Φ3m×48m捷克型立筒預(yù)熱器窯對原燃料中硫堿適應(yīng)性的探討

　　1  引言 

　　 我廠以節(jié)能、提高水泥質(zhì)量為目的,于1986年對干法中空窯進(jìn)行技術(shù)改造,該技術(shù)改造工藝設(shè)計(jì)由湖南省建材工業(yè)設(shè)計(jì)院承擔(dān),立筒部分由捷克斯洛伐克引進(jìn),選用Φ3m×48m回轉(zhuǎn)窯與之匹配,該系統(tǒng)于1988年建成投運(yùn)至今,經(jīng)歷了第一階段(1988年～1995年7月)用砂頁巖配料,硫<3%的低硫煤煅燒和第二階段(1995年8月至今)采用黃土配料,混合煤(高硫煤∶低硫煤=3∶1)煅燒。通過這兩個(gè)階段原、燃材料中硫、堿的變化造成立筒結(jié)皮、堵塞的情況分析,使我們對捷克普列洛夫型立筒預(yù)熱器對原、燃材料中硫、堿適應(yīng)性,有了新的認(rèn)識,為我廠找到了一條合理利用當(dāng)?shù)刭Y源的有效途徑。 

　　2  情況簡介 

　　2.1  窯系統(tǒng)工藝流程簡介

　　該系統(tǒng)采用國產(chǎn)Φ3m×48m回轉(zhuǎn)窯與捷克引進(jìn)的普列洛夫立筒預(yù)熱器配套,設(shè)計(jì)能力15t/h(由于工藝設(shè)計(jì)、窯通風(fēng)條件及窯運(yùn)轉(zhuǎn)率等問題的存在,窯產(chǎn)量未達(dá)到設(shè)計(jì)能力),熟料采用Φ2.8m×28m單筒冷卻機(jī)冷卻,煤粉制備采用Φ1.7m×2.5m風(fēng)掃磨,并從窯頭抽取熱風(fēng)進(jìn)行烘干粉磨,出窯廢氣一部分進(jìn)入Φ3.2m×5.8m風(fēng)掃生料磨烘干生料,一部分進(jìn)增濕塔,經(jīng)增濕、降溫后,與生料磨廢氣匯合,通過一臺30m2電收塵器收塵后排入大氣,電收塵、增濕塔收下的生料粉塵入攪拌庫與出磨生料攪拌均勻后入窯煅燒。工藝流程見圖1。

圖1  窯系統(tǒng)工藝流程  

　　2.2  立筒的外型及熱工參數(shù) 

　　普列洛夫型立筒預(yù)熱器,由1個(gè)圓柱形直筒、一級旋風(fēng)預(yù)熱筒(2個(gè))、一級旋風(fēng)收塵筒(8個(gè))組成,出窯廢氣經(jīng)上升煙道(截面尺寸:1400mm×1400mm)切線進(jìn)入立筒,進(jìn)入立筒的氣流呈螺旋上升,經(jīng)中心風(fēng)管進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱筒,出旋風(fēng)預(yù)熱筒廢氣,經(jīng)旋風(fēng)收塵筒收塵后,進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)。生料通過氣力提升泵送入中心風(fēng)管,經(jīng)旋風(fēng)預(yù)熱筒預(yù)熱后,與旋風(fēng)收塵筒收下的生料一道進(jìn)入立筒,經(jīng)撒料器分散后,在氣流離心力和自身重力的作用下,呈螺旋狀自上而下運(yùn)動(dòng),進(jìn)行熱交換,充分預(yù)熱好的生料進(jìn)入立筒錐部,經(jīng)下料管進(jìn)入窯內(nèi)。普列洛夫立筒外型及熱工參數(shù)見圖2。

圖2  普列洛夫立筒外型及熱工參數(shù)  

　　2.3  對原、燃材料中硫堿的要求 

　　為保證普列洛夫立筒預(yù)熱器的運(yùn)行完全可靠,在引進(jìn)合同中,對原、燃材料中硫、堿提出下列要求: 
      　燃料中硫<3%;  
      　生料中堿含量:(Na2O+K2O)<1%; 
      　生料中氯含量:<0.5%; 
         硫堿比:0.6～1。  

　　3  原、燃材料成分及有害成分的計(jì)算

　　3.1  原、燃材料成分

　　原材料及燃料的成分分別見表1和表2。混合煤中硫含量見表3。 

表1  原材料平均化學(xué)成分(%) 

表2  低硫煤、混合煤工業(yè)分析及有害成分

表3  混合煤中硫含量(%) 

　　3.2  物料配比 

　　根據(jù)我廠多年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),熟料熱耗為4800kJ/kg熟料。由所列的原料化學(xué)成分和低硫煤工業(yè)分析,經(jīng)配料計(jì)算,各原、燃材料配比見表4。 

表4  原、燃材料配比(%) 

　　由所列的原料化學(xué)成分和混合煤工業(yè)分析,經(jīng)配料計(jì)算,各原、燃材料配比見表5。  

 表5  原、燃材料配比(%)  

　　3.3  有害成分的計(jì)算 

　　3.3.1  砂頁巖配料、低硫煤煅燒時(shí)(第一階段)有害成分的計(jì)算  

　　根據(jù)所列有害成分K2O、Na2O、、SO3的含量和表4各原、燃材料配比,經(jīng)計(jì)算可知: 

　　生料中:K2O=0.817%         Na2O=0.279% 
    　　　　K2O+Na2O=1.096% 
                SO3=0.357% 

　　煤帶入的=0.53%,折合成SO3=1.325% 

　　3.3.2  黃土配料、混合煤煅燒時(shí)(第二階段)有害成分的計(jì)算

　　根據(jù)所列有害成分的含量和表5各原、燃材料的配比,經(jīng)計(jì)算可知: 

　　生料中:K2O=0.731%             Na2O=0.037% 
                K2O+Na2O=0.768% 
                SO3=0.334% 

　　煤帶入的=1.33%,折合成SO3=3.325% 

　　　硫堿比=3.87  

　　4   普列洛夫型立筒和窯運(yùn)轉(zhuǎn)情況  

　　自1988～1995年7月的第一階段,采用砂頁巖配料,低硫煤(s＜3.0%)煅燒時(shí)，立筒運(yùn)行情況良好，很少發(fā)生因結(jié)皮垮落而堵塞立筒，上升煙道結(jié)皮也較輕，只要每間隔2～3d，停窯清理一次上升煙道結(jié)皮(大約30min)就能保證窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不會引起通風(fēng)不良。在1993～1994年，由于低硫煤資源緊張，且煤質(zhì)差，發(fā)熱量低，為降低生產(chǎn)成本，提高燒成帶熱力強(qiáng)度，我們試著在低硫煤中摻入一定量的高硫煤(在8%～10%)，將發(fā)熱量提到22154kJ/kg煤，在4%～6%，此時(shí)立筒結(jié)皮變化仍然不大，但發(fā)現(xiàn)窯長后結(jié)圈頻繁，影響窯的產(chǎn)量，在第一階段窯的產(chǎn)量平均在12.5t/h，熟料平均標(biāo)號56MPa。為了提高窯的產(chǎn)、質(zhì)量，降低成本，我們于1995年8月，采用易燒性好的黃土代替砂頁巖配料、混合煤煅燒，雖然煤中增至6.37%，硫堿比達(dá)3.85，但立筒運(yùn)行仍然良好，仍只需2～3d打一次窯皮，窯長后結(jié)圈的頻率也明顯減少，臺時(shí)產(chǎn)量達(dá)到14t/h，熟料平均標(biāo)號達(dá)到62MPa。通過近8年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，在燃料中硫和熟料硫堿比已超出捷克要求的條件下，窯仍然能正常運(yùn)行，說明該立筒對原、燃材料中硫、堿的適應(yīng)性，特別是對硫的適應(yīng)性較強(qiáng)。  

　　5  原因分析 

　　引起立筒預(yù)熱器窯結(jié)皮、堵塞的機(jī)理,是堿、氯、硫等物質(zhì)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,隨著溫度的不同,它們本身的物相及物理化學(xué)性質(zhì)亦發(fā)生變化,在高溫地帶,這些物料受熱揮發(fā),隨煙氣帶往窯后煙道、預(yù)熱器系統(tǒng),并凝聚在生料顆粒表面上使生料表面的化學(xué)成分改變,其熔融溫度降低。當(dāng)這些物料處于較高溫度下(如1000℃以上),其表面開始部分熔化,產(chǎn)生液相,生成部分低熔化合物,這些含有部分液相的料粉顆粒,特別是懸浮于煙氣中的這種顆粒借助于慣性力,被甩向邊壁,與溫度較低的設(shè)備或管道內(nèi)壁接觸時(shí),便可能粘結(jié)在器壁上,形成結(jié)皮。如果有害成分含量低,溫度低,出現(xiàn)的液相就少,結(jié)皮的幾率就小,粉料即使部分粘結(jié),也可能因氣流的沖刷而脫落,皮層不易結(jié)厚。反之,堿等有害成分含量多,溫度較高,液相多而粘,則容易使料粉層層粘掛,愈結(jié)愈厚,尤其是預(yù)熱器的拐彎或縮口處,因氣流速度、方向的改變,其中含有液相的料粉因慣性作用,甩向器壁,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力,將使結(jié)皮的傾向增加。一般的結(jié)皮,層狀多孔疏松易碎,但如果在較高溫度下,受熱時(shí)間長,也會變得堅(jiān)硬?？傊?產(chǎn)生結(jié)皮的主要因素是有害成分含量的多少,溫度的高低;結(jié)皮嚴(yán)重點(diǎn)則是氣流拐彎處和變徑處。普列洛夫型立筒,由于其特定的結(jié)構(gòu)形式,有利于防結(jié)皮、防堵,對原、燃材料中有害成分適應(yīng)性強(qiáng)的原因大致有以下幾點(diǎn)。  

　　(1)該立筒預(yù)熱器的上升煙道截面較大(1.4m×1.4m),直筒部分為Φ3.1m的圓柱體,沒有狹窄管道、縮口和急拐彎,降低了料粒與器壁的接觸機(jī)會,有利于防結(jié)皮、防堵。立筒進(jìn)風(fēng)為切線進(jìn)風(fēng),當(dāng)廢氣進(jìn)入立筒旋轉(zhuǎn)一周后,由于與立筒內(nèi)的生料進(jìn)行劇烈的熱交換,溫度降至730℃左右(實(shí)測),附著在生料粒子表面的硫、堿已由熔融態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài),失去粘附力,減少料粒在直筒壁的附著機(jī)會,從而減少了筒壁的結(jié)皮。

　　(2)立筒預(yù)熱器窯原料中的揮發(fā)組分循環(huán)系數(shù)為11～30,而旋風(fēng)預(yù)熱器窯則高達(dá)74～208。因此,立筒預(yù)熱器窯結(jié)皮幾率明顯小于旋風(fēng)預(yù)熱器窯。 

　　(3)從原、燃材料中帶入的硫堿在窯內(nèi)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),一部分以化合物的形式進(jìn)入熟料中被帶出;一部分隨煙氣被帶入低溫區(qū),冷凝吸附,產(chǎn)生結(jié)皮;一部分附著在生料粒子表面,被收集下重新入窯;一部分則隨廢氣排向空中。從圖2中所標(biāo)明的各點(diǎn)廢氣溫度可知,硫、堿的吸附,主要在回轉(zhuǎn)窯、舌頭、立筒上升煙道B點(diǎn)之間進(jìn)行,并產(chǎn)生結(jié)皮,結(jié)皮塌落時(shí),則由上升煙道直接進(jìn)入窯內(nèi),產(chǎn)生循環(huán),從而減輕了因垮結(jié)皮而堵塞下料管的危險(xiǎn)。由于立筒內(nèi)溫度較低,所以立筒部分的結(jié)皮不會嚴(yán)重,經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明,結(jié)皮疏松,塌落時(shí)易碰碎,不會引起下料管堵塞。 

　　(4)第一階段,生料中堿含量高于第二階段生料的堿含量0.328%。第二階段,煤帶入的硫比第一階段多0.8%,而兩階段立筒仍能正常運(yùn)行,結(jié)皮嚴(yán)重程度也差不多。筆者認(rèn)為:上升煙道的結(jié)皮主要是低熔點(diǎn)的K2SO4(880℃),而比K2SO4熔點(diǎn)高近200℃的Na2SO4,則主要在上升煙道的始端、窯尾舌頭等部位形成結(jié)皮,由于兩個(gè)階段的K2O含量基本相同,雖然R2O含量不同,上升煙道的結(jié)皮應(yīng)是相同的,由于R2O含量的不同,窯尾、舌頭等處的結(jié)皮第一階段比第二階段嚴(yán)重,所以原料中的K2O對該立筒的危害性不容忽視,通過對立筒上升煙道結(jié)皮樣分析,也證明了這一論斷,結(jié)皮分析結(jié)果見表6、圖3。  

表6  結(jié)皮取樣點(diǎn)結(jié)皮分析結(jié)果(%)  

圖3  上升煙道結(jié)皮取樣點(diǎn) 

至于燃料中硫?qū)α⑼驳奈：?從表6中可以看出有兩處富集,第一處在上升煙道的拐彎處(D點(diǎn)),由于該處結(jié)皮垮落時(shí),由上升煙道掉入窯內(nèi),不會引起下料管堵塞。第二處在立筒的F點(diǎn),由于該點(diǎn)溫度較低,形成的結(jié)皮疏松、易碎,加上旋轉(zhuǎn)氣流的不斷沖刷,易脫落,掉入立筒錐部,撞上筒壁后被碰碎,不會引起下料管堵塞。硫?qū)ζ樟新宸蛄⑼驳奈：π允禽^輕的,在原料中R2O含量低,特別是K2O含量低時(shí),采用高硫煤煅燒是可行的。

　　(5)該立筒在易形成結(jié)皮的部位,均設(shè)有打結(jié)皮小孔,結(jié)皮清除方便。  

　　6  經(jīng)驗(yàn)總結(jié)  

　　(1)普列洛夫立筒預(yù)熱器由于其特有的結(jié)構(gòu)形式(上升煙道切線進(jìn)入立筒,生料經(jīng)立筒錐部下料管入窯),硫堿的吸附主要在上升煙道,因而對硫、堿的適應(yīng)性特別是硫的適應(yīng)性強(qiáng)。筆者認(rèn)為在生料中R2O含量小于1.0%的情況下,硫、堿比可適當(dāng)放寬。 

　　(2)嚴(yán)格控制出窯廢氣溫度小于1050℃,上升煙道B點(diǎn)溫度小于880℃,確保硫、堿的主要吸附區(qū)不進(jìn)入立筒。要達(dá)到上述條件,從看火操作上要適當(dāng)控制火焰的長度;從工藝上,應(yīng)采取可行的辦法增強(qiáng)回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱,碳酸鹽分解各帶的熱交換和上升煙道的飛灰循環(huán)量,降低出窯廢氣溫度和A、B兩點(diǎn)的溫差,見圖2。 

　　(3)嚴(yán)禁止料煅燒。由于止料,出窯廢氣溫度以及立筒各部位溫度急劇上升,硫、堿內(nèi)循環(huán)向立筒后移,在立筒內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)皮,若突然下料,立筒溫度降低,結(jié)皮熱脹冷縮脫落,而堵塞立筒,若發(fā)現(xiàn)不及時(shí),物料可堵至切線進(jìn)風(fēng)口處,清除堵料的工作量很大。  

　　(4)在原料中堿含量大,特別是Na2O含量大時(shí),窯尾舌頭因硫堿的吸附,而影響下料管出料的正常流動(dòng),嚴(yán)重時(shí),將下料管堵死,引起立筒堵塞,對窯尾舌頭的積料,可采用空氣炮或壓縮空氣,定期進(jìn)行清掃(不需停窯)。  

　　參考文獻(xiàn) 
      1  華中水泥廠.赴捷學(xué)習(xí)技術(shù)總結(jié)(內(nèi)部資料).1987 
      2  陳全德,曹辰等.新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù).北京:中國建筑工業(yè)出版社,1987 
      3　F.凱爾(德),楊德驤譯.水泥生產(chǎn)及性能.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1982 
      4　F.M李(英),唐明述等譯.水泥和混凝土化學(xué).北京:中國建筑工業(yè)出版社,1980