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二次风温丨充分认识二、三次风温的重要意义

来源:《中国水泥》 发布日期:2018/6/6 编辑:李芳
关键词: 二次风温  
核心提示:二、三次风在熟料生产中不但是煤粉燃烧的氧气供应者,又是回转窑、分解炉的重要热源,更是物料在分解炉中完成悬浮、混合、旋喷、扩散等多重任务的动力源泉,具有三重重要意义。

二、三次风在熟料生产中不但是煤粉燃烧的氧气供应者,又是回转窑、分解炉的重要热源,更是物料在分解炉中完成悬浮、混合、旋喷、扩散等多重任务的动力源泉,具有三重重要意义。二、三次风是一对孪生兄弟,都源於窑头罩,具有相同的温度和成分性质,一个用于回转窑,一个用于分解炉,是熟料生产所需的必要条件。水泥熟料的生成是液相烧结,较高的反应温度可获得较高的合成率;同理相同的合成率,温度越高,反应时间越短,反应速度越快,高温对固相反应的扩散具有大的影响。新型干法生产追求较高的反应程度、最低的时间消耗、达到最高的产量。更少的反应时间需要有较高的反应温度,二、三次风温的高低与煤质的优劣是影响温度、影响熟料煅烧效果的两大因素,而二、三次风温的高低常有着不被人十分看重的重要意义。 

1、三次风对分解炉工作状态的影响

1.1 分解炉的工作状态

(1)辉焰燃烧。当煤粉喷入分解炉后,在三次风的作用下物料、煤粉颗粒在热气流中悬浮,吸收热量燃烧,发出光和热,形成无数的小火星;这些小火星实质上是一个个小的火焰,它们在气流作用下悬浮、充满整个分解炉,形成燃烧区,但从整体上却看不到具有一定轮廓的有形火焰。因此分解炉中煤粉燃烧并不是一般意义上的无焰燃烧,而是充满全炉的无数小火星组成的燃烧反应,称之为辉焰燃烧,物料颗粒在三次风动力的作用下悬浮、扩散于高温热气流中,固体颗粒发出光、热辐射,呈辉焰状态。三次风温的高低、风量的多少直接影响着辉焰燃烧的效果和分解炉的工作状态。


(2)辐射传热。分解炉内的传热主要以对流为主,约占99%,其次是辐射传热。辐射传热速率随温度的四次方而变化,这种辐射传热虽然只占分解炉内总传热量的1%,但却对全炉的温度均匀分布极为有利。由于分解炉中燃料与物料是以悬浮状态混合在一起的,燃料燃烧放出的热量立刻被物料吸收。三次风温高,燃料燃烧快、放热快,物料分解就快;三次风温低,燃料燃烧慢、放热慢,物料分解就慢。因此,三次风温度的增减对分解炉工作影响很大。 

在分解炉中,生料分解在接近平衡的条件下进行,炉内温度一般在860℃~920℃之间,这时如果温度有一定变化,如升高或降低,都将因幅射传热的变化打破原有的平衡,会引起分解反应速度的升高或降低,由于CaCO3分解反应对温度变化的敏感,温度升高或降低都将引起反应速度常数的增加或降低。这一反应速度直接受三次风温高低、速度、数量大小的影响。 

1.2、作为动力的三次风气流 

在分解炉中,燃料燃烧放热,悬浮状态传热,与物料分解吸热这三个过程是紧密结合在一起的,只有在燃烧放热速率与分解吸热速率相适应时,分解炉才能发挥其应有的作用。因此,分解炉的大小首先应保证生料碳酸盐分解率符合要求(一般在85%~95%)及燃料完全燃烬。从实验得知,当生料预热到600℃进入分解炉、在悬浮状态下、900℃时,0.8s内分解率可达到85%;而煤粉燃烬时间约需1.5s~2s,可见煤粉完全燃烬所需的时间比碳酸盐分解所需的时间要长。因此,对分解炉内气流运动提出一定的要求,以适应物料吸热分解与燃料燃烧放热时间的一致。 

首先是分解炉在设计上利用自身结构上的变化、使气流产生强烈的旋转或喷腾效应,又由于离心力的影响,物料的流动速度滞后于气流的运动速度,使三次风在充分供氧的同时、成为物料激烈旋转、循环喷腾、悬浮输送的动力。为此要求分解炉各部位风速稳定,物料悬浮均匀,在相同的断面风速下,生料和煤粉由于气流附壁效应产生离心力的影响,使其在炉内所走的路程与气流所走的路径不同,从而使其在炉内的停留时间大幅度延长;炉内的气流依靠附壁效应使其含尘量大幅度增加而又不产生落料,使料粉在炉内获得适当长的吸热分解时间。

同样,由于炉内的旋流或喷腾效应,煤粉滞后于气流,使煤粉颗粒在炉内的停留时间大大延长,造成炉内煤粉浓度增大,这样也会使分解炉单位容积燃烧颗粒总面积增加、使总的燃烧速度增大,从而提高分解炉单位容积的热负荷。 

二是用增大分解炉的容积和降低炉内风速来延长物料在炉内的存留时间。但大型窑外分解系统如片面增大分解炉容积,将增加制造、安装的难度、费用和运转能耗。为此出现了在分解炉上方至5级筒之间加装长60m大鹅管的设计,大鹅管具有增大炉容、延长路径、延长分解时间、延长煤粉燃烧时间等明显效果,是预分解窑技术的创新与发展。而降低风速,将减小气流悬浮输送能力,制约产量的提高,不可行。

1.3、三次风温 

分解炉是窑外分解窑的核心,它不但承担着系统燃料燃烧、气固换热、物料在分解炉中完成悬浮、混合、旋喷、扩散、碳酸盐分解等多重任务,具有重要意义,而且对整个烧成系统的热力分布,热工制度的稳定起着至关重要的作用。虽然现在应用的分解炉型式众多,结构各异,但其特点和具有的功能基本相同,都属于高温气固多相流反应器,且具有悬浮床的特征。中控操作者应认识到:三次风温、分解炉温度是最重要的检测和控制参数,它不但表征了生料在分解炉内的预分解情况,即生料分解率的高低,同时也表征了燃料的燃烧情况。三次风温是窑系统最重要的操作参数,知道进分解炉三次风温的温度,基本上就可以判断出该窑系统的运转状况:如二次风温、烧成带位置、分解炉温度、进窑生料分解率、熟料的预期质量等。在正常情况下(三次风阀开到位、三次风管截面积正常):如进分解炉三次风温的温度在900℃~950℃,烧成带位置应在窑前,熟料28d强度应在56MPa以上;如三次风温的温度在800℃~900℃,烧成带应在窑中,熟料28d天强度应在55MPa以下;如三次风温的温度在800℃以下,熟料烧不透、“黄心”、淬冷不好,28d强度应在50MPa左右或以下等,且对燃料消耗指标有明显的影响。因此三次风温是窑系统操作优劣的明显标识,是最重要的操作参数,中控操作员对此应严格把握,努力改善分解炉的工作状况,稳定热工制度。对烧成带位置影响二、三次风温高、低的这种依存关系也应是工厂管理者对生产环节关注的首要着眼点。同时应当指出:三次风温高、熟料质量好,是节能降耗、降低成本、提高产量的前提。

温度是影响生料分解速度的最主要因素,随着温度的升高,分子运动速度加快,反应速度增加,分解速度常数增加,CaCO3分解时间缩短,速度加快,分解效果提高;分解率高、低是评价分解炉性能优劣的标志。三次风温的高低变化对分解炉炉温产生直接影响,故进入分解炉的三次风温应高于分解炉的中心温度,三次风温高,可直接提高分解炉炉温和分解率,入窑分解率高,窑内热负荷小,窑速快,热工制度稳定,熟料产、质量高。但这并不是说,分解炉内温度越高越好,分解率越高越好(如100%)。因为当生料还没完全分解时,燃料燃烧所放出的热量,除加热生料到分解温度以外,其余全部用于生料中碳酸盐的分解,这时炉内温度基本恒定,一般在850℃~950℃之间,当分解炉中分解用热有富裕时,多余的热量就用于加热炉内物料,这时炉内和炉出口温度就要升高,这会导致分解炉内旋风筒及连接管道、下料管结皮堵塞、热量损失。因此,入窑分解率应控制在一定范围内,一般要留出一定比例的物料(如5%左右)入窑分解,以使操作稳定,同时在分解炉中没有被分解的物料大部分是结粒比较大、较难分解的;这些较难分解的物料喂入窑内经较长时间的煅烧,碳酸盐分解较为完全,在经济上是合理的。 

三次风温高,分子运动速度加快,反应速度增加,分解速度常数增加,分解效果提高。但结构致密的石灰石,晶体间离子键作用力大,抵抗外来破坏的能力强,分解速度慢;结构相对疏松的石灰石分解速度较快。 

三次风温低,炉内部分热量要用来增补、提高三次风的风温,造成煤粉燃烧速度变慢,以致发生不完全燃烧;未燃烬的煤粉颗粒随气流离开分解炉后,在C4、C3等预热器内继续燃烧,造成分解炉、预热器等后续系统的超温、结皮,严重时引起堵塞、塌料等。 

三次风温低、分解炉温度较低,物料吸热不足,分解不完全,入窑生料表观分解率降低,未分解的物料进入回转窑后,进一步吸热,完成分解反应,从而使回转窑内过渡带相对延长,其余各带相对缩短,烧成带向窑头方向压缩,使原本就不长的烧成带变短;熟料烧不好、烧不透,同时由于窑内吸热量的增加,需要增大窑头用煤量来补充热量的消耗;为保证煤粉完全燃烧,就要加大窑内二次风量,增加煤粉完全燃烧所需要的氧气,引起窑炉、风、煤的波动和比例失调;也由于物料分解在窑内吸热,影响窑内正常的热工制度:引起物料压迫火焰形状不规整、火焰回缩,轻者窑速波动大,稳不住,熟料产质量下降,游离钙高,出现黄心料;重者窑内窜灰、跑生;更为严重的是,由于热工制度不稳,火焰形状不良,极易引起窑内窑皮垮落、结圈、火焰冲刷腐蚀,造成窑皮变薄,耐火砖受损,甚至红窑等事故的发生。因此,在日常的操作中,首先要保证入窑物料分解率在规定的范围内,同时尽量使其相对稳定,避免大的波动,以保证回转窑的正常稳定运行。

1.4、三次风量 

分解炉内汇聚一、二、三次风、窑风及CaCO3分解释放出来的CO2等风量的总和,但只有三次风是含氧风量,是影响分解炉工作状态的重要因素。而大量不含氧,温度在800℃以上的窑风、CO2气等,与三次风一起是以后在四个预热器中加热生料粉的可靠热源。三次风量小、风速低,会造成物料扩散性、悬浮性变差,旋喷效果下降,减小传热面积,改变分解过程的性质,分解率降低;三次风量大、风速高,悬浮性好,传热面积增加,分解率提高等。降低或提高三次风量、风速是影响料粉悬浮分散程度、生料分解速度、分解率的重要因素。在分解炉中,物料以悬浮态存在于热气流中,可看作是单颗粒,传热面积大,这就增大了料粉与热气流的接触面积,传热系数比回转窑高2.5~10倍,传热面积则比回转窑大1 300~4 000倍,回转窑在800℃~1 100℃的温度下,CaCO3的分解通常需要15min以上;而在分解炉内、850℃时,生料表观分解率达到85%~95%只需几秒钟;分解炉中CO2浓度低、分压低,有利于CaCO3的分解,充足的三次风量可有效降低CO2浓度,是碳酸盐顺利分解的有力保证。 

煤质对分解炉内温度和分解率的影响十分显著:煤粉细、水分小,分散悬浮度好,燃烧完全,可获得较高的燃烧效率;反之,煤粉粗,分散不好、燃烧不好,造成煤粉后燃、在C4、C3等预热器中继续燃烧,严重时引起结皮、堵塞等事故,并极易烧毁C4、C3等预热器挂片,因收尘效率下降,造成塌料;挥发分高的煤喷入分解炉与高温三次风混合后迅速燃烧,易在分解炉底部形成局部高温而产生结皮。

2、二次风对烧成带温度的影响 

烧成带是水泥熟料矿物形成、耐火材料经受高温、液固两相交错反应、窑皮集中形成的地方,烧成带的温度是影响熟料产、质量的关键因素。影响烧成带温度的因素很多,如窑尾温度、喂煤量、煤粉热值、一次风速、风量、二次风温、风量、筒体表面散热、窑体转速、出窑熟料温度、熟料产量等,都对烧成带温度具有重要影响。烧成带温度较高时,阿里特晶型由MⅠ向MⅢ型转变。MⅢ型早期水化较慢,3d后的浆体致密,强度提高快,贝利特在高温煅烧及快速冷却下,可使B矿保留活性较高的a型;煅烧温度提高使液相粘度降低,有利于Al2O3溶进铁相 ,形成C6A2F,铁相增加,而剩余下来生成含铝相的Al2O3减少;煅烧温度提高也使A矿中固溶的Al2O3增加,从而减少铝相。提高烧成带的温度是改善熟料质量的关键措施之一。 

随着二次风温的增高,熟料烧成带温度呈明显的增加趋势。较高的二次风温不仅是窑内煤粉燃烧的热源,而且为煤粉燃烧提供所需要的氧气;根据二次风温,可以了解熟料的煅烧状况,从而明显减少窑头喂煤量。计算表明,1 200℃的二次风温较1 100℃的风温,可节约4%的燃料消耗。因此,较高的二次风温对提高烧成带温度、节省能源是有益的。 

理论上烧成带温度随窑尾温度的升高而降低,出窑尾废气的温度越高,带走的热量就越多,烧成带温度也会随之降低。但在实际生产中,在其他条件并非不变的情况下,随着窑尾温度的升高,可提高分解炉内生料的分解率,增高入窑物料的温度。当入窑物料温度升高时,烧成带温度会有明显上升。入窑物料温度的升高阻止了烧成带温度的下降,因此尽量提高入窑生料分解率,可以减轻窑内的热负荷,又能尽快升高物料温度,在回转窑内大部分热量都用于物料升温,而不是碳酸盐的分解,分解率的提高既可缩短碳酸盐分解带的长度,又可提高烧成带温度,减小窑头喂煤量。根据测算:窑尾物料温度每提高10℃,可以减少窑头1%的喂煤量。实践表明:只要碳酸盐没有被完全分解,物料温度就不会一直升高,且在分解温度以下,也就是说物料升高的温度是有限的,因此提高入窑生料分解率对水泥回转窑的优质、高产、低消耗至关重要;当入窑生料温度在870℃时,窑尾温度应控制在1 100℃左右。 

窑头喂煤量和二次风温、风量同是向窑内提供热源的主要方式,窑头喂煤量的多少直接影响窑内烧成带温度,但在缺乏二次风的情况下,增加喂煤量,烧成带温度并不一定增加。原因是由于二次风的缺乏,会造成煤粉的不完全燃烧,抵消增加喂煤量的效果。可见,二次风的多少将影响煤粉的燃烧效果。 

窑头喂煤所占比例越大烧成带温度越高,这是缘于假定其他的条件都相同的情况下,但是实际生产中,随着窑头喂煤量的增加,窑尾温度会随着增加,尤其是调节窑内用风量时。随着窑尾温度的升高,窑头喂煤量的效果会逐渐削弱。当前运转的多数预分解窑操作都是基本固定风量,随温度和喂料量的变化增、减用煤量。这种操作十分有害,甚至会起到适得其反的作用,增加窑头用煤量,如果缺少与之匹配的二次风量,要么会造成窑尾气体温度升高,或者造成燃料的不完全燃烧,不会增加烧成带温度。因此在增加窑头喂煤量以提高烧成带温度时,应做到风、煤匹配、同步,适当增加二次风量,同时注意窑尾温度的升高和监控烟气中CO的含量。 

二次风温和三次风温是冷却熟料时的风温,两者之间存在相关性。随着出窑熟料温度的增加,二次风温和三次风温可同时升高。随着烧成带温度的增加,出窑熟料温度亦会增加,两者之间有近似直线的关系,说明出窑熟料温度受到烧成带温度的影响。在实际生产中,出窑熟料温度应基本恒定为1300℃,在二次风量较大时,窑尾温度也会增加;烧成带温度随着二次风温的增加呈明显的增高趋势。 

二次风与三次风有一个风量分配的问题。随着三次风温的升高、风量的加大,由于风量分配的变化,烧成带温度有可能下降,因此为保证二次风量不变,需加大尾风排风量。

3、改善烧成带位置,提高二、三次风温

烧成带位置决定二、三次风温。烧成带前移、提高熟料出窑温度,是提高二、三次风温改善煅烧工作的重心和核心,应认真研究、仔细落实。烧成带是回转窑熟料煅烧最重要的工作带,温度从1 280℃开始出现液相、直到1 450℃,承担并完成熟料主要矿物的最后烧成过程。烧成带应位于窑前5m~30m处,这一位置看似简单,但在实际生产中多数企业的烧成带多不能位居于此,而是偏离在窑前15m~50m之间,其影响在于:

一是烧成带偏离正确位置,位居窑中,挤占了过渡带的“地段”,过渡带因而过短,C2S的生成量不足,影响C3S的生成数量、质量和速度,也是熟料松散、不致密、“黄心”的重要原因。 

二是冷却带因此偏长,熟料出窑路径长、时间长,熟料以“冷料”出窑,淬冷效果不好,强度下降;由于“冷料”入篦冷机,致使窑头罩风温低,是影响二、三次风温的关键因素;有的企业三次风温甚至长期低至700℃~800℃之间,影响分解炉的工作效果,影响熟料质量和余热发电量。 

改善烧成带位置,提高二、三次风温的方法和措施: 

(1)窑风过大、风速过快是多数烧成带偏离窑头的重要原因,所以降低窑内风速是烧成带火头前移的首要措施。 

(2)三次风阀是调节二次风、三次风量、风速的重要手段,加大三次风阀的开度,是减少二次风量、加大三次风量、降低窑内风速的必要措施;正确实施二、三次风的6∶4分风,做到风、煤匹配,同时要检查三次风管面积是否细小,产生窑风大、尾风小等现象。如某院设计的三次风管断面截面积仅为正常值的65%,是导致窑内风速过大、烧成带多居窑中、或窑尾的重要原因,凡是该院设计的水泥熟料生产线都存在这一毛病,应认真核查、整改。加大三次风阀的开度、减少二次风量,窑内可能会出现还原反应,此时应通过加大篦冷机通风、减少窑头排风,或加大窑尾排风等措施加以平衡和调节。 

(3)改进喷煤咀工作状态,改进火焰形态,适当降低一次风压、风速、风量等。 

(4)加强篦冷机通风、漏风检查,提高窑头罩内热气温度等。 

(5)提高煤粉质量,提高窑内煅烧温度,提高出窑熟料温度。 

上述措施的中心目的都是为提高熟料出窑温度,提高二、三次风温。

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