水泥制造工藝系列講座-分解爐溫度控制

分解爐有多種型式,其結(jié)構(gòu)性能雖有差異,但要起的主要作用卻是相同的:要使燃料燃燒的放熱過程與生料碳酸鹽分解的吸熱過程在其中以懸浮態(tài)或流化態(tài)下極其迅速地進(jìn)行,使入窯生料碳酸鹽分解率提高,從而減輕窯的熱負(fù)荷,提高窯的運轉(zhuǎn)周期,提高產(chǎn)質(zhì)量。而分解爐的溫度控制對整個預(yù)分解窯系統(tǒng)的熱力分布,熱工制度的穩(wěn)定至關(guān)重要。為此,作者對分解爐溫度控制的有關(guān)幾個問題進(jìn)行討論。  
　 
1 分解爐溫度與燃料燃燒  

分解爐的溫度取決于燃料燃燒過程的放熱速率與生料分解過程的吸熱速率。當(dāng)燃料燃燒放熱速率慢,生料分解在接近平衡的條件下進(jìn)行,分解爐的溫度于860～920℃范圍,燃料燃燒放出的熱量就會迅速傳遞給生料,并被分解反應(yīng)吸收。但是,當(dāng)燃料燃燒速率大于生料分解過程的吸熱速率,燃料燃燒的熱量大于生料分解所需的吸熱量,此時分解爐的溫度就會超過平衡溫度范圍。  

從燃料燃燒的角度來看,分解爐內(nèi)燃料的燃燒與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒有許多不同之處。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒溫度比分解爐內(nèi)高得多,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒明顯是受擴散控制的,而分解爐內(nèi)燃料燃燒則有所不同。由于分解爐溫度遠(yuǎn)低于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒溫度,故煤在分解爐內(nèi)的燃燒時間受煤種類的影響比回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的影響大得多。如廣東云浮水泥廠FCB分解爐容積偏小,結(jié)構(gòu)上亦存在一些問題,當(dāng)使用低揮發(fā)分、高灰分的低熱值煤時,還原氣氛十分嚴(yán)重,迅速導(dǎo)致結(jié)皮堵塞;而采用高揮發(fā)分、低灰分的高熱值煤時情況則有所改善。煤粉細(xì)度對于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒是相當(dāng)敏感的,因為其是受擴散控制,即受邊界層擴散時輸送速率的控制;而煤粉細(xì)度對分解爐內(nèi)燃燒的影響就沒有在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)那樣敏感了。  

問題還要回到分解爐溫度與燃料燃燒的關(guān)系上來。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒是受擴散控制的,增減10～20℃對于燃料的燃燒影響是甚微的。但在分解爐內(nèi)則明顯不同。如有的分解爐容積偏小,煤粉燃燼時間不足,以至還原氣氛重,而降低分解爐的溫度,減少分解爐用煤量,以圖改變煤粉燃燒不完全、還原氣氛的問題,但往往是事與愿違。因在不減產(chǎn)量的情況下,分解爐用煤減少,分解爐溫度降低,煤的燃燒速度隨溫度降低而迅速下降,煤粉始終是燃燒不完全。適當(dāng)增大分解爐的容積已成為一個發(fā)展動向。在分解爐偏小煤質(zhì)差的情況下,可適當(dāng)降產(chǎn)量,而不宜降低分解爐的溫度。  

2 分解爐溫度與燃料用量比例及三次風(fēng)溫  

分解爐與窯頭燃料用量的比例對整個預(yù)分解窯系統(tǒng)的熱力分布有著重要影響,而分解爐的燃料用量又與分解爐溫度控制有關(guān)。以珠江水泥廠SLC窯為例,對此問題進(jìn)行討論。  

下表是珠江水泥廠SLC窯在雙列運轉(zhuǎn),熟料產(chǎn)量為3840～4160t/d,在一段期間內(nèi),分解爐喂煤量所占的比例、分解爐出口溫度B55T1、爐列出口廢氣溫度B50T1、窯列出口廢氣溫度A50T1、三次風(fēng)溫B56T1、廢氣CO含量及煤耗的統(tǒng)計參數(shù)。

從表中可見,該預(yù)分解窯在一定的范圍內(nèi),分解爐的燃燒用量比例存在著一個最佳值。在該條件下,最佳值為約61.5%,此時其熱耗最低。大于或少于此值,熱耗均增加。也就是說,在一定產(chǎn)量范圍內(nèi)的某窯,分解爐喂煤量既不是越高越好,也不是越低越好。分解爐喂煤的比例與熱耗的關(guān)系不是線性的,而是非線性的。有的統(tǒng)計得出兩者的關(guān)系是線性的結(jié)論,認(rèn)為窯頭喂煤越多越好或分解爐喂煤越多越好,實際上是最佳值的某一側(cè),從而產(chǎn)生分解爐用燃料比例與熱耗關(guān)系是線性關(guān)系的錯覺而已。  

為何對于某特定的預(yù)分解窯其燃料用量比例存在一個最佳范圍,高于或低于此最佳范圍熱耗會增加?盡管對于不同的預(yù)分解窯相應(yīng)的最佳范圍是不同的,但都應(yīng)有類似的關(guān)聯(lián)。  

當(dāng)分解爐喂煤量比例增大,即窯頭喂煤減少。從表中可知,盡管窯列廢氣溫度A50T1有所降低,但爐列廢氣溫度B50T1都明顯增高,爐列的廢氣量比窯列的廢氣量大,即總的廢氣帶走的熱損失是增加的。另外,分解爐加過多的煤,使廢氣中CO含量增加。反之,當(dāng)分解爐喂煤量比例過低,同樣也會使熱耗增加。窯頭燒過多的煤,窯列廢氣溫度A50T1明顯上升,廢氣中CO含量亦增加,導(dǎo)致熱耗增加。而且這樣做還會影響回轉(zhuǎn)窯耐火材料的壽命,影響安全運轉(zhuǎn)的時間。  

雖然許多預(yù)分解窯并非是雙系列的,但其本質(zhì)是相同的。在一定的產(chǎn)量范圍內(nèi),分解爐與窯頭燃料用量比例都存在著一個最佳的范圍,在此范圍內(nèi)就可為預(yù)分解窯的合理熱力分布提供好的基礎(chǔ)。分解爐燃料用量比例過高或過低都是不利的。  

分解爐的燃料用量比例與分解爐溫度控制又有何關(guān)聯(lián)呢?具體對于珠江水泥廠SLC窯分解爐來說,是分解爐出口溫度B55T1與其喂煤量比例的關(guān)聯(lián)。在該處設(shè)置了一個PID調(diào)節(jié)器,根據(jù)設(shè)定的溫度由PID調(diào)節(jié)器自動增減燃料用量。自動模擬PID調(diào)節(jié)器有三種調(diào)節(jié)作用:  

P作用(Proportional):比例作用,調(diào)節(jié)器的修正動作與偏差成比例。  

I作用(Integral):積分作用,調(diào)節(jié)器的修正動作隨偏差存在時間的延長而增大。  

D作用(Derivate):微分作用,調(diào)節(jié)器的修正動作開始時較大,隨后變小,偏差漸趨于零。  

總的來說,PID作用為,修正作用在開始時大(D作用)隨后減少到一個數(shù)值,此值與偏差成比例(P作用),但隨時間再度增大(I作用),而且在有偏差時一直存在。  

但PID調(diào)節(jié)器有一定的時間滯后。如窯皮垮落,篦冷機內(nèi)熟料層厚度、風(fēng)量變化,從而導(dǎo)致進(jìn)分解爐的三次風(fēng)溫波動變化,而PID就不能及時適應(yīng)此變化。  

進(jìn)分解爐的三次風(fēng)溫對分解爐內(nèi)煤粉的燃燒及分解爐的出口溫度亦有著重要的影響。從表中可見,當(dāng)窯頭喂煤量下降,致使物料煅燒溫度不足,一方面會影響熟料質(zhì)量,另一方面使落入篦冷機的熟料溫度亦降低,在同等的操作條件下,其三次風(fēng)溫降低。三次風(fēng)溫降低就會對分解爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生影響,特別是對于揮發(fā)分低、灰分高的煤粉,影響就更為顯著。珠江水泥廠SLC窯分解爐的喂煤點與喂料點較接近,生料碳酸鹽分解大量吸熱,若三次風(fēng)溫低,進(jìn)一步延滯了煤粉的燃燒。此時即使在分解爐多加煤,煤粉燃燒也不完全,廢氣中CO含量增加,分解爐溫度并不高。  

適當(dāng)提高及穩(wěn)定三次風(fēng)溫,亦即提高及穩(wěn)定了二次風(fēng)溫,對分解爐及窯頭的煤粉燃燒有著十分重要的影響。在熟料溫度、結(jié)粒情況及冷卻用風(fēng)量變化不大的情況,穩(wěn)定一定的篦冷機篦底壓力,意味著可保證篦床上的熟料層厚度一定,從而可得到穩(wěn)定的二、三次風(fēng)溫,為良好與穩(wěn)定的燃燒創(chuàng)造條件。  

3 分解爐溫度與末級旋風(fēng)筒溫度及物料、燃料情況  
燃料在分解爐內(nèi)燃燒放熱,料粉在其中吸熱分解;隨后,氣固兩相流離開分解爐進(jìn)入末級旋風(fēng)筒,進(jìn)行氣固分離;分離后的物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯,而氣體進(jìn)入上一級旋風(fēng)預(yù)熱器。在正常情況下,煤粉在分解爐燃燒完全,分解爐的出口溫度會高于最末一級旋風(fēng)筒下部及其物料的溫度。但是,當(dāng)分解爐內(nèi)燃料的燃燒速度慢,燃料燃燒不完全,則未完全燃燒的煤粉在旋風(fēng)筒內(nèi)繼續(xù)燃燒,此時則會使最末一級旋風(fēng)筒下部及物料的溫度比分解爐出口溫度還要高。如云浮水泥廠在1993年8月煤粉質(zhì)量明顯下降,灰分高、熱值低,FCB型預(yù)分解窯窯頭三通道噴煤管未能適應(yīng)燒這些質(zhì)量差的煤,熟料煅燒溫度低,三次風(fēng)溫明顯下降,而低的三次風(fēng)溫又進(jìn)一步延滯了分解爐內(nèi)煤粉的燃燒,可謂雪上加霜。就這樣,不完全燃燒的煤粉進(jìn)入五級旋風(fēng)筒內(nèi)繼續(xù)燃燒,五級旋風(fēng)筒下部溫度比分解爐出口溫度還高。在這種情況下,廢氣中CO含量高,還原氣氛重,易結(jié)皮堵塞,而分解爐的平均溫度并不高,入窯物料碳酸鹽分解率亦較低,熟料產(chǎn)質(zhì)量下降。  

還需說明的是,分解爐的通風(fēng)量對分解爐出口溫度及末級旋風(fēng)筒下部溫度亦有影響。即使分解爐的喂煤量、物料量不變,但通風(fēng)量改變,亦會產(chǎn)生影響。當(dāng)通風(fēng)量過大,分解爐內(nèi)氣流速度過快,燃料及物料在分解爐內(nèi)停留時間不足;反之,當(dāng)通風(fēng)量過小,供氣不足,燃料燃燒同樣受影響?？傊?通風(fēng)量的波動,窯風(fēng)量與分解爐風(fēng)量的分配不當(dāng),都會影響分解爐燃料的燃燒,從而導(dǎo)致分解爐出口溫度與最末一級旋風(fēng)筒下部溫度的異常。  

分解爐的溫度控制還應(yīng)考慮產(chǎn)量及物料的情況。當(dāng)產(chǎn)量較低,即喂料量較小,回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速亦較慢,此時應(yīng)相應(yīng)降低分解爐溫度。因分解爐溫度過高,一方面會增加熱耗,另一方面還不利于熱工制度的穩(wěn)定,不利于熟料燒成。反之,當(dāng)產(chǎn)量較高,在分解爐能力許可的情況下應(yīng)適當(dāng)提高分解爐溫度,減輕回轉(zhuǎn)窯的熱負(fù)荷。但是,當(dāng)設(shè)備富裕能力小,超產(chǎn)時窯系統(tǒng)的平衡是相當(dāng)脆弱的,遇到小小波動亦難以調(diào)整,故提高分解爐溫度,提高產(chǎn)量需適度為宜。而當(dāng)物料反應(yīng)活性較差,如石灰石結(jié)晶狀況較好,晶體尺寸較大,其分解溫度較高。此時應(yīng)在可能的條件下把分解爐溫度控制高一些,以保證入窯物料的分解率。