回转床煅烧的工艺过程及控制特点.doc

回转床煅烧的工艺过程及控制特点陈礼宁THE PROCESS AND CONTROLLING OF ROTARY HEARTH CALCINER DURING CALCINING PROCESS CHEN Lining （ Shenyang Aluminium Magnesium Engineering Research Institute ,Shenyang 110001） 1前言在国际上，回转床广泛用于焦炭的煅烧，特别是普通焦炭的煅烧。锦州石化公司在1994年从美国SALEM公司引进了中国第一台17.5m的回转床，并成功地进行了安装和投产，生产出了合格的普通煅烧焦和煅烧针状焦，回转床的产能是21.0t/h（普焦进料量），13.0t/h（针焦进料量）。以下对回转床的结构、工艺过程和控制运行机理做一介绍和评述。2回转床煅烧的工艺过程2.1回转床简介回转床煅烧炉是由旋转炉床和床上面固定的炉顶组成（参见图1），在炉顶和炉床之间由一水槽密封，这样可以使煅烧炉在微负压条件下操作。生焦通过可以调节高度且穿过炉顶的供料溜槽进入煅烧炉内，并在炉床上停留一段时间。给料槽位于炉子的边缘。炉床上的焦炭被悬挂在炉顶的一组输送耙子从炉床外部扒进炉床的中心。在这一过程中，另外两组混合耙子不断翻拨焦炭，使其受热均匀（焦炭是以不断减小的同心圆形式移动的），由最后一个耙子把焦炭扒进旋转炉床的均热室。焦炭在均热室内停留大约20min，然后被排出到焦冷器。图1回转床煅烧炉示意图焦炭被加热时释放出挥发分，挥发分中的绝大部分是可以燃烧的。大量的挥发分在炉床和炉顶之间的炉膛内燃烧。经过预热的过程空气通过专设的边门进入炉膛，或者通过炉子周围安装的烧嘴进入炉膛内。过程空气起到助燃和平衡炉膛内氧含量的作用。在一些生产过程中，挥发分在燃烧时可以提供足够的热量，如煅烧某些普焦；另有一些生产过程，挥发分燃烧不能提供足够的热量，需要使用烧嘴，如煅烧针状焦。挥发分、少量焦粉离开加热室，通过炉顶的竖直烟道、水平烟道进入废热回收系统，而残留的挥发分和大部分带入的焦粉在竖直烟道和水平烟道中被烧掉。水平烟道上有过程空气补充口，这就使它起到了后燃烧室的作用。废烟气直接进入废热回收系统，废热回收系统把废烟气中有用的热量用来加热蒸汽和预热过程空气。废烟气通过废热回收系统时，温度由最高的1550降至200左右。在废热回收系统中的排风机把废烟气抽出废热回收系统，废烟气通过除尘器除尘，除尘后的烟气通过烟囱排入大气。2.2针状焦煅烧过程煅烧针状焦的温度比煅烧普焦的温度高，由于生针状焦中挥发分含量较低，需要用辅助燃料和高温度的预热空气才能达到较高的煅烧温度。辅助燃料使用量取决于以下几个方面：1）达到要求产品产率和真密度的炉床温度；2）生焦中水分和挥发分的含量；3）预热过程空气的温度；4）固定碳的烧损量；5）煅烧过程中的热量损失。生产针状焦时，加热室最好是在化学当量空气条件下操作，这样可以使燃料的需要量减少。在竖直烟道或水平烟道中混入稀释空气是用来燃烧炭粉并提供过剩氧的。由于稀释空气吸收的热量比燃烧炭粉释放出来的热量多，所以废烟气的温度要比加热室的温度低。使用预热后的稀释空气可以防止烟气温度降低。为防止空气预热器内的管子超温，可以增加空气预热器中空气的流量。由于煅烧针焦的产率较煅烧普焦的产率低，所以炉内空气和烟气量较少，可燃挥发分在炉内燃烧比较彻底。针状焦的强度和粒度取决于从环境温度升温至大约750的升温速率。如果升温速率过快，煅烧焦的冷强度差，并产生过量的焦粉。因此把煅烧炉分成两个区：外预热区和内煅烧区。外预热区有3个温度控制区，用来保持外区处于低温分布，从而使焦炭缓慢升温至750，焦炭被送出预热区。当温度已达到750时，焦炭要尽快升温。焦炭经过“鼻子”（炉子结构中象鼻子的部分）下面，进入煅烧区，焦炭被快速升温至1450。2.3普通焦煅烧过程由于普焦挥发分含量高，从理论上讲不需要燃料就可以维持煅烧炉的温度。为了获得所需的温度曲线才使用边门和烧嘴的过程空气。在加热室中普通焦总是在亚化学当量情况下处理的。上升烟气携带的未燃烧挥发分导致废热烟道的温度高于加热室。可以用补充的稀释空气燃烧焦粉并且提供过量的空气来降低烟气的温度。最初进料的挥发分含量和烟道中稀释空气的用量决定了进入废热锅炉的烟气温度。炉床的转速可在520r/h范围内调节。给料槽要比耙子底部高50300mm。经验表明，原料焦粒度尺寸将大大影响炉子的生产能力。粗的进料导致高的产率，细的进料将降低产率。把进料的粒度变化维持在最小，才能保证均匀的产量。生焦的贮仓（回收设备）能使进料粒度变化最小，如果使用较高的脱水料仓，将会使焦粒发生偏析，对煅烧炉操作是不利的。2.4产量对于正常煅烧炉来讲，干基进料产量可由以下公式计算得到：Q=qd1（Vm0.005）（1Cn）式中Q产量，kg；qd干基进料量，kg；Vm挥发分质量分数，；Cn固定碳损失质量分数，；公式中的0.5为挥发分测定值的修正值。3回转床煅烧的控制和特点3.1过程空气的控制过程空气是所有进入煅烧炉直到废热回收系统的空气，几乎所有过程空气都由鼓风机提供，通过边门、烧嘴、后燃烧室空气入口、稀释空气入口进入炉内的。因为煅烧炉是在负压条件下操作的，还有一些过程空气是渗入炉内的。在煅烧炉中过程空气主要有以下4个作用：通过边门的空气将与从生焦释放出的可燃烧的挥发分燃烧；通过烧嘴的空气将与燃料气燃烧；进入烟道的空气将焚烧过量的挥发分和焦粉;进入烟道的空气将降低从煅烧过程排入废热回收部分烟气的温度，过程空气通过安装在烟道上的同流式换热器与废热烟气换热。1）烧嘴空气烧嘴空气用来燃烧外加燃料，也可以用来增加边门空气。当操作条件变换时要使用燃气，如当进料湿度过大、预热煅烧室或处理针状焦时。回转床共有17个烧嘴，每个都有一个控制阀和一个单独的电动执行机构。DCS系统可直接显示调节执行机构的位置。烧嘴共被分成4个区进行控制。2）边门空气对于煅烧普焦和挥发分含量异常的针焦，煅烧过程的主要热源是由原料中释放的挥发分的燃烧来提供的。煅烧炉温度的分配与煅烧工艺的最佳状态相符，可以通过调节内外区墙上的边门空气手阀来控制挥发分的定量燃烧。3）后燃空气稀释空气一个单向控制阀控制所有去烟道的过程空气，阀位是由与阀耦接的一个电动执行器来调节的。执行器由一个双向直流电机驱动（执行器的位置输出由一根滑线来传送），它的内部由过扭矩限定开关、行程末端限位开关和一个电机恒温开关控制。DCS能够控制执行器的位置，后燃稀释空气控制阀的最佳位置是基于以下2个计算得到的：a）一个氧分析仪对后燃稀释空气入口下游的废气进行采样分析，在废气中应保持微量的过剩氧气（大约1），以保证所有的过剩燃料被烧尽。废气中的分析结果传送到DCS上，废气的最佳氧含量将在DCS中设定。b）要考虑的是进入废热回收系统的废气温度。由一个热电偶来传送废气温度，如果温度超过了回收设备或耐火材料的安全温度，废气将被进入到烟气的过程空气冷却。3.2温度控制系统3.2.1煅烧炉加热时的热量来源和热量需求煅烧炉内的热量来源如下：a）燃烧释放出的可燃挥发分提供的热量；b）燃烧固定碳提供的热量；c）在需要时使用辅助燃料提供的热量；d）使用预热空气燃烧燃料、可燃性挥发分、固定碳提供的热量。煅烧炉加热时的热量需求如下：a）煅烧焦炭需要的热量；b）提供废烟气显热需要的热量；c）蒸发生焦中水分所需要的热量；d）提供通过耙子和炉膛保温层向外散失的热量；e）析出焦炭中可燃挥发分需要的热量。3.2.2温度控制系统总括煅烧炉上安装了17个燃气烧嘴，每个烧嘴都配置了一个靠火花点燃的自吸式高压燃气点火器。在每个烧嘴与点火器之间都安装了一个紫外线探测器（UV），以监测烧嘴燃烧情况。所有的烧嘴分成4个区控制：3个区环绕着煅烧炉的主燃室周边，共计有11个烧嘴；一个单独的区环绕着煅烧炉顶部的周边上，共计有6个烧嘴。调节每个烧嘴的空气和燃气流量可以改变烧嘴所提供的热量。每个区的总燃气由一个单独的控制阀来调节，燃气流量由一个单独的测量变换器测量，该流量信号被送到一个电子控制器。每个烧嘴的空气调节都有单独的控制阀来完成。每个区的一个烧嘴的空气流量是由一个测量变换器来测量的，并且该流量信号经过变换送到电子控制器。每个烧嘴的引燃器上都安装了一个电磁阀用来关闭燃气。在两个引燃气集合管上安装了电磁阀，一个围绕在主燃室周围边，另一个环绕在顶部区域。通过手动设定阀（MRV）来控制每个集管上燃气的关闭。MRV阀前是一燃气压力调节器，调节器和供气系统的正常操作是由一个高、低气压开关来监控的。在DCS控制系统中可完成炉膛吹扫，炉膛温度测量、烧嘴点火程序的控制。燃气截止阀对燃气与可燃空气和对炉膛超温仪表的联锁提供硬件控制。在环绕主燃室的平台上安装了一个烧嘴控制盘，盘面上指示点火程序每步的状态和所有燃气截止阀的状态。区的温度控制是采取变换空气和燃气流量来达到的。在回转床升温和使用外加燃料时，温度控制将提供超前滞后处理系统。当该区需增加燃烧速率时，温度控制器的输出使该系统的空气超前。对于该空气超前系统，空气阀则开到所需要的位置，然后燃气阀打开至与空气燃气合适比率的位置。当该区需要减小燃烧速率时，温度控制器的输出使该系统的燃气超前。对于燃气超前系统，燃气阀则关至所需要的位置，然后空气阀关至与空气燃气合适比率的位置。该种控制确保了烧嘴总是处于空气过量燃烧状态。操作者可以在HoneywellDCS的温度控制屏上选择“燃料使用”的焦处理状态来选择该控制模式。3.2.3区域温度测量煅烧炉内的温度是由一些安装在炉顶和边墙上的热电偶来测量的。该热电偶通过冷端补偿直接入DCS系统，在DCS控制台上将显示出煅烧炉的温度趋势。每区的温度是由两种“S”型热电偶测量的。每个热电偶电动势信号在DCS中转换成温度。可以从HoneywellDCS屏上选择你所需要的已经使用或备用的热电偶。3.2.4区域空气流量控制器单个烧嘴空气的流量是由孔板测量的，此孔板根据空气流量和空气温度产生一个压差，变送器将压差转换成电信号送给HoneywellDCS。另外空气温度由热电偶感测到，此热电偶也将信号输入到HoneywellDCS。真实空气温度除以孔板设计温度，并且乘以孔板压差，此值的平方根是真实空气流速，它对空气流量控制器形成一个过程变量。控制器将真实流量与所需要空气流量设定值相比较，形成一个偏差。基于偏差的信号与大小，控制器的输出改变每个烧嘴的空气流量的阀位。3.2.5区域燃料流量控制器区域燃料流量是由一个孔板测量，此孔板根据燃料流量产生一个压差，燃料气温度相当稳定，可不必考虑。变送器将压差转换成电信号送给HoneywellDCS，获得的真实燃料气流量是孔板压差值的平方根，它对于燃料流量控制器形成一个过程变量。控制器将真实燃料流量与所需燃料气流量设定值相比较，形成一个偏差。基于偏差的信号与大小，控制器的输出改变区燃料气流量阀的阀位。3.2.6空气流量控制该处所指的空气流量控制是指当处理普通焦或不需外加燃料时所提供的功能。当选择该控制时，该区的燃气流量必须关闭。温度控制器的输出是空气流量控制器的设定值。当空气流量增加时，该区更多的挥发分燃烧使该区的温度增加。为降低该区温度，使温度控制器的输出降低，也就是降低空气控制器的设定值，关小烧嘴空气控制阀，也就减少了挥发分在该区的燃烧。操作者可以在HoneywellDCS的控制屏上选择“燃料未用”的处理状态来选择该控制模式。3.3煅烧炉压力气氛的控制使燃烧炉加热室内的压力与外界压力基本相同，炉压低造成空气渗入，而过高又会造成废气从开口或裂纹中泄漏。根据经验在炉外区上部形成微负压可抵挡周围大气的渗入，这主要与在顶部帽区的位置压力有关的热的加热气体的浮力有关。在煅烧炉顶部帽区有一个空气开关，由压力变送器向DCS传送加热室的压力指示。煅烧炉安装一台废气风机，该风机可控制由废热回收系统（过程空气换热器、蒸汽过热器、锅炉）的废气流和任何环境控制系统所产生的压力降。废气风机入口装有烟道挡板，调节挡板的位置可增大或减小废气风机风量。挡板上连有一个电动执行器，执行器的位置可以通过从煅烧炉压力变送器传来的信号来调节。煅烧炉压力可保持在任何预选位置。3.4炉床及卸料台的驱动控制煅烧炉床是由两台径向安装在炉床下面的轮组驱动的。每套驱动轮组含一个交流感应电机，它通过一个扭矩限定联轴节连到一个直齿减速机器上，减速器的输出端通过一个液压轴连接到驱动器小齿轮上，这个小齿轮与一个环形齿条啮合，齿条安装到炉底部的支撑钢上，2台电机，由一个单向变频电机驱动。这个传送系统使炉床运转进行无级调节。当炉床速度下降到预定最低值时，由一个单级监视开关提供指示，这个开关是通过一个小齿轮啮合在炉床底部的支撑钢的齿条上而连接到炉床上的。卸料台是由一个单向驱动装置驱动的，一个单向交流电机通过扭矩限定离合器连接到一个直齿轮箱上。减速器的传动轴安装有一个小齿轮，与卸料台外部支撑上的环形齿轮啮合。电机是靠变频电机使卸料台达到无级变速状态。当卸料台速度下降到预定的最小值时，用速度监视开关去测定。这个开关由与卸料台环形齿轮组啮合的副啮轮连接到卸料台上。对于煅烧炉床和卸料台，这个变频交流电机的驱动是基于数字化的，只是在电源提供部件上有些不同。两套设备的操作面板都是相同的，可通过软件的驱动进行任意组合；卸料台将在一个波动向量下驱动，以提供一个好的开路速度控制，并且提供一个在零速时的高扭矩。对于炉床的驱动，由于是多级电机，可作为一个VHZ特性可变电压驱动操作。炉床和卸料台的操作速度是在DCS控制盘上的选择的。电机驱动监视它们自身的输出，对电机波动进行补偿，并且向DCS传送炉床和卸料台的实际速度。3.5煅烧炉水冷系统的控制煅烧炉水系统是一个带有单独水场的露天系统，水由泵从水场中抽出，经炉上的水冷部件，然后返回水塔，通过通风和蒸发，最后回到塔下冷水场中。两台水泵（其中一台运转，另一台备用）给一根去煅烧炉的水管供水，哪一个为主要运转泵由DCS系统选择。煅烧炉供水管上的流量开关控制流量，如果流量降低备用泵会自动起动。冷却水冷却循环回路有42个，即29个耙子、内区4处鼻梁、3处卸料台挡板、焦槽、刮板、卸料盒、卸料台轴、卸料耙