得中国最优秀的专利产品. 如下图:  

该燃烧器是空气流与煤粉流两股气流同向组成旋转气流前进. 其中空气可分成直线或旋转气流水平前进. 空气量与煤粉量, 风速, 旋转角度, 配比均可调节. 调节参数可参考下表.  

　　　 在燃烧器出口, 在这2种旋转气流的作用下. 产生空间的负压区, 使燃烧火焰形成一种旋转火焰. 其火焰内部形成不同的压力空间. 在火焰旋转燃烧过程中, 可使未燃尽的煤粉颗粒重新吸回负压区. 组成煤粉二次燃烧, 使煤粉颗粒彻底燃尽. 由于该燃烧器出口在旋转火焰前进的过程之中, 产生大量的回流火焰. 使得燃烧火焰粗而短. 燃烧比较完全, 火焰炉膛充满度良好. 炉膛空间各处温度基本一致. 因而产生的热风风温较均匀. 燃烧风温可在700℃～1500℃任意调节, 能满足各类需求的工业炉料的烘干与煅烧.

1.       结束语: 

　　在全国矿渣微粉工艺生产线之中. 实践证明: 在应用上述煤粉燃烧新技术与热风炉设计原则后, 这些生产线应用效果均非常良好. 煤粉燃烧效率均可达到98%以上. 炉渣含碳量均在2%以下. 环保全部指标均已达标. 另外, 热风炉与立磨之间的距离. 热风管的管径 与热风管上各处阀门的配置, 以及热风管的余热利用等等. 均应在设计之中考虑的问题. 这里不再详述.