Φ3m×48m捷克型立筒预热器窑对原燃料中硫碱适应性的探讨

　　1  引言 

　　 我厂以节能、提高水泥质量为目的,于1986年对干法中空窑进行技术改造,该技术改造工艺设计由湖南省建材工业设计院承担,立筒部分由捷克斯洛伐克引进,选用Φ3m×48m回转窑与之匹配,该系统于1988年建成投运至今,经历了第一阶段(1988年～1995年7月)用砂页岩配料,硫<3%的低硫煤煅烧和第二阶段(1995年8月至今)采用黄土配料,混合煤(高硫煤∶低硫煤=3∶1)煅烧。通过这两个阶段原、燃材料中硫、碱的变化造成立筒结皮、堵塞的情况分析,使我们对捷克普列洛夫型立筒预热器对原、燃材料中硫、碱适应性,有了新的认识,为我厂找到了一条合理利用当地资源的有效途径。 

　　2  情况简介 

　　2.1  窑系统工艺流程简介

　　该系统采用国产Φ3m×48m回转窑与捷克引进的普列洛夫立筒预热器配套,设计能力15t/h(由于工艺设计、窑通风条件及窑运转率等问题的存在,窑产量未达到设计能力),熟料采用Φ2.8m×28m单筒冷却机冷却,煤粉制备采用Φ1.7m×2.5m风扫磨,并从窑头抽取热风进行烘干粉磨,出窑废气一部分进入Φ3.2m×5.8m风扫生料磨烘干生料,一部分进增湿塔,经增湿、降温后,与生料磨废气汇合,通过一台30m2电收尘器收尘后排入大气,电收尘、增湿塔收下的生料粉尘入搅拌库与出磨生料搅拌均匀后入窑煅烧。工艺流程见图1。

图1  窑系统工艺流程  

　　2.2  立筒的外型及热工参数 

　　普列洛夫型立筒预热器,由1个圆柱形直筒、一级旋风预热筒(2个)、一级旋风收尘筒(8个)组成,出窑废气经上升烟道(截面尺寸:1400mm×1400mm)切线进入立筒,进入立筒的气流呈螺旋上升,经中心风管进入旋风预热筒,出旋风预热筒废气,经旋风收尘筒收尘后,进入高温风机。生料通过气力提升泵送入中心风管,经旋风预热筒预热后,与旋风收尘筒收下的生料一道进入立筒,经撒料器分散后,在气流离心力和自身重力的作用下,呈螺旋状自上而下运动,进行热交换,充分预热好的生料进入立筒锥部,经下料管进入窑内。普列洛夫立筒外型及热工参数见图2。

图2  普列洛夫立筒外型及热工参数  

　　2.3  对原、燃材料中硫碱的要求 

　　为保证普列洛夫立筒预热器的运行完全可靠,在引进合同中,对原、燃材料中硫、碱提出下列要求: 
      　燃料中硫<3%;  
      　生料中碱含量:(Na2O+K2O)<1%; 
      　生料中氯含量:<0.5%; 
         硫碱比:0.6～1。  

　　3  原、燃材料成分及有害成分的计算

　　3.1  原、燃材料成分

　　原材料及燃料的成分分别见表1和表2。混合煤中硫含量见表3。 

表1  原材料平均化学成分(%) 

表2  低硫煤、混合煤工业分析及有害成分

表3  混合煤中硫含量(%) 

　　3.2  物料配比 

　　根据我厂多年的生产数据统计,熟料热耗为4800kJ/kg熟料。由所列的原料化学成分和低硫煤工业分析,经配料计算,各原、燃材料配比见表4。 

表4  原、燃材料配比(%) 

　　由所列的原料化学成分和混合煤工业分析,经配料计算,各原、燃材料配比见表5。  

 表5  原、燃材料配比(%)  

　　3.3  有害成分的计算 

　　3.3.1  砂页岩配料、低硫煤煅烧时(第一阶段)有害成分的计算  

　　根据所列有害成分K2O、Na2O、、SO3的含量和表4各原、燃材料配比,经计算可知: 

　　生料中:K2O=0.817%         Na2O=0.279% 
    　　　　K2O+Na2O=1.096% 
                SO3=0.357% 

　　煤带入的=0.53%,折合成SO3=1.325% 

　　3.3.2  黄土配料、混合煤煅烧时(第二阶段)有害成分的计算

　　根据所列有害成分的含量和表5各原、燃材料的配比,经计算可知: 

　　生料中:K2O=0.731%             Na2O=0.037% 
                K2O+Na2O=0.768% 
                SO3=0.334% 

　　煤带入的=1.33%,折合成SO3=3.325% 

　　　硫碱比=3.87  

　　4   普列洛夫型立筒和窑运转情况  

　　自1988～1995年7月的第一阶段,采用砂页岩配料,低硫煤(s＜3.0%)煅烧时，立筒运行情况良好，很少发生因结皮垮落而堵塞立筒，上升烟道结皮也较轻，只要每间隔2～3d，停窑清理一次上升烟道结皮(大约30min)就能保证窑正常运转，不会引起通风不良。在1993～1994年，由于低硫煤资源紧张，且煤质差，发热量低，为降低生产成本，提高烧成带热力强度，我们试着在低硫煤中掺入一定量的高硫煤(在8%～10%)，将发热量提到22154kJ/kg煤，在4%～6%，此时立筒结皮变化仍然不大，但发现窑长后结圈频繁，影响窑的产量，在第一阶段窑的产量平均在12.5t/h，熟料平均标号56MPa。为了提高窑的产、质量，降低成本，我们于1995年8月，采用易烧性好的黄土代替砂页岩配料、混合煤煅烧，虽然煤中增至6.37%，硫碱比达3.85，但立筒运行仍然良好，仍只需2～3d打一次窑皮，窑长后结圈的频率也明显减少，台时产量达到14t/h，熟料平均标号达到62MPa。通过近8年的生产实践证明，在燃料中硫和熟料硫碱比已超出捷克要求的条件下，窑仍然能正常运行，说明该立筒对原、燃材料中硫、碱的适应性，特别是对硫的适应性较强。  

　　5  原因分析 

　　引起立筒预热器窑结皮、堵塞的机理,是碱、氯、硫等物质在系统运行过程中,随着温度的不同,它们本身的物相及物理化学性质亦发生变化,在高温地带,这些物料受热挥发,随烟气带往窑后烟道、预热器系统,并凝聚在生料颗粒表面上使生料表面的化学成分改变,其熔融温度降低。当这些物料处于较高温度下(如1000℃以上),其表面开始部分熔化,产生液相,生成部分低熔化合物,这些含有部分液相的料粉颗粒,特别是悬浮于烟气中的这种颗粒借助于惯性力,被甩向边壁,与温度较低的设备或管道内壁接触时,便可能粘结在器壁上,形成结皮。如果有害成分含量低,温度低,出现的液相就少,结皮的几率就小,粉料即使部分粘结,也可能因气流的冲刷而脱落,皮层不易结厚。反之,碱等有害成分含量多,温度较高,液相多而粘,则容易使料粉层层粘挂,愈结愈厚,尤其是预热器的拐弯或缩口处,因气流速度、方向的改变,其中含有液相的料粉因惯性作用,甩向器壁,动能转化为压力,将使结皮的倾向增加。一般的结皮,层状多孔疏松易碎,但如果在较高温度下,受热时间长,也会变得坚硬。总之,产生结皮的主要因素是有害成分含量的多少,温度的高低;结皮严重点则是气流拐弯处和变径处。普列洛夫型立筒,由于其特定的结构形式,有利于防结皮、防堵,对原、燃材料中有害成分适应性强的原因大致有以下几点。  

　　(1)该立筒预热器的上升烟道截面较大(1.4m×1.4m),直筒部分为Φ3.1m的圆柱体,没有狭窄管道、缩口和急拐弯,降低了料粒与器壁的接触机会,有利于防结皮、防堵。立筒进风为切线进风,当废气进入立筒旋转一周后,由于与立筒内的生料进行剧烈的热交换,温度降至730℃左右(实测),附着在生料粒子表面的硫、碱已由熔融态转化为固态,失去粘附力,减少料粒在直筒壁的附着机会,从而减少了筒壁的结皮。

　　(2)立筒预热器窑原料中的挥发组分循环系数为11～30,而旋风预热器窑则高达74～208。因此,立筒预热器窑结皮几率明显小于旋风预热器窑。 

　　(3)从原、燃材料中带入的硫碱在窑内发生一系列化学反应,一部分以化合物的形式进入熟料中被带出;一部分随烟气被带入低温区,冷凝吸附,产生结皮;一部分附着在生料粒子表面,被收集下重新入窑;一部分则随废气排向空中。从图2中所标明的各点废气温度可知,硫、碱的吸附,主要在回转窑、舌头、立筒上升烟道B点之间进行,并产生结皮,结皮塌落时,则由上升烟道直接进入窑内,产生循环,从而减轻了因垮结皮而堵塞下料管的危险。由于立筒内温度较低,所以立筒部分的结皮不会严重,经过多年的生产实践证明,结皮疏松,塌落时易碰碎,不会引起下料管堵塞。 

　　(4)第一阶段,生料中碱含量高于第二阶段生料的碱含量0.328%。第二阶段,煤带入的硫比第一阶段多0.8%,而两阶段立筒仍能正常运行,结皮严重程度也差不多。笔者认为:上升烟道的结皮主要是低熔点的K2SO4(880℃),而比K2SO4熔点高近200℃的Na2SO4,则主要在上升烟道的始端、窑尾舌头等部位形成结皮,由于两个阶段的K2O含量基本相同,虽然R2O含量不同,上升烟道的结皮应是相同的,由于R2O含量的不同,窑尾、舌头等处的结皮第一阶段比第二阶段严重,所以原料中的K2O对该立筒的危害性不容忽视,通过对立筒上升烟道结皮样分析,也证明了这一论断,结皮分析结果见表6、图3。  

表6  结皮取样点结皮分析结果(%)  

图3  上升烟道结皮取样点 

至于燃料中硫对立筒的危害,从表6中可以看出有两处富集,第一处在上升烟道的拐弯处(D点),由于该处结皮垮落时,由上升烟道掉入窑内,不会引起下料管堵塞。第二处在立筒的F点,由于该点温度较低,形成的结皮疏松、易碎,加上旋转气流的不断冲刷,易脱落,掉入立筒锥部,撞上筒壁后被碰碎,不会引起下料管堵塞。硫对普列洛夫立筒的危害性是较轻的,在原料中R2O含量低,特别是K2O含量低时,采用高硫煤煅烧是可行的。

　　(5)该立筒在易形成结皮的部位,均设有打结皮小孔,结皮清除方便。  

　　6  经验总结  

　　(1)普列洛夫立筒预热器由于其特有的结构形式(上升烟道切线进入立筒,生料经立筒锥部下料管入窑),硫碱的吸附主要在上升烟道,因而对硫、碱的适应性特别是硫的适应性强。笔者认为在生料中R2O含量小于1.0%的情况下,硫、碱比可适当放宽。 

　　(2)严格控制出窑废气温度小于1050℃,上升烟道B点温度小于880℃,确保硫、碱的主要吸附区不进入立筒。要达到上述条件,从看火操作上要适当控制火焰的长度;从工艺上,应采取可行的办法增强回转窑预热,碳酸盐分解各带的热交换和上升烟道的飞灰循环量,降低出窑废气温度和A、B两点的温差,见图2。 

　　(3)严禁止料煅烧。由于止料,出窑废气温度以及立筒各部位温度急剧上升,硫、碱内循环向立筒后移,在立筒内产生严重结皮,若突然下料,立筒温度降低,结皮热胀冷缩脱落,而堵塞立筒,若发现不及时,物料可堵至切线进风口处,清除堵料的工作量很大。  

　　(4)在原料中碱含量大,特别是Na2O含量大时,窑尾舌头因硫碱的吸附,而影响下料管出料的正常流动,严重时,将下料管堵死,引起立筒堵塞,对窑尾舌头的积料,可采用空气炮或压缩空气,定期进行清扫(不需停窑)。  

　　参考文献 
      1  华中水泥厂.赴捷学习技术总结(内部资料).1987 
      2  陈全德,曹辰等.新型干法水泥生产技术.北京:中国建筑工业出版社,1987 
      3　F.凯尔(德),杨德骧译.水泥生产及性能.北京:中国建筑工业出版社,1982 
      4　F.M李(英),唐明述等译.水泥和混凝土化学.北京:中国建筑工业出版社,1980