窑外分解煅烧系统诊断学

窑外分解煅烧系统诊断学(作者：胡道和时间：2011年10月20日)[字体：放大缩小默认]窑外分解技术的问世已有二十余年的历史，它不仅在使水泥生产大型化方面有新的突破，更重要的是它指标的先进性和技术上的实用性，已为全世界所瞩目，而无可辩驳地成为当前水泥煅烧技术的发展方向。但窑外分解技术本身的先进性却与过程的复杂性并存，由于窑尾增设了悬浮态的预热器和分解炉，使得气固两相在不同温度下经历了：流动、分散、混合、燃烧、换热、分解、传质、分离、预烧、烧成和冷却诸多化工过程，彼此交叉衔接而又耦合。因此这项技术涉及了许多学科领域如流体力学、两相流动、粉体工程、流态化、燃烧学、化学工程中的“三传一反”、化工热力学、工业反应动力学、优化理论、系统工程、自控技术以及电子计算机技术等，并需要综合运用于生产。掌握窑外分解煅烧系统较之过去掌握中空窑系统要困难得多，远不是凭藉经验所能满足的。近年来，我国陆续引进和自行建造了规模不等、总数达数十条的窑外分解生产线，其中除部分引进的大型窑系统外，多数生产线存在运转率低，长期达不到设计指标等严重问题，难以体现新技术的优越性。其原因是多方面的，但系统本身存在着这样那样问题，也是主要矛盾的一个方面。因此，在基础理论指导下，开发一种针对窑外分解煅烧系统本身的科学诊断方法，找出各自存在的主要问题，从而能有的放矢地进行技术与设备的改造，或调整操作参数间的合理匹配与控制，从而为尽快达产达标提供技术服务，确是一项十分紧迫而有意义的工作。诊断学在工业上的应用，已经不是新鲜事，在机械、航空、汽车、电子工业中早已收到“望、闻、问、切”的效果。至于将诊断学的方法具体移植到水泥生产技术中则尚属创新的设想。近几年，我们对正在运行的几条窑外分解生产线的技术分析和评议，以及据此开展的技术改造的效果进行了总结。在此基础上，又进一步开发了原、燃料在模拟工况条件下特性检测的若干新方法和新手段。同时对于窑外分解窑系统的热态检测有了新的补充和进一步完善的设想，汇总归纳这些方面的成果形成“窑外分解煅烧系统诊断学”(以下简称“NSP诊断学”)。NSP诊断学的开发思路是：气固间的化学行为──用高温反应器和模拟分解炉来检测；气固间的物理行为──用冷态模型来观测并用工况条件来进行修正；系统中潜在隐参数──用反求计算方法求得；工况下实际参数──用热态检测来直观求取。对于NSP诊断学所包括的内容，可概括如下。1原、燃料高温特性测定水泥熟料是生料在高温条件下气固相化学反应的产物。因此，原、燃料的分解、燃烧、烧结反应的能力及运动特性在环境条件(如温度、气体成分、气固接触状况等)变化时的行为规律，都最直接地影响到系统的设计、运行及效果。为此，需要作某些工业反应动力学及粉体流动规律的探讨，即尽可能在模拟工况条件下，测定其特性。1.1石灰石和配合生料的易分解性测定主要是模拟在分解炉内，气固处于悬浮态下，测定其分解特性以及工况条件在一定幅度内波动时，对其分解特性的影响规律。试验是在我院硅酸盐工程研究所开发的“气固悬浮态高温反应试验台”〔1〕──又称“模拟分解炉”上进行的。模拟分解炉流程示意如图1，该炉的主要特点是：图1模拟分解炉1.空压机；2.稳压器；3.减压阀；4.CO2气瓶；5.转子流量计；6.转子流量计；.转子流量计；7.管式预热器；8.反应器；9.电炉；10.排料管；11.集料器；12.热电偶；13.加料器；14.平衡瓶；15.检测仪；16.记录仪；17.控制柜──能模拟生料在分解炉中的加热条件；──反应区稳定，能模拟粉料稳定的悬浮状态；──炉温(反应器中反应区段的温度)在1200℃以下可调、可控；──炉内气氛(主要指CO2浓度)可以任意配定；──炉内气体工况可控(气体流速、温度、固气比等)；──加料方便灵活，数量可自行给定；──试验时间短，结果可通过残渣分析作校核，可靠性较高；──数据经计算机处理可消除输入信号与相应值之间的系统误差，精度进一步提高。在模拟分解炉内，可以对诸多因素如：原料品种(CaCO3含量，结晶形态、特征)、分解炉温度(T)、分解炉中CO2含量(Pco2)、粉料粒径(dp)以及配合生料中外加组分种类(Al2O3、SiO2、Fe2O3等)和含量对原(生)料分解进程的影响作出定量检测。大量实验表明：──原(生)料在工况条件下，分解反应要进行完全，需要时间很长，通常分解率Φ随时间τ的变化规律如图2，它基本能表达实际分解特性，图中曲线水平段被定名为该工况下的“终态分解率──Φend”，此值表明尽管时间延长，但反应完全度的提高很慢。──各厂石灰石或配合生料在相同工况下分解曲线形状相似，但数值有明显差别，其Φend相差可达15%～20%，如图3。图2生料分解曲线图3几个厂生料分解曲线1.宁国生料；2.江西生料；3.顺昌生料；4.柳州生料──堆积态与悬浮态下，分解进程类似，但达到Φend所需时间，可相差40～80倍。──生料的Φend与工况(主要是温度T和CO2分压Pco2)条件具有指数关系，即Φend=A1(A2-Pco2)EXP(-B/T)式中A1，A2，B均取决于原料品种。为了对比各厂原(生)料在工况悬浮态下的分解能力，特定义“易分解指数Φr”新概念。其具体含义是指“在人为设定条件：即T=1173K，Pco2=0.2atm(为一般工况)时所测得生料的终态分解率”。Φr数值大小可以定量比较生料分解的难易程度。表1给出几个厂生料易分解指数值。表1四个厂生料易分解指数值工厂宁国厂顺昌厂柳州厂江西厂Φr(%)82.1980.4575.2374.90由此可知，根据各厂样品测定结果，可以对该厂分解炉结构、尺寸、炉温、流程(Pco2)分解能力限度作出科学分析和预测。1.2燃料(煤粉)的易燃性测定一般情况下煤粉燃烧速率相对比CaCO3分解的速率更慢些，往往是制约因素，同时煤粉在炉内的燃烧状况也直接影响到分解炉功能的发挥，因此是至关重要的。煤粉燃烧特性测定，可在综合热分析仪、分散态高温炉和模拟分解炉(悬浮态)中进行，分别可测出反应热效应、静止态燃烧过程、悬浮态燃烧过程、着火温度及燃烬条件等。为评议燃烧状况和组织高温余氧有焰燃烧(窑内)和低温低氧无焰燃烧(炉内)条件下合理的燃烧制度提供科学依据，以保证全系统热能适时地充分地供给。1.3生料易烧性测定易烧性反映各种生料在高温环境中烧成熟料的反应能力，用fCaO值表达。同样条件下，fCaO高的生料难烧。具体试验可按国家标准(GB9965-88)进行测定，其结果可供判断配料和烧成过程操作参数选择的合理性作依据。1.4高温粉体流动性测定移植常温Jenick流动性检测原理和手段，应用于高温下，研究有害成分对生料流动性的影响及与结皮堵塞的内在联系，供操作事故分析作参考。2冷态模型试验窑尾预热器和分解炉中，气固两相的运动特征，直接关系到各自特定功能的发挥，冷态模型试验可在通用的试验台上进行。试验基于对物理量分布的测定，利用统计方法和平均效应的数学处理，来探讨预热器分解炉内气固运动特征和规律，进而从工作机制上来分析和评价各类设备的结构、性能。大量试验工作表明：在自动模化流动区域内，冷模与生产实际之间，存在相应的对照关系可作参考。冷模试验内容主要包括：气体三维流场分布；气固相浓度场分布；气固混合特征──颗粒分散状况；气固在容器内停留时间概率分布τm，τg及其比值τm/τg；压降的变化规律。上述各项测定，已开发有专用测试手段，运用计算机采样及数据处理经长期使用简便可靠。试验内容还可根据实际需要，改变若干影响变量，求得各参数波动时对分解炉特性指标的影响幅度，为评议、改进和操作控制提供科学依据。3系统隐参数的反求计算对已有生产线，在稳定操作条件下，以可测的参数作为已知量，通过平衡关系或“三传一反”规律建立数学模型，以计算出能反映系统工况特征的若干重要隐参数(指难测或无法检测的实际参数)。反求计算的基本方法与步骤：①划分作为计算单元的若干子系统。②就系统内“三传一反”的特征，结合实际作某些合理的假设，以简化计算。③建立方程，组合成数学模型如：子系统物料平衡方程；子系统热平衡方程；经验方程；动力学方程。在去除不独立和病态方程后选定未知量，编制程序。④选定已知数值。⑤计算机求解。⑥计算结果可包括：各级预热器分离效率及其匹配情况；各子系统换热能力、换热效率及其分布；分解功能的分布；分解炉燃烧完全度；各子系统内的特征速度。4NSP系统热态检测(简称热态检测)长期以来，评议回转窑工作状况、计算单位产品热耗、分析能量分配中存在的问题以及提出改进意见，都是采用热工标定的方法(GB4179-84)。但这种方法，只能诊断流程简单的老式窑系统，因为它所能反馈的技术信息很有限，不能满足NSP窑复杂系统的需要。为此，原热工标定的检测内容、方法、手段以及计算部分均要作大幅度的修改和补充，对此，特命名为“NSP系统热态检测”以便与原热工标定区别。热态检测的目的是直观地了解系统工作状况，并尽可能给出量化指标。热态检测的特点之一，是检测界面呈多元式，即将全NSP系统系统分解为若干子系统，检测内容除满足子系统各项平衡的需要外尚需补充以下新的检测项目：物料在分解炉、预热器内实际停留时间测定；煤粉在分解区的燃烬度测定；悬浮态气固两相温度差的测定；入炉三次风量的测定；窑尾烟气中NOx测定；有害成分富集值的测定。通过对运行中窑系统全面的热态检测后可以作如下的分析计算和表达，直接获得运行状况的各种信息，如：子系统及全系统的热平衡、热效率、热经济分析；子系统及全系统的平衡、效率、经济分析；表面散热的分布图；燃烧进程图(ε燃烬度～τ)；分解进程图(Φ～τ)；子系统及全系统换热量及分配，换热效率的比较；物料在设备中平均停留时间的概率分布E(τ)=f(τ)；求得平均停留时间τm，最可几停留时间τn，最大、最小停留时间τmax、τmin等；漏风量分布；(预热)器-(分解)炉-窑-(篦冷)机能力匹配；窑内火焰状况估计及控制；有害成分及其富集情况；热能消耗及分析。至于热态检测的方法和手段，除一部分选用已有仪器外，还有相当一部分尚待开发专用仪器，如便携式气体分析仪(包括测NOx)，热态物料停留时间测定装置，气固相对流速测定仪等，均有相当难度。在解决手段问题后，可编制出适用于窑外分解系统热态检测规范作为诊断学的主要内容之一。5综合检测、诊断在上述工作的基础上，汇总能反映系统总体及内部实际工作状况的全部数据后，编制成完整的计算机程序，据此对系统以下诸方面进行综合分析、评议与诊断。如：(1)系统流程选择的合理性；(2)设备选型的合理性；(3)设备规格尺寸设计的合理性；(4)对原、燃料行为特性进行评价；(5)系统、设备的功能分析及功能发挥的情况；(6)设备的匹配情况；(7)系统主要参数控制的合理性；(8)探讨设计原始意图及现实状况并给出评价；(9)分解炉气固运动情况分散程度、均布状况及容积有效利用率分析；(10)窑与炉燃烧组织的合理性；(11)有效热能利用状况及用能评价；(12)系统运行中反映出原设计中存在的主要原则问题及论证等等。针对情况，全面诊断系统所存在的主要问题，提出改进思路，再经过工程实验室进行专门改进方案研究，选定方案作为改进设计的科学依据。6结语窑外分解煅烧系统是个复杂的高温反应系统，涉及到近代发展起来的若干学科领域的综合。因此利用多学科的新知识对其进行科学诊断是一种创新，是一种进步。既是生产上迫切的需要，也是现实可行的。1993年9月我们在江西水泥厂即曾应用诊断学原理，对日产2000t的RSP窑进行过诊断与改造，主要从改进和调整分解炉SB、SC室的旋流强度和MC室生料分散度着手，结合厂内冷却机改造，经一段时间调试后取得如下效果，见表2。表2江西厂RSP窑诊断改造前后对比改造前1992年平均改造后1993年10月平均入窑生料分解率(%)81.3490.30台时产量(t/h)73.379.0C3堵塞占故障(%)13.550运转率(%)59.2768.4出SC燃烬度(%)3074.81994年最高日产2100t，入窑生料分解率平均在92%～98%之间，运转率达75%～85%，月产由1992年平