在水泥余熱發(fā)電工藝中采用循環(huán)流化床技術(shù)預(yù)燒水泥生料

2　實(shí)驗(yàn)流程

　　本工藝采用冷生料直接入爐，為保證爐內(nèi)熱負(fù)荷，在爐子下部和中部各設(shè)一噴油口。生料在爐底部流化風(fēng)的作用下流態(tài)化，來(lái)自油槍的燃燒煙氣加入后，爐內(nèi)氣流速度提高，生料被帶出爐子，經(jīng)三級(jí)旋風(fēng)筒收塵，煙氣通過(guò)水收塵經(jīng)排風(fēng)機(jī)后進(jìn)入煙囪排出。一級(jí)旋風(fēng)筒和二級(jí)旋風(fēng)筒收下的生料可以返回爐內(nèi)，在一級(jí)旋風(fēng)筒下料管道上裝有高溫分料器，用以調(diào)節(jié)回爐生料的循環(huán)量。本實(shí)驗(yàn)的工藝流程示于圖1。圖中T是溫度測(cè)點(diǎn)；P是壓力測(cè)點(diǎn)。進(jìn)入爐內(nèi)的風(fēng)量和油量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量。

　　　　　　　　　　　　圖1　循環(huán)流態(tài)化分解爐工藝流程

1.油箱；2.鼓風(fēng)機(jī)1；3.油泵；4.鼓風(fēng)機(jī)2；5.分解爐；6.下油槍；7.上油槍；8.喂料機(jī)；9.旋風(fēng)筒Ⅰ；10.翻板閥；11.分料器；12.旋風(fēng)筒Ⅱ；13.旋風(fēng)筒Ⅲ；14.手推車；15.水收塵箱；16.引風(fēng)機(jī)

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　床層阻力與流化風(fēng)量的關(guān)系

3.1.1　布風(fēng)板阻力

　　從實(shí)驗(yàn)得出，隨著流化風(fēng)量的增加，布風(fēng)板兩側(cè)壓力降增大，開始?jí)航翟黾泳徛?，在風(fēng)速大于0.34m/s之后，阻力的增大隨流量增加明顯加快。由流體動(dòng)力學(xué)理論知道：

　　管內(nèi)流體流動(dòng)阻力ΔP與流速V的關(guān)系為：

　　ΔP∝V2，而V=Q/A，Q是流量，A是過(guò)流面積。則：

　　ΔP∝Q2/A2，在A不變的條件下ΔP∝Q2

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)出的布風(fēng)板阻力與流化風(fēng)量的關(guān)系符合上述規(guī)律，如圖2所示。

　　　　　圖2　布風(fēng)板阻力與風(fēng)量的關(guān)系

3.1.2　床層阻力與床層高度和流化風(fēng)量的關(guān)系

　　在床高一定的情況下，床層阻力降與流化風(fēng)量的關(guān)系為：床層阻力在風(fēng)量較小的階段隨風(fēng)量的增加呈線性增加，當(dāng)流化風(fēng)量達(dá)到一定量以后，阻力降不再隨風(fēng)量增大而增大，而是在一個(gè)很狹窄的波動(dòng)范圍內(nèi)走一個(gè)平臺(tái)，如圖3所示。

　　　　　圖3　不同床高床層阻力與流化風(fēng)量的關(guān)系

　　　　　1.床高361mm；2.床高248mm；3.床高116mm

　　濃相床高的變化對(duì)床層阻力產(chǎn)生影響，在不產(chǎn)生溝流和死床的情況下，床層阻力隨著濃相床高度的提高而增大。圖3是在三種濃相床層高度時(shí)床層阻力隨流化風(fēng)量變化的情況。

3.1.3　系統(tǒng)壓力分布

　　爐系統(tǒng)正常工作時(shí)微負(fù)壓運(yùn)行。爐膛負(fù)壓為-100～-150Pa，一級(jí)旋風(fēng)筒入口負(fù)壓-400～-600Pa，二級(jí)旋風(fēng)筒入口負(fù)壓-900～-1100Pa，三級(jí)旋風(fēng)筒入口負(fù)壓-1400～-1700Pa。

　　流化床正常工作時(shí)的鼓風(fēng)壓力為800～1600Pa。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中正常的鼓風(fēng)壓力為1000Pa，當(dāng)床層積料增多時(shí)，鼓風(fēng)壓力增大。

3.2　溫度與出爐生料分解率之間的關(guān)系

　　溫度對(duì)生料中碳酸鈣的分解率起著決定性作用。根據(jù)A.Muller等人的研究，在720℃的溫度條件下，水泥生料中碳酸鈣分解率達(dá)到80%需要136s，在900℃的溫度條件下，達(dá)到80%需要4s，而在1000℃的溫度條件下，達(dá)到80%只需1.1s。

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在無(wú)循環(huán)條件下，生料從進(jìn)爐到出一級(jí)旋風(fēng)筒之間的停留時(shí)間為2.9s(計(jì)算值，不考慮顆粒與氣流之間的滑移)。如考慮氣流與顆粒之間的滑移，實(shí)際顆粒停留時(shí)間要大于計(jì)算值。

　　在本實(shí)驗(yàn)中，爐膛平均溫度900～950℃時(shí)，從一級(jí)旋風(fēng)筒收下的物料碳酸鈣分解率在85%左右。1000℃以上時(shí)，分解率達(dá)90%以上。降低爐子的溫度水平，分解率明顯下降。當(dāng)爐子平均溫度800℃以下時(shí)，得到的分解率不及10%。為了在較低的溫度水平上得到較高的出爐物料分解率，需要增加物料在爐子中的停留時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)把一級(jí)和三級(jí)旋風(fēng)筒收下的物料部分返回爐內(nèi)，從而增大物料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，達(dá)到提高生料出爐分解率的目的。

　　生料一次通過(guò)爐系統(tǒng)的分解率與爐膛平均溫度的關(guān)系如圖4所示。

　　　　圖4　生料分解率與爐膛平均溫度的關(guān)系

3.3　循環(huán)量與生料分解率的關(guān)系

　　本文中循環(huán)率定義為：出一級(jí)旋風(fēng)筒下料管物料入爐量/入窯物料量(即各旋風(fēng)筒放出物料總量)。

　　從溫度變化對(duì)分解率的影響可以看出，在爐膛平均溫度950℃以上，生料顆粒一次通過(guò)爐系統(tǒng)，碳酸鈣分解率可達(dá)90%以上。這時(shí)，由于碳酸鈣分解在很短時(shí)間完成，停留時(shí)間對(duì)分解率的影響有限，此時(shí)溫度對(duì)分解率起著控制作用，增加停留時(shí)間并不能大幅度提高分解率。在我們的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)爐平均溫度在950℃以上時(shí)，循環(huán)與不循環(huán)時(shí)，生料中碳酸鈣分解率沒(méi)有明顯變化。爐膛平均溫度960℃的實(shí)驗(yàn)證明，物料不循環(huán)時(shí)的碳酸鈣分解率可達(dá)90.03%，出一級(jí)旋風(fēng)筒下料管物料100%循環(huán)時(shí)的碳酸鈣分解率為90.732%。在爐膛平均溫度900℃以下，由于水泥生料在爐系統(tǒng)中產(chǎn)生高分解率所需時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)設(shè)法延長(zhǎng)生料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，對(duì)提高出爐生料分解率有利。由于在900℃以上，爐膛易發(fā)生結(jié)焦，并且余熱鍋爐易集灰，不適合余熱發(fā)電系統(tǒng)采用，我們的實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)放在700～900℃的溫度范圍內(nèi)。

　　在爐膛平均溫度850℃的實(shí)驗(yàn)中，我們看到物料循環(huán)對(duì)碳酸鈣分解率的影響。對(duì)出一級(jí)旋風(fēng)筒的物料分析，物料不循環(huán)時(shí)的碳酸鈣分解率為58.39%，出一級(jí)旋風(fēng)筒下料管物料50%循環(huán)時(shí)的碳酸鈣分解率達(dá)81.64%。由于部分物料回爐循環(huán)增加了生料在系統(tǒng)中的停留時(shí)間，從而有效地提高了生料中碳酸鈣出爐分解率。圖5是爐膛平均溫度在850℃、900℃和950℃條件下，物料循環(huán)時(shí)碳酸鈣分解率與循環(huán)率的關(guān)系。

　　　　　　　循環(huán)率/%

　　　圖5　循環(huán)量與分解率的關(guān)系

1.爐膛平均溫度950℃；2.爐膛平均溫度900℃；3.爐膛平均溫度850℃

　　由于物料多次通過(guò)爐膛，在較低的溫度水平上獲得了生料的高分解率，從而為降低分解爐操作溫度，防止?fàn)t膛結(jié)焦，降低熱耗提供了技術(shù)途徑。

4　結(jié)論

　　(1)本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下將循環(huán)流態(tài)化分解爐應(yīng)用于水泥預(yù)煅燒過(guò)程，并得出其主要工藝參數(shù)。

　　(2)熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)表明：采用循環(huán)流態(tài)化分解爐，在爐膛平均溫度850℃左右，可以有效提高分解爐的效率和出爐生料分解率。在950℃以上或700℃以下，物料循環(huán)對(duì)生料分解率沒(méi)有明顯提高。本循環(huán)系統(tǒng)在爐膛平均850℃左右時(shí)，出爐生料中碳酸鈣分解率達(dá)80%以上，而在同樣條件下，不采用循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，出爐生料碳酸鈣分解率最多不超過(guò)60%。

　　(3)在700～950℃溫度范圍內(nèi)采用循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)溫度一定時(shí)，可以提高出爐生料分解率；或者當(dāng)要求一定的出爐分解率時(shí)，爐子可以在較低的溫度水平下運(yùn)行，這對(duì)于降低熱耗，避免爐系統(tǒng)因溫度過(guò)高而結(jié)焦，都有積極意義。

　　(4)本實(shí)驗(yàn)所得工藝參數(shù)和操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于工業(yè)化循環(huán)流態(tài)化分解爐的設(shè)計(jì)和操作具有指導(dǎo)作用。第一套采用該系統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)裝置已在呼和浩特市水泥廠安裝，1994年底投入運(yùn)行。