水泥熟料煅烧-03-第三节新型干法窑系统中预烧过程和设备

新型干法窑系统中预烧过程和设备,第三节,悬浮预热器分解炉窑,回转窑,预热器,窑气,生料,预 热 器,分类,悬浮预热器,旋风预热器,立筒预热器,盖波尔型,ZAB型,普列洛夫型,悬浮预热器,在新型干法窑系统中预烧过程包括生料的预热和预分解，分别在悬浮预热器和分解炉中完成。,一、悬浮预热器（SP）和悬浮预热器窑（简称SP窑）,充分利用窑尾排出的废气中大量热能将生料粉预热后入窑，以降低系统热耗，提高熟料产量，是预热的主要任务。最大限度换热、最低的流体阻力、最省时的基建投资和运转可靠是对预热器的基本要求。为此将细小生料粉悬浮在热气流中，进行气固直接换热，将是可供选择的最佳技术思路。,（一）、悬浮式预热器的共性,目前用于生产的预热器型式很多，但基本上可归纳为两大类：立筒式和旋风式，它们都具有如下共性：,（1）稀相气固系统直接悬浮换热,因为干法窑尾废气温度一般在1000上下，气固（粉体）之间换热方式应以对流为主（经测算对流换热点总换热的7090%），因此换热率Q（W）可用一般牛顿方程式，即：,式中：,a气固间换热系数，W/m2；,A气固接触面积，/m2；,T气固之间平均温差，。,结合实际分析：由于受工艺条件的限制，a值与T值允许波动幅度都不大，因此强化气固之间换热速率的最敏感因素是接触面积A。生料粉的比表面积很大（250350 m2/g），其在气流中分散程度不同，使暴露的表面积有极大差异。由此可见气固悬浮换热效果在很大程度上与生料在气流中分散状况有关。,（2）预热过程要求多次串联进行,对于每一级预热器其预热过程，即使换热效率极佳，最终也只能达到气固温度相等的平衡状态。也就是说对给定系统来说，从热力学观点来看，热交换有个极限温度。,根据实验数据估算：,计算得,这种组合方式形成了单体内气固同流而宏观（级间）气固逆流的系统。多级串联组合就决定了每个预热单元（级）必须同时具有气固混合（物料分散）、换热与分离三个功能。,要强化这三个功能所可能采取的措施有：,强化分离：利用离心力、重力惯性力、电力、磁力等或相互组合以强化分离作用。,认识这些规律，是深入理解、掌握和开发各类预热器的基本思路。,（二）、悬浮式预热器类型,悬浮预热器发展很快，种类很多，分类方法不统一。习惯上常用制造厂命名。也有按预热器流动换热特征和组合型式分类。参见P43表2-11。,主要有：,1、洪堡型旋风预热器,特点是：结构简单，旋风筒体积和高度相对比较小；有利用减少投资和便于布置等。曾一度被认为是标准型旋风筒。,旋风预热器分类以及几种典型的旋风预热器,分类：,传统的洪堡型旋风预热器（阻力大）新型的低压损旋风筒（阻力小）,旋风筒改进的几个方面：1）旋风筒入口或出口处增设导向叶片；2）旋风筒筒体结构的改进；3）旋风筒进风口与排气管（内筒）结构的改进；4）旋风筒下料口结构的改进5）旋风筒旋流方式的改进,Tm4=800,Tm1=315,Tm2=495,Tm3=670,C4,C1,C2,C3,Tm2,Tm3,Tm1,Tg1=350,Tm0=70,生料,排风,窑,Tg=1050,2、史密斯型旋风预热器,旋风筒早期结构与洪堡型相近。,其特点是：强调一级筒分离效率高，因此内筒（气体出口管插入旋风部分）较长，直筒高度也较大。而四级筒因为温度高，内筒容易烧坏，所以主张该级不设内筒。,但实践证明内筒插入深度对分离效率和阻力损失影响都明显。后经改进，开发了一种高效低阻新型旋风筒。,特点：进风口截面有矩形改为多边形，通体改为双柱双锥的组 合，柱体直径相对减小，内筒直径加大，插入深度减小 等。试验研究证明：其流速分布比较较合理，气固分离效率较高 (9096)，处理气体量较大，流体阻力较小。,3、KS5型预热器,这是一种由日本川奇公司设计制造的一种预热器。它由五级旋风筒串联而成。其中二、三两级为降低高度和气体阻力而采用卧式旋风筒。,与传统旋风筒相比，其气流沿水平方向旋转以分离物料。卧式旋风筒断面风速较高（10m/s），因而直径可减小。处理气量较同直径立式旋风筒高一倍。,主要特点是：压力损失低，但相应分离效率也比较低，仅80%左右。带两级卧式筒所组成的五级预热器总压降与一般四级预热器相当。据称KS-5可节约热耗4%左右，电耗降低158kJ/t熟料。,特点：结构卧式，压损较低，高度较低，降低预热器系统 的阻力和框架高度。,缺点：气固分离效率较低，适用于作为旋风预热器系统的 中间级,特点：最上一级为高型圆柱型旋风筒；最下一级的旋风筒则采 用较陡的锥角；目的是为提高分离效率。中部各级采 用的是低压损旋风筒，其排气管(内筒)部位采用了导向 板，以便使旋风筒内的大部分循环气流由导向板直接 引入排气管，从而保证在不降低气固分离效率的前提 下，降低旋风筒中的阻力损失。,4、多尔波型预热器,是德国Polysius公司开发的。,其特点是：生料在双系列预热器内进行预热。一般布置是：四个一级，两个二级，一个三级，两个四级。第三级是个涡流立筒，生料由两个二级下料管送入涡流立筒的肩部，与四级排出的气体进行逆流热交换。热生料从涡流立筒的底部排料口送到窑尾上升烟道中，再被分别带入两个四级入口。,发展这种型式的目的是减小单体尺寸，提高分离效率，也是为了适应大型窑的需要。,涡流立筒的设置一方面可以使从两个二级来的热生料的均匀性得到提高，另一方面也有利于防止结皮。因此这种型式的预热器系统应用较广。,随着生产的发展，涡流立于筒又被双进风的旋风筒所代替。,5、米亚格型预热器,德国Buhler-Mlag公司开发的。,其特点是：第四级用一个倒锥形立筒代替旋风筒，由于喷射作用和气流变速延长了生料在这一级的停留时间，同时由于立筒与窑尾联接的过渡管断面积大，有利用防止结皮堵塞。,6、维达克预热器,德国Wedag公司的产品。,其主要特点：,一是窑尾到第四级之间的上升管道做成变径（灯笼形）立管，可防止结皮和强化换热。,二是第三级气流出口处设有一个涡室，第一级来的生料先喂入涡室，以加强混合均化。,这种预热器阻力比较大，但运行比较可靠。早其的5000吨/日熟料的大型窑就是用这种型式。,7、Krupp型与ZAB型立筒预热器,Krupp型立筒预热器又称Gepol型，是由带三个正锥缩口的立筒和一级旋风筒所组成的预热器系统。生料从立筒顶部上升管道喂入，经第一级旋风筒预热分离后送到立筒肩部。立筒用缩口将内部分成若干钵室，作为换热单元。由于缩口的喷射作用，使窑尾上升的废气变速运动，生料在其中上下回流形成悬浮状态，并进行热交换。生料在每一室内的换热以同流为主，但室间形成宏观的物料逆气流而下的运动。被预热以后的生料自立筒底部被送入窑内。,ZAB型与Krupp型基本结构相同，其特殊之处在于缩口设计成彼此偏心，目的是加大扰动，形成较强的涡环，促进气固换热与分离。ZAB型通常是由三个钵室和两级旋风筒所组成。,特点是：立筒结构简单、无任何运动部件，而且还可以不需另建框架，因此投资省；立筒底部生料入窑通道尺寸相对较大，不易产生堵塞现象，因此对生料的适应性较强，即对其中的有害成分如氯、硫、碱的含量限制可适当放宽，同时对原料的塑性也无特殊要求。故适用于中小窑上使用。,但其换热效果一般不如旋风筒好。,8、普列洛夫型立筒预热器,这是捷克开发的，又称捷克立筒，其特点是筒内不设缩口，窑气自筒下部切向进入，螺旋上升，生料从上部加入，回旋气流作用下沿筒壁向下运动，直至入窑。气固之间形成了逆向运动并完成换热。,这种预热器当H/D等于5时，其预热效果可与旋风筒相当。,其优点是：结构简单、操作方便、漏风少，系统压降不超过3.5kPa ,在窑气量产生较大波动时，也不致给操作带来困难。国内使用效果也较好。,（三）、悬浮预热器的工作原理,悬浮预热器的基本流动方式：一是旋转流，二是喷射流。,1、旋风筒式预热器的工作原理,作为预热单元的旋风筒是从旋风分离器延拓而来的，其渊源已有100多年的历史。,（1）旋风筒式预热器与旋风分离器的区别,其工作原理随两相流理论和测试方法的发展，已渐趋深入，但作为预热器的旋风筒尚有其特殊性。,首先，所处理的气体温度和含尘量均很高；,其次，是旋风预热器多半是多级组合使用；,第三，是其功能要求集分散、换热、分离与一身。正因为如此，在沿用旋风分离器理论时要作某些修正。,（2）旋风预热器的工作原理与基本功能,旋风预热器的功能分布如图2-36所示。,旋风预热器功能分析图,旋风筒的入口管道内高速气流使物料分散；分散后气固同流进行热交换；进入旋风筒后继续部分气固换热，但旋风筒本身主要是分离物料，也就是物料在旋风筒中进行分离。这样旋风预热器完成了物料分散、气固换热和气固分离。,工作原理,低温粉体物料均匀分散在高温气流之中，在悬浮状态下进行热交换，使物料得到迅速加热升温。起换热和气固两相分离的双重作用。,据经验计算： 传热系数：1400W/(m2)； 传热面积：29.4 m2/kg,将平均粒径40m左右水泥生料喂入740-760、流速为9-12m/s的气流中，在料气比为0.5-0.8kg/Nm3，在完全分散的条件下，只要0.07-0.09秒，即可将气流和生料的温度温差减少到30-90 。,热流比可达0.908-0.968(热流比是指管道内有效传热量与最佳传热量的比值，当热流比为1时，气固相温度达完全平衡),据研究：,加热时间（s）,不同石灰石颗粒悬浮在气流中的加热时间,100,80,60,40,20,0,0.05,0.1,0.15,管道内的物料分散,生产中的旋风筒，进口风速一般在1622m/s之间，气体流动时Re104，基本属于高度湍流状态。,由加料管自然滑落的物料，在高速气流的冲击下，折转方向，随气流向上运动，与此同时被分散。,粉尘下落点到转向处的距离L（见图），取决于料团的大小和气速的高低。落料团小，气速高，物料容易被分散而折流。,为了防止大块难以分散，在加料管口下部，适当位置上设置撒料装置是有利的。,图2-37 料粉落入管道后运动轨迹示意图,回转窑,预热器,窑气,上长管道中的分散装置,生料,下 料 溜 子,下料管,闪动阀,NC单板阀结构,管道分散装置,B.管道内的气固换热,就实际工况条件分析，可以认为气固运动由逆向变为同向，属于非稳态对流换热。,以此为基本出发点建立的数学模型，适用于单个团粒，可以计算出充分换热所需的时间和距离。（略）,例：经理论计算，对于团粒粒径为100m 的颗粒，在风速为20m/s时，有效换热时间 0.01s，说明气固换热速度是非常迅速。,众多资料已表明，气固之间80%甚至90%的热量是在入口管道内进行传递的。当团粒粒径为100m，换热时间也只需0.020.04s内完成，与前述理论计算基本一致，相应换热距离也仅为0.20.4m。由此可以肯定，气固换热主要在进口管道内瞬间完成，即粉料在转向被加速的起始区域内完成的。,理论与实验还进一步证明，旋风筒本体也具有一定的换热能力，只是因为入口处气固温差已很小，旋风筒没有发挥换热能力的机会，因此在设计时只要考虑其分离效果即可。,C.气固分离,旋风预热器中气流所承载的粉体粒径很细，因此气体流动状态对尘粒的运动起着决定性作用，对所能分离的粉粒数量和大小有很大影响。,研究旋风预热器中气固分离问题，应着眼于气体流动的流型、速度和压力分布等特征，给分析认识分离作用提供依据。,其他因素如尘粒间的碰撞、凝聚、粘附和静电效应均会对分离作用产生影响。,（关于分离效果的相关参数略）。,影响旋风预热器预热效率的因素,因素之一：粉料在管道中的悬浮 保证悬浮效果的几项措施：（1）选择合理的喂料位置： 一般情况下，喂料点距出风管起始端应有大于1m多的距离，此距离还与来料落差、来料均匀程度、内筒插入深度以及管内气体的流速有关。,(2)选择适当的管道风速 一般要求粉料悬浮区内的风速在1025m/s之间，通常要求大于15ms以上气流的冲击悬浮能力，可在悬浮区局部缩小管径，使气体局部加速以增大冲击力。 (3)在喂料口加装撒料装置 -目的是促使物料分散（4）来料均匀性,换热方式已对流换热为主悬浮换热效果取决于生料在气流中的分散程度。用多个旋风换热单元相串联组成旋风预热系统。,因素之二： 气、固相的传热,因素之三：气、固相的分离 气、固相的分离的效果直接影响到换热效率。提高分离效率的措施：（1）开发新型高效、低阻的旋风筒（2）开发新型换热管道（3）开发新型锁风阀（4）开发新型撒料装置,2、立筒（正锥缩口）预热器的工作原理,（1）立筒预热器内气速的分布特征,通过模试验所测定的速度值经无因次处理后，以及二维床层示踪试验的结果均表明：,立筒中气速分布仍然具有喷射流二维正态分布的基本特征。,（2）等速线与功能区,立筒预热器的功能：物料在立筒内同样要完成分散、换热和分离三个功能。,等速线：为了分析方便，将流股中与主流方向（向上）相一致且速度u相等的各点联成线称之为等速线。,功能区的划分：根据等速线的分布可将两个缩口之间的钵室，划分为四个区，如图所示。,图2-45 立筒中射流运动分区示意图,核心区：保持喷射初速不变，是一个缩口截面为底边的圆锥区域。当Re104，此区气体高度湍流，其范围与高度均不再发生变化。,喷柱（射）区：指流向不变，中心风速不断衰减的区域。,涡流区：由于气体微团作剧烈的、无定向的运动与边界处气体进行动量交换的区域。在速度矢量测量中表现流动方向的随机性，经数据处理可以确定出扰动强烈的环形涡流，称涡环。,回流区：即气体产生反向运动的区域，是由涡流作用对周围气体的卷吸作用而形成的。,由于尺寸的限制，稳流区（类似于直管内的流内）在立筒中不存在。,正因为立筒中气体具有受限射流运动的特征，才表现出流动的复杂性。复杂的流场对于微粒的运动与换热起着非常重要的作用。,（3）物料在立筒中运动的物理模型,粉料加入立筒后形成了复杂的两相流动。,粉料以团块的形式自上一室落下，由于重力的作用进入下一缩口的核心区被高速气流所分散。细粉随着气流上升，并被卷吸扰动而入涡流区，在此方向不定的气流中粉料有机会被推向近壁处而产生气固分离。经回流区再沉落到缩口斜坡上。在斜坡上堆积到一定程度，并凝成团块，在重力作用下滑过缩口逆气流而落入下一室。重复以上过程直至入窑。,概括地说，就是图上所表示的，粉料在每一室中经历分散分离堆积滑落等几个过程，是在不同的气流区域中进行的，又分别对于完成立筒预热器的主要功能：分散、换热与分离。,分散：是被高速上升气流冲散而完成的。,换热：是在粉料被分散并被气流喷射作用反向扬起并不断加速的过程中进行的，可以认为是同流加速阶段非稳定的有效换热。,分离：是由于源流推动已经换热的粉料向周边移动而分离，再在重力和回流气体作用下沿壁沉落到缩口斜坡上完成的。由此可以认为涡环的存在是立筒中气固分离的基本原因。,ZAB型立筒预热器工作原理基本类似。只是缩口彼此错开，目的是加大气流扰动，强化分散换热。,3、各级旋风预热器性能的匹配,由于各级旋风筒作为换热单元在系统中所处的位置不同，对其性能的要求也有区别，因此存在着合理匹配的问题。,根据理论分析和适当简化所建立的数学模型，取系统总热效率作为目标函数，通过计算机模拟试验结果，有如下若干观点，与生产实际经验基本一致：,（1）各级分离效率对热效率的影响顺序是：,最下一级分离效率不仅对热效率有明显的影响，而且直接决定回流上一级旋风筒物料量的多少，且在高温下，C4分离效率低容易造成C3的堵塞，影响正常操作。因此从指导思想上力求保持较高的。但实际上由于C4所处环境温度高，流速大，内筒容易变形烧坏等原因，往往又很难提高C4的分离效率，因此是近年来预热器改进的重点研究课题之一。,（2）各级漏风量对热效率的影响顺序是：,计算表明，同样漏入1%冷风，如果从C4漏入对系统热效率的影响要比从C1漏入大得多。这就是说，对于预热器窑中，尽管堵漏是共同任务，但重点应放在高温级预热器的堵漏。,（3）各级表面散热损失对热效率的影响顺序是：,由此可见，对高温级预热器采取隔热保温措施实际效益更好。,凡此均可说明，对于预热器系统各级性能应有合理匹配，以求满足总体最佳的要求。,4、预热器串联的级数,研究表明，气固悬浮换热速率很快，因此每一级预热单元热交换后，出口时实际气固之间的温度差大约是030，而且几乎与入口气固各自温度无关。,根据理论分析与计算还表明：,预热器废气温度随级数n的增加而降低，即回收热效率有所提高。但它们之间不是线性关系，而是随着n值增大、废气温度的降低趋势不断减小。也可以说，级数愈多，平均每级所能回收的热量趋于减少。反过来说物料预热升温曲线趋于平缓。,从理论上来讲，级数愈多，愈趋于可逆过程，能量品位熵的损失愈小，愈合理。,（1）若以单位热耗值最低值为目标函数时：,（2）若以单位产品综合能耗（包括热耗和电耗）为计算的目标函数时：,（3）若以单位产品成本最低为目标函数时：,（4）当预热器系统操作条件欠佳，如物料在气流中分散不好，传热效果差，表现为出口气固温差大（大于30）、表面散热大、漏风系数大等，均将使上述最佳点向级数低的方向偏移。反之如果条件改善，如选用新型低阻高效预热器，则系统可能取更多级（如6级）串联更为经济合理。,（四）悬浮预热器结构参数与技术参数,预热器结构（包括联接管道）尺寸设计和组合以及操作技术参数的选取，直接关系到设备功能的发挥、热回收效果和动力消耗，从而也影响到窑系统的产量和各项指标，因此一直是预热器窑技术改进的重要方面。,1、预热器结构参数的确定,如前所述，作为预热器单体，分散换热主要是在管道内完成，而分离功能则主要是在旋风筒体中完成。,经验表明，旋风筒分离效率与其阻力损失往往又是同步增减的。即分离效率高的旋风筒相应阻力损失大。,顶部旋风筒,旋风预热器的几个重要参数：,阻力（P）,分离效率（）,操作断面风速（Vi）、气流进口风速（V进口）,五级总压降：4800300Pa，分离效率：C192-96%,C2-C487-88%,C588%。断面风速：3.5-5.5m/s。,高径比1.9-2.0,高径比2.8-3.1,单体压损：550650Pa，分离效率：C195%,C2-C486-92。,旋风预热器结构尺寸的确定包括：,（1）旋风筒柱体直径D,柱体直径D是旋风筒设计的定型尺寸，是比较关键的，目前尚无理论计算式，通常按以下两种经验方法来确定：,按旋风筒排气管（内筒）所需要的尺寸d反推算柱体直径D，即按下式求取D：,m,式中：,D旋风筒柱体内径，m；,内筒外径，根据处理气量Q及经验排气风速确定，m；,Q系统单位时间要求处理的含尘气体量，m3/s；,K负荷系数，经验值约为1.21.7（m2/m3/s），通常Q、D值大，K取小值。,式中：,（2）旋风筒进口形状、尺寸和气流进入方式,进口形状,气流入口方式,一般有两类，进口气流外沿与圆柱体相切，称为直入式；进口气流内沿与圆周柱体相切称涡壳式。,涡壳式又有两种，90度相切和180度相切。,旋风筒进口形式与结构,进口风速：15-25m/s。,由于涡壳式进口能使进入旋风筒气流通道变窄，有利于减小颗粒间筒壁移动分离的距离，而且增加了气流通向排气管的距离，避免产生短路，因此可提高分离效率，同时处理风量较大，故常采用。,但阻力比直入式大。,（3）内筒（排气管）尺寸与插入深度,内筒结构多数是圆形管道，其结构尺寸对旋风筒的流体阻力和分离效率影响很大。若设计不当，其下端面附近会产生乱流区，会起二次扬尘的作用或产生入口气流短路。,内筒直径,内筒插入深度,（4）圆柱体高度,柱体的高度关系到生料粉是否有足够的沉降时间。理论认为，可根据粉粒体从旋风筒上部环形空间位移到筒壁的时间和单位时间气流螺旋运动轴向位移大小而定。但这种计算方法干扰因素很多，精度也有限。故一般仍按下式要求计算：,式中：,柱体断面表观速度，m/s。,（5）圆锥体尺寸,锥体的作用是缩小粉尘向壁面运动的距离，同时有效地将帖壁捕获的颗粒向排料口输送，并且提供旋转气体折流向上的空间。合理的形状和尺寸，将有利于气固分离并将折流扬析量减到最小。锥体过长，使设备增大，流体阻力也增加。由于影响因素很多且复杂，其尺寸基本上是根据经验选定。通常锥体高收尘效率也高。,（6）旋风筒联接管道之间的尺寸,这要从两方面考虑，一是从阻力角度看，应选低值；二是从承载、分散和换热能力考虑，宜选高值。为了防止加料团块沉落到下一级破坏系统的正常运行，管道风速应不低于1112m/s为宜。从我国情况来看，一般管道风速在1723m/s。,管道风速选定后，其尺寸即可根据风量计算而得：,式中：,管道内径，m；,Q处理风量，m3/s；,管道所选定风速，m/s。,2、立筒预热器结构参数的确定,立筒预热器的设计，关键是确定立筒直径，缩口直径以及每一换热单元（室）的高度。,目前确定立筒直径基本上还是以经验方法为基础，简单方法如下：,m,式中：,立筒出口断面平均工况气流速度，一般取1.82.5m/s，大窑取高值,（1）立筒内径,（2）立筒高度,式中：,K立筒总的高径比，一般取4.55.5。,（3）缩口直径,可根据立筒断面积计算，一般缩口断面取为立筒断面的1/31/4。即：,例：P60【例2-3】,m。,（五）旋风预热器结皮堵塞与旁路放风,众所周知，旋风预热器窑对生料中有害成分如碱、氯、硫含量很敏感，结皮堵塞成为操作中遇到的难题，在早期甚至成为预热器窑发展的障碍。,1、碱、氯、硫等挥发性有害成分在SP系统中的富集与循环,内循环：,外循环：,显然，只要出预热器的飞灰收集重新使用，外循环就必然存在。其循环的多少与流程及设备有关。,2、结皮堵塞的机制,（1）生料粘结物的物理化学机制,有学者认为含挥发性有害物质的生料是由于湿液薄膜而造成的熔融粘结。其物理过程可能是表面有粘膜再与纤维状或网状物质（如硫酸盐）交织在一起而形成的。,（2）结皮部位,旋风预热器结皮部位主要在窑尾烟室、下料斜坡、烟道缩口，C4锥体和 C3与 C4的下料管中。结皮本身质地疏松，结到一定厚度，往往自行塌落，造成通道堵塞。,C3,C4,至C2,分解炉,上升烟道,缩口,下料,窑,图2-54 结皮的可能部位示意,（3）结皮在工艺和热工上的原因和结皮物组成,实践证明，结皮的工艺和热工原因主要有：,生料组成及其有害成分的熔融温度；,生料成分波动；,喂料不均匀；,火焰组织不当；,预热器局部过热；,燃烧不完全；,窑尾及预热器漏风；,预热器内衬料剥落；,下料锁风阀门不灵等。,归纳之，可以认为结皮的主要原因是生料成分（如硫/碱摩尔比高，挥发物多）、温度、气氛和某些区域的结构形状和物理因素。,生料在窑内挥发出的有害成分愈多，结皮的可能性愈大。,（4）防止结皮堵塞的措施,限制原料中有害物含量，通常控制范围是，生料中：,限制燃料中的S含量小于3%。灰分高或灰分熔点低的煤粉要慎重。,稳定操作，避免窑尾各部位温度波动。,特殊措施：,高压空气定期吹扫或采用空气炮消除粘附物。,窑灰不再使用，排除外循环富集。,旁路放风，排放部分有害物，破坏内循环，缓解富集速度或建立新的平衡。,其中旁路放风技术性较强。,（5）旁路放风技术,旁路放风是在原燃料不符合要求，有害成分在系统内富集严重，直接影响到操作可靠性和熟料质量的情况下，所采取的技术措施。,旁路放风是在窑尾排气烟道上开口引流出一部分带有冷凝有害物的生料和含挥发物的高温烟气，使从系统内循环中排放出去。放风口位置直接影响到放风效果，原则上应设在气流中碱浓度高的地方。,放出的含尘气流要采用掺冷风的办法立即降温到400以下再进行收尘处理。因此旁路放风需要增加基建投资，并提高单位热耗。这些在设计之初就应作充分考虑。,C4,C3,上升烟道,下料溜子,烟室,窑,图2-55 一般放风的位置,放风位置：上升烟道；下料溜子前端；烟室后侧,经验表明：每放出废气量的1%，旋风预热器的单位热耗增加1721kJ/kg熟料以上。如果放风量高达40%，热耗会增加30%，相应预热器内气量会减少26%，使预热器操作发生困难。因此一般旋风预热器窑的放风量不超过25%，通常仅310%。,工厂实际合适的放风量，需根据原、燃料具体情况作出初步估算，再通过实践摸索而确定。,对于预分解窑，因窑头用煤量大为减少，因此窑尾气体中有害成分浓度相对高出一倍左右，因此这种窑旁路放风效果比较显著。甚至可以100%放风而不影响系统运转。这就时NSP窑比SP窑对原料适应性强，可以生产低碱水泥的主要原因。,结皮引起的堵塞在立筒预热器上很少见，因此一般不引起操作上的危害。但硫碱循环仍存在，只是结皮后易自行脱落，不会引起堵塞。,（六）旋风预热器窑的优缺点,优点：,所有各类窑型中，速旋风预热器的窑的熟料热耗最低，且随着窑的能力增大，热耗愈低。,旋风预热器窑的单位容积产量大幅度提高，与干法长窑比，平均提高约1.23倍。,旋风预热器窑没有运动部件，附属设备不多，维护工作量不大。,与同规格窑相比，带预热器窑占地面积相对较小，仅为一般干法窑的1/2。,SP窑单位产量投资费用仅为干法长窑的90%。,正是由于这些优点，使旋风预热器窑的发展十分迅速。,缺点：,流体阻力大，动力消耗高，窑尾排风机电耗高。,建筑框架高，所需投资大。一般框架都在50米以上，大型预热器框架甚大至达80m以上，因此要有很好的地耐力，土建费用高。,生料、燃料中碱、氯、硫含量高时，易结皮堵塞，影响正常运转。故对原料的适应性较。,二、分解炉与预分解窑,（一）预分解窑的基本流程与一般操作参数,预分解窑基本流程见下图。图中粗线框内是分解炉，它处于窑尾与预热器之间，是系统提供二次热源与进行分解反应的区域。,在悬浮预热器与回转窑之间增加一个新热源分解炉，将生料中碳酸钙分解过程提到窑外进行，加快其分解提高其分解率，如要分解率可提高到85%-90%,预分解窑窑尾废气的操作参数大体如下：,窑尾气体温度：10001150；,分解炉出口气体温度：850950；,C4出口气体温度：850900；,C3出口气体温度：710750；,C2出口气体温度：550600；,C1出口气体温度：330390；,入窑生料温度：800860；,入窑生料表观分解率：8595%；,三次风温度：700800；,窑尾负压：0.30.4kPa；,预热器出口气体含尘浓度6080g/Nm3；,预热器出口气体O2含量：2.54.0%；,窑与炉所用燃料比：0.6/0.40.4/0.6。,（二）分解炉的功能与类型,1、主要功能,目前投产使用的分解炉有几十种之多，特具特色。但所具备的功能是共同的，即属于高温气固反应器。,分解炉主要具备：流动、分散、换热、燃烧、分解、传热和输送六大功能 。,分散是前提，换热是基础，燃烧是关键，分解是目的。,2、分类方法,为了完成上述功能，而开发了各具特色的炉型结构。可以从不同的角度加以分类：如根据生产厂家命名与分类，也可以按炉内气固流动的基本特征来分类。,SF、N-SF、C-SF型分解炉,SF,NSF,CSF,（三）各类典型分解炉结构特征简介,1、NSF与CFF炉,如图，NSF系在早期SF分解炉上作了合理改进后而设计的，其特点是：,三次风以强旋流与上升窑气在涡流室混合后形成迭加湍流运动，强化了粉料的分散与混合；,燃料分别由几个喷咀自涡流室顶侧向下倾斜喷入热流中，进行初步燃烧；再随气流一道进反应室，反应室底部是主要燃烧区，由于高效混合防止了不完合燃烧，可使空气过剩系数降低1.52.0%。,生料自C3可分两部分加入，一部分从上升烟道加入，另一部分从反应室锥体部分加入，用以调节气流量的比例，从而不需在烟道上设置缩口，同时减少了这一部分结皮的机遇。,上述特点主要是改善了分解炉系统的气体流动状态和气固之间的混合，在生产中收到了降低炉温（约20）和减少热耗的实际效果。,图13 CFF炉工作示意图,(1)、NSF型和 CSF型NSF型炉：结构：上部：圆柱+圆锥体， 为反应室下部：旋转涡壳涡旋室特点： 气体： 窑气、预热空气经涡旋室混合后 形成喷旋叠加的湍流运动混合， 回旋进入反应室 燃料：通过几个喷煤嘴从漩涡室顶侧向下 斜喷入三次风的空气流中，部分燃料 开始燃烧，边燃烧边进入反应室。生料：分两部分，一部分从反应室锥体部加 入，另一部分从上升烟道中加入。,优点：气固之间的混合得到了改善，燃料燃烧完全，碳酸盐的 分解程度高，热耗低。,CSF型（在NSF上改进）主要改进：1）在分解炉上部设置了一个涡流室， 使炉气呈螺旋形出炉。2）将分解炉与预热器之间的联接管道延长-相当于增加了分解炉的容积)，其效果是延长了生料在分解炉内的停留时间，使得碳酸盐的分解程度更高，更重要的是有利于使用燃烧速度较慢的一些燃料。,DD炉,2、D-D炉,D-D炉的开发目的是降低能耗，优化燃料比，降低排放量，同时节省工厂投资和操作费用。,其主要特点是：,（1）D-D炉直接装在窑尾烟室上，无中间联接管道。窑气喷射入窑（3040m/s）入炉与径向（或略偏）送入的三次风形成交叉流动（或略有旋转流动），压损小；,（2）精心布置煤粉喷嘴，合理控制气氛，既降低生成，又保证燃料完合燃烧。,D-D炉可分四个区作业。,D-D炉：结构：上部：圆柱体 中部：圆柱体 下部：倒锥体 两个圆柱体之间设有缩口，形成二次喷腾。强化气流与生料间混合气体：三次风径向而入，窑气喷腾进入燃料：分两部分，90%的燃料在三次风处进入，与空气充分 燃烧。10%的在下部倒锥体进入。燃料燃烧处于还原态生料：生料在中部圆柱体进入，处于悬浮态,根据工艺性能分四个区段：第一区：为脱NOx的还原区，位于 D-D分解炉底部倒锥体部分；第二区：为生料分解及燃料燃烧区，位于D-D分解炉中部圆筒中线之下部位；第三区：为主燃烧区，位于D-D分解炉圆筒部分中线之上第四区：为完全燃烧区，位于上部 圆柱体内,3、N-KSV分解炉结构：上部：圆柱体 中部：圆柱体 下部：倒锥体 两个圆柱体之间设有缩口，形成二次喷腾。强化气流与生料间混合气体：三次风切向旋转而入，窑气喷腾进入。燃料：分两部分，主喷嘴在三次风管上方，与空气充分 燃烧，辅助喷嘴在下部倒锥体进入。燃料燃烧处 于还原态生料：分两部分一部分从三次风管上部喂入，一部分则从中部圆柱体喂入。,根据工艺性能分四个部分：喷腾床、旋流室、辅助喷腾床、混合室,RSP,4、RSP分解炉,RSP型炉： 结构：左部：混合室（MC室） 右部：上部旋风预燃室(SB炉) 下部涡旋分解室(SC炉) 特点： 燃料：在旋风预燃室喷入，与热空气直接接触而燃烧， 燃烧效果好。 生料：从SC室喂入，被三次风分散。 气体： 窑气经上升管道喷腾进入，热空气从SC炉的内侧 以切线方向送入，两股气流一起进入混合室。优点：对燃料适应性强缺点：结构比较复杂，系统通风调节比较困难，流动阻力损失 大。,改进型RSP型炉：,FLS (FLSmidth)型,5、FLS分解炉,SLC分解炉结构：上部：缩口 中部： 圆柱体 下部：圆锥体特点燃料：喷嘴布置在喷腾处，与喷腾 而入的空气充分燃烧，燃烧 效果好。生料：生料分两次加入，分散效果好气体：三次风喷腾而入，无窑气进 入。,SLC-S分解炉,SLC-D分解炉,MFC型,该炉分四个区： (1)流化层区 (2)供气区 (3)稀薄流化区 (4)悬浮区,6、N-MFC分解炉,N-MFC型炉：结构：上部：圆柱体 下部：倒锥体气体：三次风切向而入，流化空气入炉窑气喷腾进入。燃料：从倒锥体下部进入，与流化空气 直接接触。生料：从倒锥体上部进入,根据工艺性能分四个区：流化区、供气区（涡流区）、稀薄流化区、悬浮区,TJ院开发的系统分解炉,7、国内开发的分解炉炉型,南京院开发的NCSST型炉(或NST炉),成都院开发的CDC型炉,“综合效应”的发展主要体现在以下几个方面：适当扩大分解炉的容积，延长分解炉的出口管道形成“炉体+管道的结构，延长其留在分解炉内的停留时间改进分解炉的结构，使炉内具有合理的三位流场，力求提高炉内气、固滞留时间比(s/g)，延长生料在分解炉内的滞留时间。保证生料向分解炉内均匀喂料，尽快使生料分散且均匀分布。改进和保证分解炉用燃料燃烧器的形式与结构，以及合理的布置燃烧器，使燃料尽快点燃和燃烧，并能踢高燃料的燃尽率。合理匹配下料、下煤点及三次风管，保证分解炉内有合理的温度场，以利于燃料的着火、燃烧和碳酸钙的分解。分解炉优化布置在预分解窑系统的流程中扩大分解炉用煤的品种。,分解炉,(1)单位容积产量高，例如：秩父一厂立波尔窑改为SF窑后产量约提高一倍。 (2)相同生产能力下，窑的规格减小，因而占地少，设备制造、安装容易，基建投资相对较低。 (3)有利于生产大型化，目前，单价生产能力可达12000t/d以上。,(4)由于烧成带热负荷减轻，窑衬寿命延长。,(5)有利于旧窑改造。,(6)有利于利用低质燃料。 (7)减轻了大气污染，因分解炉为低温燃烧，故NOx降低，SF窑比SP窑NOx低1/3-1/5，排放量为1/10000左右。 (8)对含碱、氯、硫较高的原燃料的适应能力比悬浮预热窑强，放风效率高。,分解炉窑优点：,（四）分解炉的工作原理,1、物料在气流中的分散,粉料被充分分散和均布是分解炉有效工作的前提。,（1）分散的原理,目前采取的有效措施是，以流体力学方法为主，利用：,流化效应（气固均布、接触时间长，且可以控制）；,湍流效应（一般为高速气固同流形成稀相输送）等，来达到分散的目的。,（2）流型对分解炉功能的影响,合理流型对分解炉功能发挥有着明显的影响：,单纯旋流：虽然能增加物料在炉内的停留时时，但旋流强度过大易造成粉料贴壁运动，对均匀不利。,单纯喷腾：有利分散和纵向均布，但会造成疏密两区，同时会引起部分物料短路。,单纯流态化：由于气固参数相一致，降降低传递和反应的推动力，若要反应程度高，对炉温要求相应较高，且阻力损失过大。,简单的湍流：设备高度过高。,因此，实践结果表明，原来不同类型和结构的分解炉有目趋接近的倾向，即采用：喷（腾）旋（流）或湍（流）旋（流）迭加的流动方式，效果更好。,但仍需深入研究不同流型的最佳配合和适宜的加料混合方式以谋求理想的综合效果。,2、燃料的燃烧,如前所述，燃烧过程是分解的基础，已经证明燃烧反应的速度比分解反应速度慢，因此是控制因素。,（1）影响燃烧反应速率的因素,首先，与温度呈指数的变化关系；,其次，受环境中氧气和二氧化碳分压的影响，因此气流合理流动非常重要；,再是燃料燃烬的程度与燃料的粒度、燃料的组成、燃料活性、炉子结构、燃料加入方式、燃料在炉内停留的时等均有直接关系。,对于上述因素，目前还难以作定量的计算，尚需根据模拟分解炉进行反应动力学对比试验或根据经验估计。,（2）燃料在分解炉中的燃烧特点,燃料在分解炉中燃烧与在其他炉中燃烧有所不同：,在分解炉中燃烧放出的热量，瞬间被生料所吸收，因此不形成火焰。,也因生料吸热快，炉温受热平衡制约。,充分分散、均布的气固相，在完全分解前，理论上应停留在分解温度位上，但由于分解炉加燃料量不同且实际分散均布不充分的情况存在，炉温也可出现局部高温。这种局部高温不宜出现在炉壁附近，因此在实际生产中应注意操作。,（3）分解炉用燃料量,分解炉用燃料量对于窑系统的增产直接相关，但在生产中应综合考虑，不应出现不完全燃烧，也不宜使分解炉热负荷枪实弹过大。,目前炉用燃料量占总用量的3560%范围内。,前述各种分解炉均可烧煤、油、气。有的分解炉还可烧粗粒煤或块状工业废料（如轮胎等），但在炉子设计上均要作充分考虑。,目前仍以烧煤为主。,3、碳酸钙分解反应,分解反应属于典型的气固相反应，服从气固相反应的规律。因此，在给定的条件下，要达到一定分解率所需时间必须保证，这也是分解炉设计的原则之一。,实践表明：分解炉内所能达到的分解率，关键在于炉温和气体流型。,炉温低，要达到同样分解率，必须明显地延长物料在炉内的时间（改变流型或增大炉子容积）或采取大于100%循环量的再循环流程来给以补偿。,（五）预分解窑系统的流程组合,随着生产的发展，除了出现了多种多样的结构不同的分解炉和预热器外，同时还出现了许多不同预分解窑的流程组合系统。,这些组合都是为了某些给定的目标或适用某些厂的特殊要求面开发的。归纳其特点，主要有两类组合。,1、气体流动流程的不同组合,预分解窑三种基本气流流动组合方式,(a):特点：分解炉所需助燃空气全部由窑内通过，无三次风管。 优点是可节省投资、操作简便、冷却机选型不受限制。 缺点是过多的空气通过窑内，影响窑的操作。 (b): 目前常用形式特点：分解炉所需助燃空气由三次风管提供，并在炉内与窑气混合。(c):特点：分解炉所需助燃空气由三次风管提供，窑气不入炉。 优点是保证炉内燃料在纯空气中燃烧。,分解炉与窑的连接方式,同线型,分解炉直接坐落在窑尾烟室之上，称为同线型分解炉。这种炉型实际是上升烟道的改良和扩展。它具有布置简单的优点，窑气经窑尾烟室直接进入分解炉，由于炉内气流量大，O2含量低，要求分解炉具有较大的炉容或较大的K值（固气滞留时间比）。这种炉型布置简单、整齐、紧凑，出炉气体直接进入最下级旋风筒，因此它们可布置在同一平台，有利于降低建筑物高度。同时，采用“鹅颈”管结构增大炉区容积，亦有利于布置，不增加建筑物高度。,离线型,分解炉自成体系，称为离线型炉。采用这种方式时，窑尾设有两列预热器，一列通过窑气，一列通过炉气，窑系列物料流至最下级旋风筒后再进入分解炉，同炉系列物料一起在炉内加热分解后，经炉系列最下级旋风筒分离后进人窑内。同时，离线型窑一般设有两台主排风机，一台专门抽吸窑气，一台抽吸炉气，生产中两列工况可以单独调节。,半离线型,分解炉设于窑的一侧，称半离线型炉。这种布置方式中，分解炉内燃料在纯三次风中燃烧，炉气出炉后可以在窑尾上升烟道下部与窑气会合(如RSP、MFC等)，亦可在上升烟道上部与窑气会合(如N-MFC、SLCS等)，然后进入最下级旋风筒。这种方式工艺布置比较复杂，厂房较大，生产管理及操作亦较为复杂。其优点在于燃料燃烧环境较好，在采用“两步到位”模式时，有利于利用窑气热量和防止粘结堵塞。,(c1)：窑气在分解炉后与出分解炉的炉气混合，再入预热器系统。(c2)：窑气不与出分解炉的炉气混合，各自经过一个单独的预热 器系统(c3): 窑气从窑尾排出，可余热利用或旁路防风,半同线型,异线型,旁路放风型,2、生料流程的不同组合,生料再循环流程FR5,将几倍于产量的生料粉循环送回到分解炉中，这就使粉料有机会多次通过分解炉，从而大大延长物料在高温气流中停留的总时间，提高生料的分解率。,生料连续通过两个系列的预热器PASEC组合,这种组合方式的特点是让生料粉在两个平行的预热器系列中，交叉连续通过，而气体只通过其中的一个系列因而使气固接触机会比通常情况下增加一倍，相应各预热器中生料粉浓度也提高一倍，从而大大强化了换热效果。,（六）分析评议分解炉特征的要点,1、气体流动与气量平衡的方式,分解炉实质上是气固悬浮态高温反应器，气体流动类型与气量平衡关系，直接关系到反应换热器的最终效果，包括窑气和三次风入炉方法、流型、数量、温度以及气量平衡的控制手段等均是分析评议分解炉特性的重要因素。,2、炉内燃料燃烧的条件,燃烧供热是分解反应的前提，因此燃烧条件的保证十分重要，包括燃料用量、质量、特性及其波动情况、燃烧温度、空气供方式，O2和 CO2含量、燃料的分散情况、燃料在炉内平均停留的时间等都直接影响燃料的燃烬和分解反应的完成度。,3、加料点与加煤点的位置,对于一定的炉型，选定合理的加料点和加煤点及其方式，既关系到气固分散与均布，又影响到炉温的分布和生料、燃料反应的完全程度，也涉及到操作稳定可靠和NOx的排放。,4、粉料与气体在炉内的停留时间比,5、分解炉内的温度,炉温对燃烧和分解反应至关重要的。,一般来说，希望分解炉内有个均匀的温度场，不要出现局部过热现象，影响到操作的稳定性和可靠性。但从实际情况看，炉内仍不可避免的存在温差，且在某种情况下，这种温差的存在对强化反应还是有利的，只是希望近炉壁处的温度尽量不要过高。因此，分解炉内应该有个合理而稳定的温度场，并且要求有灵活调节控制的手段，以满足给定的生产要求。,（七）窑外分解窑优缺点的评述,单机生产能力增大近一倍；以窑单位容积产量比较：,SP窑：,=70105（kg/m3h）,NSP窑：,=130206（kg/m3h）,窑衬砖寿命可以延长到4倍，达20000h。火砖消耗减少1/21/3。,NSP窑运转率比SP窑提高约10%。大型NSP窑运转周期约8590天，SP窑则为75天左右。,NOx生成量少50%，NSP窑平均值仅140160ppm。,可选用低质燃料或低价废物（如轮胎）作燃料。,生产规模大，经济效益好，设备投资、基建投资可降低10%。,可节省约5%燃料（约相当于4284kJ/kg熟料）。,自动化程度高，操作稳定，事矿相对少，结皮堵塞出现次数少。,窑尾废气中有害成分富集浓度大，放风效果好，因此对原料的适应性相对比较强。,但与传统水泥窑相比，NSP窑也存在电耗高，窑尾系统框架高，投资大，原料要求高，耐火砖质量要求高等缺点。,三、新型干法窑的调节与控制的内容与原则,新型干法窑重点监控的主要参数：,1、烧成带物料温度,目前多数使用比色高温计测量烧成带物料的温度来表征烧成带温度，显然这只能作为综合判断的参考。,2、氧化氮NOx浓度,燃烧过程中NOx的生成量除与燃料中含N2量多少有关外，在扣作中主要还与过剩空气系数和燃烧温度有密切关系。当气流中O2含量高、燃烧温度高、烟气中NOx生成量就多。,窑系统中测量NOx ，一方面是为了控制其含量，以保护环境。更重要的是，在生产条件下，燃料种类（即煤中氮含量），过剩空气系数大致固定的情