南京院在预分解窑燃无烟煤生产水泥技术领域的研究开发工作

南京院在预分解窑燃无烟煤生产水泥技术领域的研究开发工作内容摘要：

02℃。 入窑分解率 :94% 热 耗 : 3227 kJ/kg。 C2 出口温度 : 469℃。 分解炉出口温度 : 878℃ 回转窑速 :。 C3 出口温度 : 675℃。 窑尾温度 : 1172℃ 二次风温 : ～ 1050 ℃。 C4 出口温度 : 793℃。 C1 出口氧含量 : 3． 73% 三次风温 : ～ 890℃。 C5 出口温度 : 885℃。 C1 出口压力 : ～ 5000Pa 在三德水泥厂近 2 年的设备安装和生产调试阶段，南京院工程技术人员及开发研究课题组借助有利条件，通过对系统的剖析研究和消化吸收，并结合自己已有的实验室研究结果，对燃无烟煤的工业生产系统技术 包括工艺技术、机械设备技 术、自动化控制技术等进行了全面深入的研究。 此外，在生产调试和对国外技术及设备进行考核中，对能促进无烟煤燃烧速度、有利于燃无烟煤生产的技术和设备进行了验证，使一些原来考虑欠周或理论与实际不符的技术问题得到了暴露。 生产调试中，我们还通过调整操作参数及系统局部整改来尽可能多的发挥系统技术特点，改进原有的系统技术问题，力求优化生产。 通过这些工作，我们对预分解窑系统燃无烟煤生产水泥技术有了更深的认识，比较全面地掌握了该项技术。 因此，三德水泥厂 2020t/d 燃无烟煤预分解窑生产线的设计、设备安装和生产调试是 南京院 燃无烟煤 技术由实验室研究向工业应用转化的转折，是南京院燃无烟煤技术研究进程的一个里程碑。 通过这近 2 年的工作，南京院对该项技术的工业应用认识上有了质的飞跃，实践上有了零的突破。 这些实践经验的积累与理论研究成果的结合，为南京院自行开发出国产化的技术和设备奠定了更坚实的基础。 此外，通过生产实践，我们还从中还获得了一些深深的体会： 第一，燃无烟煤生产水泥是一项系统技术，必须从水泥生产的全系统出发，采用系统专有技术，才能实现燃无烟煤生产水泥的目的，如仅仅在几个局部上做工作，或仅仅引进几台好 的设备，是难以达到目的的。 第二，大规模工业生产受到的影响因素较多，很多情况是实验室条件下难以模拟的，因此，实验室的研究或理论上的推导结果，会与工业生产实际有较大的差别，没经过生产实践过程，是很难在短时间内真正了解无烟煤的燃烧特性和全面掌握无烟煤燃烧技术的。 KHD公司派出部分调试人员短时间内不能适应该生产技术就是一个佐证。 3 第三阶段 南京院的开发研究工作 在进行大量理论研究的基础上，结合三德厂的实践经验，南京院从 1997 年开始逐步开发自己的预分解窑燃无烟煤生产水泥的系列专用技术和专用装备。 具体涉及以下七个方面： （ 1） 各种低挥发份煤物化性能、燃烧特性及其影响因素的研究。 （ 2）预分解窑系统燃无烟煤生产水泥熟料总体技术研究（包括原、燃材料适应性研究；配料方案确定；生产线总流程、各主要车间流程及其相互关系的确定；主机设备及主要附机的技术性能要求及保证指标研究；燃无烟煤生产对水泥熟料的形成过程、反应特点及熟料性能影响的研究；燃无烟煤生产对烧成系统热工特性及热工设备影响的研究，燃无烟煤生产对NOx排放及环境保护问题的研究等）。 （ 3）煤粉制备系统的开发研究（包括工艺流程性能，专用输送、 选分、计量、粉磨设备，控制系统等的开发研究）。 （ 4）回转窑烧成系统的开发研究（包括窑用燃烧器及燃烧器系统，一次风机、冷却机、窑头设备等的流程、工艺配置及设备开发研究） （ 5）预热器分解炉系统的开发研究（专用预热器、分解炉的开发研究，该系统工艺布置等的开发研究）。 （ 6）相应自动化控制系统、专用机械设备的开发研究。 （ 7）系统工艺参数和操作性能的测试分析，系统优化研究。 其中主要开发的专用设备，在此作一概要的介绍。 3． 1 无烟煤煤粉制备系统 无烟煤燃烧性能研究表明，无烟煤大多易 磨性较差，而根据无烟煤的燃烧性能，新型干法预分解窑必须采用磨得更细、并具有合适颗粒级配的无烟煤，此外分解炉、窑头燃烧器对煤粉的要求也不同。 根据这些特点，南京院开发了专用的粉磨无烟煤的动态、静态选粉设备和优化的煤磨内部结构技术和设备；设计了单分离器煤粉制备系统和双分离器煤粉制备系统两种系统，其分离效率、流程布置、建设投资和操作性能可根据不同应用场合和不同外部条件，灵活选用、使用性良好。 这两种系统，南京院已分别在福建水泥厂和南平水泥厂燃无烟煤技改工程中应用，均取得很好的使用效果。 为提高粉磨效率，南京院又开发了煤 磨 磨外循环 系统，可配合上述煤粉制备系统使用，操作灵活、调节方便，既能保证窑头煤粉细度小于5%，也能保证分解炉煤粉细度小于 3%。 这种设计可以有效地提高分离器的分离效率和磨机粉磨效率，提高磨机产量、降低磨机电耗。 与常规磨机相比，在达到相同煤粉质量的条件下，专用煤磨系统的台时产量可增加约 20%，而电耗下降约 15%。 3． 2 窑头无烟煤煤粉燃烧器 煤粉燃烧器的应用情况与煤粉性能密切相关，对系统产量、热耗和环境保护等有很大影响，是熟料烧成系统的关键设备之一。 南京院通过模型研究和计算机数值模拟计算，在已成功 用于国内几十家水泥厂的 NC 系列煤粉燃烧器基础上，又开发出了大速差的三通道JETFLAM 系列煤粉燃烧器（结构原理图略）。 这种燃烧器利用同向协流大速差原理，对煤粉喷出速度和角度进行了调整，在燃烧器中心区域形成负压区，能促进高温二次风与煤粉的充分混合，使煤粉快速升温，达到着火温度并迅速燃烧。 这种燃烧器的优点有： 一是对煤质的适应性强，可燃烧劣质煤 (包括无烟煤、石油焦等 )； 二是一次风量少 (一般用风量约占理论燃烧空气量的 %)； 三是煤粉与一、二次风的混合充分，可达到完全燃烧，降低系统热 耗； 四是火焰形状调节灵活，能适应窑内熟料煅烧的需要。 JETFLAM 系列煤粉燃烧器与传统燃烧器的根本区别是采用轴向喷射系统。 在这种新型煤粉燃烧器中，轴向风的喷射速度很高，能从周围吸进速度慢但温度很高的二次风，使燃料快速燃烧；且装在喷嘴盘上的喷嘴出口角度及喷嘴截面可通过更换喷嘴来调节，以满足煅烧工艺要求；其旋流风由中部带旋流片喷嘴喷出，可使煤粉与空气充分混合，并调节火焰的粗细和长短，还可以通过更换旋流片以满足熟料烧成、延长火砖寿命等要求。 此外，在该燃烧器的热端不含有任何活动部件，因而燃烧器的 寿命较长。 南京院开发的这种新型煤粉燃烧器，已成功用于福建水泥厂、南平水泥厂燃无烟煤技改工程。 在山东铝厂燃煤量大于 15t/h 的水泥回转窑及浙江尖峰 1000t/d 回转窑上，该系列燃烧器表现出对无烟煤、烟煤均能适应及在二次风温较低（或刚开窑点火）时，仍能迅速提高烧成带温度，达到正常操作水平等优点。 实际运行结果证明，该系列燃烧器已成为燃无烟煤生产水泥技术中十分理想的专用设备。 3． 3 新型分解炉 （ 1） 设计燃无烟煤分解炉必须考虑的影响因素 ① 分解炉操作温度 如前面所述，煤粉的燃烧与燃烧环境的温 度有很大关系。 研究表明，当煤中挥发分从 25%降到 5%时，挥发分初析温度将从约 350℃ 升高到约 500℃ ，其着火温度也将升高 200℃。 固定炭的燃烧速度与温度的关系则遵循阿累尼乌斯公式 ( )，当温度升高约 70℃ 时，固定炭燃烧速度将提高约 1 倍。 由于无烟煤中挥发分含量很低，故着火温度较高，煤粒燃烧较慢。 因此，在分解炉设计时，要考虑在保证炉内不发生烧结的情况下，尽量提高炉内煤粉着火区域的温度，以加快无烟煤煤粉的燃烧速率。 ② 分解炉中氧气浓度 煤的燃烧实际是在高温条件下炭与氧的放热化学反应，而且是可逆反应，反应 产物及中间产物均为 CO 及 CO2。 根据化学反应浓度积规则，欲使上述反应向右（反应产物方向）进行或加快速度，在其他条件不变情况下，则必须增加反应物浓度，降低反应产物的浓度。 在分解炉内，可认为加入煤量是基本不变的，为了加速反应，则必须增加氧气的浓度，降低反应环境中 CO 及 CO2 浓度。 从这个意义来讲，为了有利于无烟煤在分解炉内的快速燃烧，分解炉以采用离线布置方式为宜。 这样既可保持炉内、特别是炉下部氧气分压较高，又可使 CO、CO2 分压较低，而且很多分解炉的生产实践也证明，离线布置的分解炉，有利于煤粉的着火燃烧，因此对无 烟煤的燃烧更为有利。 ③ 空气和煤粉的均匀混合 煤颗粒在空气中发生燃烧反应时，炭的燃烧速度既取决于化学反应速度，也取决于气体的扩散速度。 如果扩散速度较慢，煤粒上包裹的反应产物层较厚或浓度较大，阻碍了氧与炭粒的进一步接触，会使反应减慢。 在分解炉中，煤粒悬浮于空气中，一面燃烧，一面随气流同向运动。 在煤粉粒子刚进入炉子时，气流对粒子的浮力大于粒子所受的重力及阻力之和，粒子被加速，在这一阶段，气体与粒子的相对速度差较大，有利于粒子表面反应产物向气体中扩散；随着粒子速度的加快，其所受阻力也增加，最后粒子所受 的浮力与重力、阻力之和相等，粒子处于等速运动，气体与粒子间速度恒定，相对速度差减小，扩散作用也减弱。 在设计分解炉时，要考虑尽量使气体和煤粉间保持较高的相对运动速度和混合速度，以促进气体运动、产物扩散，加快煤粉燃烧。 ④ 煤粉在分解炉内的停留时间 煤粉作为分解炉的燃料，必须在分解炉内充分燃烬，才能产生足够的热量，满足生料分解的要求；并保证最低一级旋风筒内不至温度太高和预热器系统的正常运行。 煤粉颗粒的着火、燃烧乃至燃尽，需要一定的燃烧时间，这一燃烧时间的长短，除与煤粉粒径大小有关外，还与煤粉本身性能、 反应温度、氧含量等因素有关。 无烟煤挥发分低，燃烧中挥发出的物质少，结构致密，其燃烧反应速度较慢，在其它条件相似的情况下，其燃烬时间较长。 研究表明，分解炉使用的煤粉细度为 80μ筛余 10%条件以下，煤挥发分从 26%降低到 5%时，煤在炉内的停留时间要延长一倍以上。 因此，在燃无烟煤分解炉的开发设计时，要考虑适当延长煤粉在炉内的停留时间，以保证煤粉在分解炉内能充分燃烬。 ⑤ 分解炉内生料与煤粉的比例 分解炉内生料与无烟煤煤粉比例越高，生料分解吸热越大，就越不利于无烟煤的燃烧。 特别是在分解炉底部，若生料浓度较 大，由于无烟煤煤粉燃烧速度慢，使炉底部温度不能迅速提高，从而大大削弱了煤粉的进一步燃烧，而易造成煤粉在炉内燃烧不完全。 因此在分解炉底部，煤粉燃烧初期时，应适当减少生料量，以提高炉底部温度（即煤粉燃烧温度），保证煤粉进一步的快速燃烧。 在预分解系统设计过程中，采用五级预热器，并将入炉生料喂入分解炉适当部位，可加快无烟煤的燃烧速度，提高其燃烬率。 (2) 几种典型分解炉的特点 水泥生产专用设备 分解炉问世 30 多年来，一直在不断的发展和完善，其性能日趋完善。 今天，分解炉主要朝着适应不同燃料品种、提高入窑分 解率及简化炉体结构等方向发展。 世界各大水泥公司对不同的分解炉型进行相互借鉴，取长补短，以使炉内流场和温度场分布更趋均匀，燃料燃烧更加充分，气体和物料在炉内停留时间得以延长，从而使燃料在炉内更充分燃烧、生料在炉内更好分解，使入窑物料表现分解率达到 90～ 95%。 ① PYROCLONRP 分解炉 PYROCLONRP 分解炉是洪堡公司推出的分解炉 (结构图略 )。 在该系统中，分解炉采用离线布置形式，窑尾废气不进分解炉，而直接进入预热器。 分解炉内燃烧的空气则由三次风管从冷却机抽取，从而达到降低分解炉内 CO2分 压和碳酸钙分解温度，提高入炉气体及炉内氧气分压，改善燃烧状况，提高燃料燃烬率和生料分解率的目的。 由于物料、燃料及气流在分解炉管道中呈悬浮状态向上移动，有足够的时间进行燃烧、分解，管道的长度可以根据需要增加，因此能使用较粗或不易燃烧的燃料。 朝鲜祥原水泥厂 2 条3300t/d 熟料窑外预分解窑生产线，其烧成系统就采用了带 PYROCLONRP 分解炉及双系列PRZ5433 四级预热器的短窑。 分解炉直径 ，管道总长度 60m 以上，入窑物料分解率为90%左右。 ② PYROCLONPYROTOP 分解炉 PYROCLONPYROTOP 分解炉是洪堡公司在 PYROCLONRP 基础上推出的分解炉。 这种新型分解炉是在原分解炉顶部增加切向进风和切向出风的罐式分解炉 (结构图示略 )，它的设计意图是：通过该罐式分解炉将一部分粗物料返回到炉上游，实现物料在炉外循环，以延长物料在炉内的停留时间，从而有助于提高燃料的燃烬率与物料的分解率；同时还通过气体速度突然减慢和气流的旋转，实现降低气体流速、分离物料的作用。 在分解炉底部设置 3个缩口，增强了分解炉的喷腾效果，使物料混合均匀，温度分布也较均匀，有利于燃烧和分解反应的进行。 福建三德水泥厂 2020t/d熟料生产线的分解炉即为该种炉型，入窑物料分解率为 91%左右。 从三德水泥厂实际运行情况来看，该类分解炉实际运行状况良好，能适应燃无烟煤生产。 但其炉顶设置的罐式炉，在实际操作中，与 PYROTOP 分解炉原设计想法差异甚大。 ③ RSP 分解炉 日本小野田公司开发的 RSP 分解炉主要由预燃室、涡流分解室和混合室三部分组成 (结构图示略 )。 最初设计是希望通过预燃室将燃料迅速燃烧，高温气体通过涡流效应均匀与生料混合，使生料快速分解。 新型 RSP 分解炉设计均采用延长混合室和出口管道的办法来达 到延长物料停留时间，提高燃料燃烬率和生料分解率。 越南清风海防水泥厂 4000t/d 熟料 100。