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烧成系统工艺设计思想及运行中存在现象及问题PartⅠ预分解系统悬浮预热器PartⅡ分解炉PartIII回转窑PartIV篦冷机PartV运行中存在的现象及问题探讨介绍内容新型干法水泥生产,就是以悬浮预热和分解炉为核心,把现代科学技术和工业生产的最新成就应用于水泥干法生产全过程,使水泥生产具有高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环境保护要求和大型化、自动化、科学管理特征的现代化水泥生产方法。烧成系统是水泥熟料生产线的核心装备,决定了熟料生产的产量、质量和经济技术指标。主要由预分解窑旋风筒—换热管道—分解炉—回转窑—篦冷机。PartⅠ预分解系统悬浮预热器(1)悬浮预热器的主要结构功能(2)旋风预热器的主要设计参数(3)窑尾预热器系统操作探讨悬浮预热器的主要功能在于充分利用回转窑及分解炉内炽热气流中所具有的热焓(或热佣)加热生料,使之进行预热及部分碳酸盐分解,然后进入分解炉或回转窑内继续分解,并完成熟料烧成任务。因此它必须具备使气固两相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等三个功能。(1)悬浮预热器的主要结构功能1、旋风筒的结构在旋风预热器中,物料与气流之间的热交换主要在各级旋风筒之间的连接管道中进行;旋风筒的主要任务在于气固分离,经过上一级预热单元加热后的生料,通过旋风筒分离后,才能进到下一级换热单元继续加热升温;撒料装置主要是防止下料管下行物料进入换热管道时向下冲料,并促使下冲物料冲至管道后的分散;锁风翻板阀主要防止换热管道中的热气流经下料管上窜至上级旋风筒下料口,引起物料再次飞扬,降低分离效率,又防止换热管道中的热气流未经同物料换热,而经由上级旋风筒底部窜入旋风筒内,造成不必要的热损失,降低换热效率.2、旋风筒的功能与机理含尘气流在旋风筒内作旋转运动时,气流主要受离心力、器壁的摩擦力的作用;粉尘主要受离心力、器壁的摩擦力和气流的阻力作用。此外,两者还同时受到一个由于含尘气流从旋风筒上部连续挤压而产生的向下推动力作用,这个推力则是含尘气流旋转向下运动的原因。由此可见,含尘气流中的气流和粉尘的受力状况基本相同的。但是由于两者物理特性不同,致使两者在受力状况基本相同的条件下,得到不同的运动效果,从而使得含尘气流最后得到分离。3、旋风筒内的气流和粉尘的受力情况1、成都院(CDC)预热器系统参数成都院(CDC)预热器系统参数及主要位置风速如下表:(按2006年12月白马5#标定值计算)成都院窑尾系统各部位风速表.doc(二)旋风预热器的主要设计参数2、南京院(NST-I)预热器系统南京院(NST-I)预热器系统参数及主要位置风速如下表:(按2008年5月宣城海螺1#标定值计算)南京院窑尾系统各部位风速表.doc3、天津院(TDF)预热器系统天津院(TDF)预热器系统参数及主要位置风速如下表:(按2009年2月池州海螺2#标定值计算)天津院窑尾系统各部位风速参数表.doc(三)窑尾预热器系统操作探讨1、旋风筒风速合理的控制旋风筒的收尘效率及阻力与旋风筒内的风速密切相关,旋风筒截面风速一般控制在5—6m/s,进风口风速在15-18m/s,出口风速控制在11-14m/s,若过高,引起系统阻力较大,过低不利于旋风筒收尘。2、引起预热器系统堵塞原因分析(1)结皮造成的堵塞结皮是高温物料在上升烟道、下料管、旋风筒锥部内壁上粘的一层层硬皮,严重时呈圈状缩口,阻碍物料正常流动,而锥部结皮在物料、气体冲刷下,垮下造成下料管堵塞。结皮堵塞有以下几种情况:a、不完全燃烧造成预热器内局部温度过高产生结皮堵塞。如煤粉在窑、炉内燃烧不完全,进入上升烟道、旋风筒内二次燃烧,形成熔融性结皮;预热器敏感部位呈还原气氛,促使有害成份富集结皮,产生低熔点煤灰,形成熔融性结皮。b、喂煤量波动造成结皮堵塞。如喂煤量跟不上料量的变化,料小造成系统温度过高,产生熔融性结皮;料大使气料比失调,料短路堵塞预热器;煤波动至上限,形成不完全燃烧现象。c、翻板阀动作不灵活或卡死造成结皮堵塞。如初投料时,因翻板阀动作不灵活或卡死,料小冲不开,造成预热器堵塞;翻板阀动作不灵活,造成下一级旋风筒高温内窜入上一级下料管,形成熔融性结皮。d、系统操作不稳定造成结皮堵塞。如片面强调入窑分解率,造成系统超温,形成熔融性结皮;风、煤、料调节不合理,造成气料比失调堵塞预热器和出现不完全燃烧现象(2)系统漏风造成堵塞a、内漏风:由于阀板烧漏、变形,使下一级旋风筒热气流经下料管漏入上一级旋风筒内,降低了上一级旋风筒收集物料效率,收集下来物料不能顺利排出,并在预热器内循环,一旦物料收集过多,便一大股物料冲下,极易堵下料管;另外,此高温气流进入下料管和上一级旋风筒锥部,还可形成熔融性结皮。b、外漏风:预热器系统从各级筒检修门、翻板阀轴、热电偶、捅料孔及管道联接法兰等处漏入冷风在筒内和下料管等与热物料接触,出现冷热凝聚现象,产生结皮或大块,造成堵塞;系统外漏冷风,相对降低旋风筒出口风速,导致物料在旋风筒内旋转速度减缓,使物料短路堆积导致堵塞。使气体和生料短路,形成内循环,降低预热器系统换热效率,严重时造成内部塌料。PartⅡ窑尾预分解系统分解炉(一)分解炉的主要功能和设计依据(二)分解炉的主要设计参数(三)分解炉操作探讨分解炉是预分解系统中的十分重要的设备,它承担预分解系统繁重的燃烧、换热和碳酸盐分解任务。这些任务能否在高效状态下顺利完成,主要取决于生料与燃料能否在炉内很好的分散、混合和均布;燃料能否在炉内迅速的燃烧,并把燃烧热及时的传递给物料,生料中的碳酸盐组分能否迅速地吸热、分解、逸出的二氧化碳能否及时的排出。以上要求能否达到,在很大程度上又取决于炉内气、固流动方式,即炉内流场的合理组织。1、分解炉主要功能在分解炉内,生料及燃料分别依靠“涡旋效应”、“喷腾效应”、“悬浮效应”和“流化态效应”分散于气流之中。由于物料之间在炉内流场中产生相对运动,从而达到高度分散、均匀混合和分布、迅速换热、延长物料在炉内的滞留时间,达到提高燃烧效率、换热效率和入窑物料碳酸盐分解率的目的。(一)分解炉的主要功能和设计依据2、分解炉设计依据分解炉具体尺寸设计主要取决于燃料所需的燃烬时间。在分解炉内主要存在碳酸钙分解和燃料燃烧两种反应。在连续稳定的状态下,二者进行的吸热和放热的速率是平衡的。碳酸钙分解从600~700℃时开始,800℃时分解速度明显加快,900℃时分解反应迅速。但就燃料燃烧反应而言,其在前期燃烧迅速,放热较快。随着气体中氧含量迅速降低,其后期的燃烧速度明显下降,较难燃烬。这就表明在分解炉内,对于碳酸钙分解进程来说,其前期主要受控于碳酸钙分解速度,而后期主要受控于燃料燃烧速度。•但在分解炉内,燃料的着火和初期燃烧均进行较快,物料在悬浮态下被迅速加热,体系快速升温,分解炉在绝大部分时间内都处于相对稳定平衡状态。因此,基本上可以认为分解炉内的分解过程主要受控于燃料燃烧速度。(二)分解炉的主要设计参数1、三大院分解炉主要工艺参数南京院分解炉南京院(NST-I)分解炉炉容:1470m3(本体容积+连接管道容积),气体停留时间:3.9s。天津院(TDF)分解炉炉容:848m3,气体停留时间:2.5s。成都院分解炉炉容:1385m3,气体停留时间:3.9s2、分解炉温度场分布DD炉温度场分布图1、分解炉气流特点与控制调节分解炉采用旋流(三次风)与喷腾流(窑)形成的复合流,兼具纯旋流与纯喷腾流的气特点,二者强度的合理配合强化了物料的分散,若三次风阀损坏和失效,不能正常调节,使窑、炉用风比例失调,造成煤粉不完全燃烧,未燃烧的煤到C5内燃烧,引起温度倒挂现象。(三)分解炉操作探讨分解炉内煤粉的燃烧反应速率要比CaCO3分解反应慢,分解炉内CaCO3的分解率主要取决于炉温,在850℃左右,生料在炉内若需停留3-5s,因此提高入窑分解率,必须合理控制好炉温。2、炉温控制3、风、煤、料合理匹配分解炉内要保持风、煤、料的合理匹配,不能大风、大料的变化,否则,喷悬作用发挥不出来,引起燃料分布不均或物料混合不均,影响燃料燃烧、气料热交换及分解炉内温度场的均匀分布,炉容有效利用率不高,旋风筒两列温差(C5下料管)相差较大,压重时引起局部高温点,引起结皮堵塞,甚至引起塌料,使窑内热工制度不稳,窑内结大蛋。4、分解炉用煤调节控制预分解窑的发热能力来源于两个热源,即窑头和分解炉,对物料的预烧主要由分解炉完成,熟料的烧结主要由回转窑来决定。因此在操作中必须做到以炉为基础,前后兼顾,炉窑协调,确保预分解窑系统的热工制度的合理与稳定。调节分解炉的喂煤量,控制分解炉出口温度在870~900度,确保炉内料气的温度范围,保证入窑生料的分解率。影响煤粉充分燃烧的因素有几个方面:一是炉内的气体温度;二是炉内氧气量;三是煤粉细度。因此,一要提高燃烧的温度;二要保证炉内的风量;三要控制煤粉的细度。在燃烧完全的条件下,通过分解炉加减煤的操作,控制分解炉出口气体温度。如果加煤过量,分解炉内燃烧不完全,煤粉就会带入C5燃烧,形成局部高温,使物料发粘,积在锥部,到一定成度造成下料管堵塞。相反,如果加煤过少,分解用热不够,导致分解炉此刻气温下降,分解率低,导致窑热负荷增加,熟料质量下降。PartIII回转窑(一)回转窑的主要功能(三)回转窑基本数据对比表(四)回转窑操作探讨(二)湿法窑系统各反应带内物料化学反应进程(一)回转窑的主要功能窑尾预分解系统基本完成了物料的干燥、预热及碳酸盐分解等功能,物料的放热反应、烧成及冷却是在回转窑中完成,因此回转窑的主要功能有以下四个方面:1、燃料燃烧功能;2、热交换功能;3、化学反应功能;4、物料输送功能;窑系统在不同温度场的各个反应带内生料的物理、化学反应反应过程如下。但是由于温度及反应速率的不同,其中许多反应带在边缘地区有相当一部分是交叉的。1、干燥带承担生料中水分的蒸发任务。反应温度100℃,实际上物料的温度在大约20-50℃进入窑系统,超过露点温度后,大约在75-150℃水分蒸发,反应式:H2O→H2O↑,反应吸热约2675KJ/Kg.2、预热带承担粘土质等原料中化学水的分解脱水任务。反应温度450℃,反应热很小。反应式:AL2O3˙2SiO2˙H2O→AL2O3+2SiO2+H2O↑(1)湿法窑系统各反应带内物料化学反应进程3、碳酸盐分解带主要承担碳酸镁及碳酸钙的分解任务。耗热量:碳酸镁为815KJ/Kg,碳酸钙为:1656KJ/Kg,由于生料中碳酸钙含量较多,故本带需热量是很大的。同时,在分解带中还伴有CA、CF、C2F、C5A3等过渡矿物形成。反应温度及反应式如下:MgCO3→MgO+CO2↑(600-700℃)CaCO3→CaO+CO2↑(650-900℃)CaO+AL2O3→CaO˙AL2O3(800℃)CaO+Fe2O3→CaO˙Fe2O3(800℃)CaO+CaO˙Fe2O3→2CaO˙Fe2O3(800℃)3(CaO˙AL2O3)+2CaO→5CaO˙3AL2O3(900-950℃)4、放热反应带(或称过渡带)主要承担固相反应任务,为放热反应.放热量:C2S形成放热602KJ/Kg,C4AF形成放热38KJ/Kg,C3A形成放热109KJ/Kg。本带上部为炽热火焰,下部物料反应放热,故物料升温很快.反应温度及反应式如下:2CaO+SiO2→2CaO˙SiO2(1000℃)3(2CaO˙Fe2O3)+5CaO˙3Al2O3+CaO→3(4CaO˙Al2O3˙Fe2O3)(1200~1300℃)5CaO˙3Al2O3+4CaO→3(3CaO˙Al2O3)(1200~1300℃)5、烧成带主要承担燃料中的主要矿物C3S的形成,f-CaO的吸收,完成燃料的最后烧成任务.在本带中的有1280℃开始出现液相,直到1450℃C3S大量形成,f-CaO最后基本吸收,完成燃料的最后烧结过程,离开火焰高温区逐渐降温到1300℃左右进入冷却带.在该带1350℃~1450℃时液相量可达20%-30%,Al2O3,Fe2O3及其他组分进入液相。C3S形成为放热反应,放热量为447KJ/Kg。反应温度及反应式如下:2CaOSiO2+CaO→3Ca
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