用无烟煤作燃料的预分解窑的调试

由于无烟煤挥发分低,着火温度高,燃烧速度慢,燃烬时间长等原因,人们习惯于在回转窑上使用烟煤作燃料,而不使用无烟煤,这就限制了盛产无烟煤而不产烟煤地区发展回转窑水泥生产线。本公司地处盛产无烟煤而不产烟煤的龙岩市,无烟煤的挥发分仅为2%～5%,最大不超过8%。在考察了用KHD公司提供技术和装备、使用100%无烟煤作燃料的朝鲜某水泥厂两条3300t/d的分解窑生产线后,发现该厂使用的无烟煤工业分析值与龙岩市所产无烟煤相当,决定引进KHD公司的无烟煤燃烧技术和相应的装备,建设一条2000t/d窑外分解水泥生产线。 该生产线主体工程于1995年8月17日正式开工,1996年1月份开始穿插安装,1997年1月开始陆续调试,同年4月25日窑点火,5月6日窑喂料。经过一年多时间的调试、整改,目前分解窑系统运行基本正常,产量为1850t/d,熟料平均标号66MPa,热耗3 076kJ/kg。经过实践,应该说100%无烟煤作分解窑的燃料是可行的。

1 窑炉及相关系统的工艺装备概况 1.1 喂煤系统

煤磨系统制备出两种细度的煤粉分别送入两座各为85m3的煤粉仓,仓下设有申克(Schenck)公司供货的Criolis计量秤,最大能力12t/h,精度0.5%,调节范围1∶10。煤粉计量后,风动送入窑和分解炉燃烧器供燃烧。窑用三通道燃烧器,型号HPJ190 K,能力194 GJ/h。燃烧器出口部位见图1。分解炉燃烧器型号HPYR/160K,能力165GJ/h,分上下两处入炉,设计比例9∶1。

图1 窑用燃烧器出口部位图

1.2 喂料系统

生料库为伊堡(IBAU)漏斗型切割式均化库。规格Φ18m³41.5m,有效容积12000m3。8个出料口,相对的两个为一组,四组轮流出料。设计均化系数为8。从均化库出来的生料先送入70m3的计量小仓,经斜槽、冲击式流量计、斜槽、气力提升泵送入C1、C2预热器之间的管道内。 1.3 废气处理系统

预热器出来的部分废气作生料粉磨的烘干热源。增湿塔规格Φ6500mm³37500mm,处理废气能力135540m3/h(标况),配两台能力为22m3/(h²台)的水泵,16个喷枪。国产电收尘,型号BE140,双室三电场,能力350000m3/h,风机电机250kW,6000V。 1.4 预热器、分解炉、窑、篦冷机系统

分解窑系统示意图见图2。预热器5级,单列,型号PR6742。C1为双筒,Φ4200mm,C2～C5均为单筒,Φ6700 mm。预热器系统设计为低风速、低阻力,C1～C5各级出口设计管道风速为11.6m/s(290℃)、11.8m/s(450℃)、11.7m/s(600℃)、13.4m/s(760℃)、14.6m/s(880℃),系统ΔP为4810Pa。

图2 分解窑系统示意图

分解炉为离线式管道型,顶部带pyrotop旋风筒。pyrotop锥体下设分料阀,根据分解炉中煤粉燃烧程度选择分料方向。

预热器高温风机为变频调速,转速970/300r/min,能力

305700m3/h(318℃,96900Pa),电机730kW,660V,这可能是国内2000t/d级上最小的预热器风机。

回转窑型号PYRORAPID,规格Φ4.0m³47m,双支墩,斜度3.5%,DC电机280kW,转速0.5～3.0r/min。篦冷机为KHD公司新一代高效篦冷机,型号PSC2-042.07T,斜度3.5%,二级传动。篦板有效面积42m2,设计冷却风量为2.0m3/kg熟料(标况)。篦冷机出口端装有锤式破碎机,转子Φ1300mm³2045mm,375r/min,电机90kW。 熟料输送机为链板式,提升高度56m,倾角42°。熟料库Φ22m³43m,容量20000t。篦冷机废气电收尘为国产BE110,一室三电场,能力330000m3/h。

2 调试中暴露的主要问题及整改措施 2.1 主要问题

2.1.1 三次风管油燃烧器不能正常投运

按窑的操作说明,窑投料后先烧SP窑,再投运分解炉。要投运分解炉,必须先点燃三次风管油燃烧器,以提高分解炉温度。该燃烧器系组合式,重量为1.2t,价格为27万马克,安装在靠窑头三次风管沉降室上。由于该燃烧器的控制系统和元件质量有缺陷,调试时,要么点不燃,要么点燃了不能正常工作;或点燃了,一旦停下来,下次又点不燃。为了满足业主急切要求投运分解炉的心情,调试人员试图在三次风管油燃烧器不能正常投运的情况下采用提高SP窑产量以提高三次风温来投运分解炉。其结果不是由于煤粉在烧成带燃烧不完至预热器继续燃烧,造成局部高温,反复引起C3～C5预热器结皮堵塞,就是烧成带热负荷太大引起带砖红窑。 2.1.2 窑炉风量不平衡

由于采用离线式管道分解炉,窑气不入炉,分解炉所需燃烧空气100%从篦冷机中抽取。相对而言,窑粗而短,三次风管和分解炉细长,转弯多,当分解炉投料时,C4预热器的分料阀从窑转到分解炉,料流又增加了分解炉的阻力,而窑尾上升烟道未设计调节闸门,仅在三次风管上设有闸门。由于窑阻力小于分解炉阻力,分解炉内的风量、风速不足把料悬浮起来,造成分解炉塌料。塌下来的料积在三次风管和分解炉连接处,而料中煤粉还在继续燃烧,使料粘结。原设计此处仅有一个电动排灰阀,当少量料粉沉积,尚可电动打开此门排灰,如果大量料塌下来,该门被料压死,无法电动开启,必须强行打开,并同时打开人孔门,人工清理还在熊熊燃烧的积料。如此反复,使分解炉难以正常投运。 2.1.3 预热器高温风机储备能力欠足

如上所述,预热器高温风机设计能力仅为305700m3/h(318℃,96900Pa),电机功率730kW。调试中,当窑的各项操作参数接近设计值,该风机尚可满足2000t/d的需要。但影响窑的操作参数的因素是众多的,很难确保窑的操作每时每刻都在最佳状态。当各种因素引起短时(甚至瞬时)的热耗增加,C1筒出口温度提高,窑尾或预热器漏风增加,上升烟道结皮,窑内结圈,各级预热器进风管水平段积料、塌料等,都能引起高温风机负荷增加,甚至多次跳停(该风机设定报警值为700k W

或780A,跳停为720kW或790A)。经查KHD公司设计该风机的依据为熟料热耗3034kJ/kg;系统阻力损失4810Pa;C1预热器出口温度290℃;C1筒出口O2含量4%;无烟煤热值200064kJ/kg;熟料产量为2000t/d。按以上数据计算出废气量为1.47m3/kg(标况),计算功率时,废气量储备系数仅取1.1。我们认为废气量储备系数偏低,经计算,如果其他参数都接近设计值,仅热耗增加15%,废气量增加10%;或C1筒出口温度增加30℃,废气量增加5%。而风量增加,又引起压力降的增加,而压力降与风速的平方成正比。如果几个因素同时存在,互相叠加,虽然相对值增加不多,就可能引起风机跳停,或被迫减产运行。 2.2 主要整改措施

2.2.1 窑尾上升烟道增加缩口

为了平衡窑与分解炉之间的风量,KHD公司提出在窑尾上升烟道入料口下方增设一个缩口的方案,管径从原来1 600mm³1 600mm缩小为1300mm³1300mm。实施此方案后,开始投料一段时间,窑与分解炉风量基本平衡,操作较正常,但运行一段时间后发现,由于缩口在靠近下料口下方,缩口上方易积料、结皮,因此处位置原因,结皮不易掉,加之短窑,烧无烟煤,窑尾温度偏高,烟室易结皮,结果有时出现窑的通风反而次于分解炉,用关小三次风管闸门来调节,这样又引起压损增加,最后只有把缩口全部打掉,情况才有好转。实际上窑炉风量平衡还与上升烟道结皮相关,操作应尽量避免尾温超标,烟道结皮应及时清掉。 2.2.2 增设分解炉油点火喷枪

由于引进的三次风管油燃烧器不能正常工作,根据南京院调试人员建议,从南京一家机械厂购买了一支S3型燃油喷枪和相应的金属软管,安装在分解炉主、次燃烧器之间,作为分解炉的点火器。该喷枪能力300kg/h,压力2.0MPa,总长1610mm。需要点火时,人工插入分解炉,点火任务完毕后拔出来,既能满足点火需要,也很方便。但使用中发现,在分解炉内油点火喷枪口附近,易结成如冰柱般的

结皮,影响通风。经分析,可能是次燃烧器喷煤时,煤粉上升到点火喷枪处,因温度高而造成部分煤灰熔融所致。后把油枪位置移至次燃烧器下面,这种情况消失。 2.2.3 分解炉底部增设排灰溜子和翻板阀

此举的目的是为了让可能出现的分解炉塌料迅速排出,从而不影响分解炉的继续运行。几经改进,效果尚佳。 2.2.4 窑尾烟室、预热器增设空气炮

由于燃烧无烟煤,烧成带和分解炉引起不完全燃烧的概率比烟煤高,因此烟室、烟道及预热器结皮堵塞的概率也高。根据调试前段时间出现结皮堵塞的实际情况,购买21台法国标准公司的空气炮,分别安装在烟室、C3～C5预热器及下料管上,使用结果是有成效的。

至于前面提到的预热器高温风机能力不足一事,现在看来要更换风机及相应的控制系统是困难的,唯一的办法是尽量优化操作,力求把各项操作参数向设计参数靠拢,若经过一段时间的努力,确实不能满足产量要求,只有到时再议。经过以上整改和操作的不断探索,分解窑生产日趋正常。表1～表3分别列出入窑生料、熟料化学成分、率值;煤的工业分析及熟料fCaO、升重及强度。

表1 入窑生料、熟料化学成分、率值(1997年12月)

样品 Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO LSF SM IM C3S C2S C3A C4AF 生料 35.11 13.75 3.45 2.04 43.64 0.96 99.43 2.56 1.64 熟料 0.26 22.05 5.21 3.64 66.43 1.58 94.60 2.49 1.44 57.90 19.55 7.63 11.07 表2 煤的工业分析

Mad/% Aad/% Vad/% Qnet,ad/(kJ/kg) 1.92 15.15 2.64 27529

表3 熟料fCaO、升重及强度

抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 3d 6.4 28d 8.9 3d 28d fCaO/％ 升重(g/L) 1.00 1385 34.1 66.6

3 无烟煤燃烧的几个主要技术要点 3.1 煤质和细度

无烟煤的质量按灰分含量划分。灰分不同,对燃烧的影响也不一样。当初我们送煤样到FLS和KHD公司检验,其灰分为39%,热值仅为20088kJ/kg,两家公司的试验结果均可用。但实际使用时我们选择灰分为14%±2%,热值

27203±837kJ/kg的无烟煤。这是因为灰分低的比灰分高的无烟煤有以下优点:1)发热值高,燃烧速度快,燃烬时间短;2)虽然单位质量煤燃烧后的烟气量高,但由于热耗低,总的烟气量反而低;3)由于煤灰量小,对配料稳定性影响小;4)窑内结圈几率减少;5)虽然单价高,但由于总量低,加上运输、储存、粉磨的费用,其总费用反而低。所以使用无烟煤作燃料时,尽可能用灰分低的煤,最好能定点供应,并设置预均化堆场。

细度对无烟煤燃烧是至关重要的。合理地提高煤粉细度可以弥补因挥发分低带来的燃烧差异。回转窑内燃烧是扩散控制过程,煤粉燃烬的时间正比于颗粒直径的二次方,而分解炉内燃烧是化学过程占主导地位,燃烬时间正比于颗粒直径,所以增加细度对前者影响大于对后者的影响。对龙岩煤样,FLS和KHD公司都作了试验,FLS公司提出窑用煤细度为≤6%R0.09,分解炉为1%R0.09或6%R0.045,而KHD公司提出,窑用煤细度为5%R0.09,分解炉为3%R0.09。对窑用煤细度,两者相近,对分解炉,相差较大,这可能是分解炉的形式和结构不一样引起的。由于我们引进KHD公司的设备,试产期,用KHD公司的要求来控制煤粉细度。由于国内习惯用80μm筛,实际控制窑用煤细度≤5%R0.08,分解炉≤3%R0.08,比KHD公司要求的指标还细。

在正常操作时,对三德公司这套系统,这样细度能保证煤粉在窑烧成带和分解炉内燃烬。对投料初期,由于产量未达到正常,二、三次风温低,最好此时使用的煤粉磨得更细一些。 3.2 分解炉的形式与结构

在煤种、煤质、细度确定的情况下,煤粉在分解炉内的燃烬度与O2含量、煤粉滞留时间和操作温度相关。而分解炉的型式和结构与O2含量和煤粉滞留时间相关。

按窑气入炉与否,分解炉可分为在线式和离线式两种。两种型式的分解炉各有优缺点。由于无烟煤燃烧着火温度高,燃烧速度慢,燃烬时间长,因此在选择分解炉型式时,首要考虑的是哪种分解炉对无烟煤燃烧有利。窑气入炉虽然能在一定范围提高入炉空气温度,但降低了氧浓度,从而提高了燃料的着火温度,同时燃料须靠与氧气化合才能释放热量,窑气入炉氧含量降低,燃料发热能力将大大降低,氧含量下降,CO2增加,又会影响燃料的燃烧速度。此外,窑气入炉时,窑气中20%的CO2混入新鲜空气,使生料开始分解的温度提高,分解率降低〔2〕。因此,采用无烟煤作燃料,最好选用离线式分解炉。但设计时,应考虑窑和分解炉两股气体的平衡以及分解炉可能出现的塌料的迅速排料问题。

为了延长无烟煤在分解炉内滞留时间,可增大容积、高度,采用合理结构,增加喷腾和旋涡效应,从而增大固/气滞留时间比。KHD公司提供的pyroclon管道分解炉,有效容积347m3,比烟煤作燃料的同规模的分解炉大,分解炉总长65m,设计气体滞留时间为4～5s。由于炉内有两个扩大口,产生喷腾效应,顶部设有pyrotop旋风筒,增加旋涡效应和混合作用。如果按常规,固/气滞留时间比为5,则固相滞留时间为20～25s。比烟煤作燃料的分解炉长(确切的固相滞留时间有待测定)。此外,pyrotop底部设有分料阀,根据煤粉的燃烧情况,选择分料方向。这些对无烟煤在炉内燃烬显然是有利的。 3.3 窑用燃烧器

选择合适的窑用燃烧器对无烟煤燃烧更为重要。

本公司引进KHD公司PYROJET三通道燃烧器型号HPJ/190K,该燃烧器有以下特点:

1)一次风量占总空气量的8%,其中输送煤粉空气量占2.0%,旋涡风占2.4%,喷射风占3.6%。由于一次空气量低,则温度高达1000℃以上的二次风量增加,这就会加速无烟煤的燃烧。

2)合理的一次风速。有资料〔3〕介绍,二次空气和燃料的混合速率随推力(单位时间内一次空气量和一次空气的喷出速度的乘积)的增加而增加;火焰长度随推力的增加而缩短,火焰缩短,意味着燃料的能量可在较小的体积内释放出来,因而火焰温度较高,这对加速无烟煤燃烧是有利的。PYROJET燃烧器的喷射速度可高达130～350m/s,根据窑型、二次风温、煤种及细度等因素,提供给三德的这套燃烧器,其喷射风速为170 m/s,旋涡风速为170m/s,输煤风速为25m/s。实际使用中,这种风速使火焰活泼,它沿着窑轴以规则楔形向各个方向较均等地扩散,火焰较易调节。

3)能够产生强烈的循环效应。该燃烧器除了由于速度差、方向差、压力差引起风煤快速混合燃烧外,还由于在旋涡中心能形成1200Pa的负压,引起强烈的内循环,炽热的气体返回到火焰端部,从而加速燃烧,黑火头缩短。同时由于喷射效应,在火焰外围,引起高温的二次风与燃料的强烈混合。内外循环引起煤粉在火焰中的滞留时间延长,从而提高了燃烬度。

4)PYROJET燃烧器中心配套了Pillard公司供货的点火油燃烧器。该燃烧器型号为MY67,能力1000kg/h,分一次油和二次油,一次油能产生旋涡效应,加快燃烧,缩短火焰,二次油产生喷射效应,调节火焰长度。调节一、二次油压,就能达到相应的效果。这种点火器对点火和操作中由于设备故障引起暂停窑后的重新点火是很方便的。如果操作中出现窑头温度低,煤粉燃烧不完全,可点燃此燃烧器,使窑头温度很快恢复正常。

3.4 篦冷机和二、三次风温

二、三次风温的提高,意味着:1)热耗降低,窑系统的废气量减少,相应减轻了预热器高温风机的负荷;2)煤粉的燃烧速度加快,燃烬时间缩短,这对无烟煤燃烧和三德厂高温风机储备能力偏小是重要的。要提高二、三次风温,必须配备高效率的篦冷机。三德厂引进了KHD公司第三代篦冷机,该篦冷机的换热区为空气梁脉冲送风的静态阶梯式阻力篦板和空气梁送风的往复式欧美茄阻力篦板,可以使熟料在篦床上分布均匀,不会出现熟料层厚薄不均的现象,从而避免出现“红河”和“空洞”,提高了热效率。正常操作时,二次风温在1 050℃左右,三次风温在900℃左右,显然对无烟煤燃烧是非常有利的。 3.5 合理的操作参数

应该说,不管用什么燃料,其操作参数的控制没有什么不同。只是用无烟煤作燃料,希望获得比烟煤作燃料更高的二、三次风温。 三德正常操作时的参数控制如表4。

表4 正常操作时的控制参数 上升烟道C5入口 分解炉进分解炉出口 口 C1出口 C5出口 窑尾 窑头 二次风 温度/℃ 300±10 负压/Pa 无测点 870±10 880±10 1580±20 880±20 890±10 1130±20 1550±20 1000±20 200 1050±20 100 1～2 20±5 O2/% 3.5～4.5 CO/ppm ＜-6 500³10 ＜-6 500³10 4 结束语

三德厂用100%无烟煤作分解窑(炉)燃料调试的初步成功为盛产无烟煤的地区新型干法水泥生产线提供了借鉴。但毕竟无烟煤比烟煤难燃烧,稍不注意,较容

易引起不完全燃烧,加之三德厂采用短窑,窑尾温度波动大,易结皮；分解炉为离线式,上升烟道无控制阀门,易出现窑、炉风量不平衡;预热器高温风机储备能力低等操作难点,要求我们不断提高操作和管理水平。