预分解窑（共7篇）
预分解窑 篇1
目前大多数窑衬的使用寿命证明, 有相当一部分人持有的习惯认识与操作并不适用于预分解窑, 尽管影响窑砖使用周期长短的因素很多, 但大多与挂窑皮方法不当有关。本文对此进行探讨。
1 新窑砖如何挂牢窑皮
窑皮是分解后的生料经过高温煅烧后粘黏在耐火砖上的熟料。但由于裸砖时的窑内温度不能过高, 只是让砖表面略有液相即可, 否则会更严重伤害衬砖, 因此, 窑皮的烧结程度要低于正常熟料。然而, 正是因为窑皮的存在, 保护了耐火砖不再继续受火焰及后来物料的侵蚀, 为正常煅烧所需高温创造了条件, 因而备受操作者的爱护和关注。这个过程的操作要点是:第一, 投料挂窑皮的料量不能过大, 一般为正常料量的1/3;第二, 挂窑皮是以砖与生料同时具有适当高的温度为前提, 这个温度足以让生料与衬砖形成部分液相间的结合而黏结;第三, 全窑的砖温不会一致, 只有烧成带的砖表面温度最高才对, 窑皮只有挂在此位置才正确, 否则的话会为后来的操作带来诸多困难。对于预分解窑, 为防生料下冲到窑内, 投料前必须拉大排风, 此时, 窑内高温段会随风迅速后移, 生料便挂在烧成带以后的位置, 甚至接近窑尾, 这正是很多窑的窑皮拉得很远的原因。因此, 能控制全窑的砖表面最高温度始终准确在烧成带, 而且同时满足前两条要求, 就要求有较高的操作水平。
预分解窑与传统窑不同:一是进窑的生料已经分解 (离线炉另当别论) , 窑内所需要的热量已经减少一半以上, 而且挂窑皮的生料成分可以与正常煅烧一致, 没有必要、也不可能配制专为挂窑皮的特殊生料。二是窑速应该提高到3r/min以上, 只有这样, 才能使窑的一周挂上等厚均匀的窑皮。三是投料前必须要有高负压, 才能防止生料进预热器后产生窜料, 但同时又要避免窑内高温带向窑尾后移。
为了挂好窑皮, 应注意:
1) 挂窑皮时的喂料量不能过大
因为此时窑内只是依靠耐火砖的蓄热量, 而且篦冷机内也无熟料, 没有回收的热量可以利用, 窑温不足以支撑正常煅烧。投料量少, 并不是为低窑速投料创造条件, 让物料与窑砖的接触时间延长。
2) 控制好挂窑皮时的4个温度
决定挂窑皮牢固程度的关键因素是生料与窑砖的表面温度适宜。这可由4个温度来判断:烧成带温度应该让砖表面发亮, 窑尾温度达到900℃以上, 分解炉给煤后温度达到850℃, C1出口温度达到300℃。如果烧成带窑砖表面温度不够, 仅窑尾温度够时, 则此料不可能黏在砖上形成窑皮而出窑, 俗称“窜料”;当窑砖表面温度够, 而窑尾温度低时, 生料需要向砖吸收更多的热, 在挂上一层极薄窑皮后, 剩余生料仍然要窜出来;如果4个温度都不够, 则更会严重窜生料;反之, 如果4个温度都过高, 极热生料就会将砖推掉一大层, 俗称“推车”, 甚至“垮窑”酿成事故。所有这些, 绝不是靠延长物料与砖的接触时间就能避免的。
3) 必须提高窑速
只有转到下部的窑砖与来料接触才能挂上窑皮, 当窑转一周所用时间分别为20s、40s以及60s时, 整圈窑砖烧蚀与窑皮黏结的均匀程度都会有较大差异, 但这种差异目前尚未足以让管理者与操作者担心, 相反, 更多的顾虑却是担心生料会在高窑速下窜出, 而将提高窑速视为禁区。理论与事实都证明, 低窑速无法挂匀及挂牢窑皮, 而分解充分、窑温足够的条件下, 高窑速使传热均匀, 不但不会窜料, 而且更利于防止窜料。
4) 缩小拉风与投料之间的时间间隔
该间隔不应超过数秒钟, 以保持窑内刚刚建立的4个温度的理想分布。为此, 需要生料快速入窑的一系列控制手段。比如:生料出库已进行回库小循环, 只要打开提升机的回库与入窑的三通阀, 料就能快速入窑;三通阀应该设计为快速气动切断阀, 而不是电动调节阀或手动阀;对于双系列预热器, 考虑物料经过斜槽的时间, 在开启高温风机风门时, 更应有提前量, 只要风门一开, 物料就能进入C1。只有满足以上要求, 才可抑制系统强大负压所造成的高温段向后移动的趋势。那种为减小窑头负压过大, 靠提前开启篦冷机冷却风机鼓入冷风的做法, 不能解决窑内高温段后移的问题。
采取上述方法, 从开始投料到正常喂料量所需时间最多两个班。而用传统挂窑皮的方法, 要经过1天, 甚至2～3天。
2 窑皮维护的措施
2.1 窑皮损坏的原因
窑皮的时长时落必然导致衬砖的烧蚀。考察发现, 凡是运转周期长的窑, 首先是窑皮稳定, 而其关键在于原燃料成分的稳定。这个道理很简单, 当突然一股难烧的生料来到时, 表现为料子吃火, 此时操作必然要加煤, 窑皮会因此而受伤, 再加之此料与窑皮的成分差距较大, 也迫使原窑皮难以保持。又比如煤的热值忽然变高, 火焰形状与温度就立刻变化, 原有窑皮也必然受伤。再有喂煤量和喂料量的波动, 甚至断煤、断料, 都对窑皮有极大的威胁。所有这些情况都是操作员难以预料的, 待发现之时, 危害已经发生, 能做的只有采取补救措施, 降低危害程度而已。
2.2 稳定原燃料和操作
稳定窑皮比挂窑皮更重要, 因为挂窑皮只关系一次损失的大小, 而原燃料以及窑操作的不稳定, 则时时刻刻都在威胁窑皮与窑衬的安全, 造成的损失更大。因此, 只有生产的均质稳定才是企业高产优质低耗安全运转的保证。
不少企业提出要严密监视筒体表面温度, 发现窑皮蚀薄、筒体温度升高, 要及时补挂, 补挂时要适当减少喂料量, 且不考核补挂的班产量。这种做法说明对均质稳定的运行特点认识不足, 是用不稳定的办法补挂窑皮, 没有分析窑皮为什么会变坏, 更没能提出如何让窑皮稳定的措施。如果喂料量过高影响窑皮质量, 则减料不是在窑皮薄时的应急措施, 而是正常操作就不应盲目追求高产, 否则其危害的还不仅是窑皮, 而是各项经济指标都会受到影响。
3 如何衡量挂窑皮与护理窑皮效果
一般是看窑衬运转周期长短, 或筒体红外测温仪观测周向的温度分布均匀性以及窑轴向温度分布是否合理。但是, 所有这些手段都是对每台窑的历史进行比较才能看出, 不同窑之间的比较因为有很多差异而有局限性, 比如, 耐火砖自身质量、筑炉水平、窑筒体的机械状态、生料易烧性、燃烧器性能与调整、操作中对窑热负荷的控制以及操作稳定性等。只凭挂窑皮与护窑皮的方法不同, 显然难以得出绝对令人信服的结论。目前国内最长的窑衬安全运转周期可长达450d, 与此相比, 大多数窑的运转周期仅300d左右, 甚至200d左右, 差距不可谓不大。据了解, 创450d纪录的窑, 不仅原燃料稳定程度为国内同行中少有, 而且砖的质量与窑的机械状态也是极佳, 其他方面还有待调查。作为评价挂和维护窑皮操作方法的优劣, 并不是一个例证就可说明清楚。
新型干法水泥技术的发展, 耐火材料品种的增加及其性能的提高, 为挂好和维护窑皮创造了条件, 企业应不断摸索和实践。
一起预分解窑连环事故分析 篇2
1 塌料及跑生料事故
1.1 事情经过
投料后预热器系统压力出现波动, 并多次发生塌料, 后又出现两次窑跑生料现象, 系统止料。重新投料后再次发生大范围的塌料及跑生料事故, 大量生料直接冲入篦冷机和熟料输送机地坑, 熟料破碎机、窑头除尘器和热交换器下的三部拉链机过负荷停车, 熟料输送机机尾拉绳开关在物料的冲击下发生动作, 输送机保护停车, 系统再次止料处理。
1.2 原因分析
1.2.1 高温风机拉风过大
高温风机功率2 500kW, 额定电流171.7A, 最高转速994r/min, 液力耦合器调速。第一次投料过程中的高温风机转速、电流及投料量变化见表1。
注: (1) SP炉旁路阀上的积灰塌落进入高温风机, 电流升高。
从表1可以看出, 7:09高温风机转速已经达到860r/min, 达到额定负荷的87%, 而此时投料量仅有150t/h, 为正常投料量的45%, 风料匹配严重失衡。由于拉风过大, 风速过高, 分离效率反而降低, 物料循环量增大, 气流中料粉浓度逐渐升高, 当系统工况波动时形成大股料流, 产生自上而下的塌料。同时在调节风量过程中过于粗放, 大起大落, 也是造成预热器塌料的主要原因之一。
1.2.2 加料幅度过大
两次投料过程中投料量调整见表2。
两次投料分别在49min和38min内就将投料量增加到额定投料量的96%, 提产幅度过大。这样, 一方面, 使系统温度快速下降, 生料不能很好地完成预热预分解过程, 加重了窑炉负担, 系统热工制度很难稳定, 进而造成塌料。另一方面, 生料不能均匀地分散, 影响传热效率, 悬浮在气流中的料量越来越多, 当系统工况发生波动时, 就会引起塌料。塌料后由于固气比降低, 在离心力作用下, 物料间凝聚力减弱, 旋风筒的分离效率降低, 又会形成新的物料聚集。同时受塌料的影响, 进入旋风筒、分解炉和回转窑内的物料时多时少, 料少时会产生局部高温, 形成结皮, 为物料的聚集创造了条件;料多而系统管道风速又不足时, 将再次形成塌料, 煅烧操作难控制。如此恶性循环, 形成大范围、大幅度的塌料。
1.2.3 操作方法不当
1) 对系统风量、投料量、分解炉喂煤量和窑速的调整不合理, 造成系统温度和压力波动大, 塌料频繁, 物料煅烧不良而跑生。跑生后采取的措施不到位, 虽然也降低了生料投料量, 但幅度太小, 与窑速不匹配, 窑内填充率还在升高, 物料煅烧不均匀。同时系统风量调节滞后, 慢窑减料后, 系统风量没有及时降低, 造成高温区后移, 烧成带温度低, 系统工况波动时再次出现生烧。
2) 第二次投料后窑电流一直偏低, 片面地认为是由于刚开窑, 填充率低造成的, 当时的熟料实物煤耗仅有80kg/t, 误判断其原因为分解炉喂煤秤零点漂移, 没有意识到其真正的原因是窑内温度低, 煤粉燃烧不好, 物料煅烧不充分, 没有及时采取有效措施, 导致跑生料。
1.3 预防改进措施
1) 规定起步投料量为100～180t/h, 达到240t/h时停止加料, 新熟料出窑, 并且二、三次风温明显上升后方可继续加料。投料量到280t/h时, 稳定1h, 如果系统正常, 且没有大的波动时方可进行加料操作。投料量低于280t/h时, 每次提产幅度不超过15t/h;280t/h以上时, 不超过10t/h;330t/h以上时, 不超过5t/h。加料后应确认物料进入烧成带且煅烧正常, 回转窑电流没有大的波动后方可继续加料。
2) 开始投料时, 逐渐调节高温风机转速, 将C1出口压力控制在-1 500Pa。在提产拉风过程中, 每次调整幅度以C1出口压力变化不超过-100Pa为标准, 间隔时间应在10min以上。
3) 交接班前后1h内, 尽量避免投料操作, 避免检查不到位、处理不及时或存在等、靠、推心理而延误处理问题的最佳时机。加强对中控操作员的培训, 掌握风煤料之间的平衡, 避免大起大落。
4) 将窑电流作为重点监控参数, 发生波动时, 应及时采取应变措施。一旦发生塌料, 应立即增加头煤, 大幅度塌料时按跑生处理, 在降低窑速的同时降低投料量, 稳定窑内填充率, 避免出现窑尾倒料、压窑事故, 必要时可停烧。在调节窑速时应做到“提速要慢, 降速要快”, 防止大量生料涌入烧成带造成煅烧不良或跑生。
2 熟料输送机拉坏事故
2.1 事情经过
12:13熟料输送机报拉绳故障保护停车, 现场没有人动拉绳开关, 经检查地坑以上部位拉绳开关完好, 但地坑下部因热灰太多, 且刚塌完料, 能见度太低无法进入检查。于是调度通知电气人员将拉绳保护甩掉。12:50中控启动熟料输送机, 12:52电流出现波动, 巡检工到现场后发现输送机处于一进一退的拉锯状态, 要求中控立即停机。12:53停熟料输送机, 此时电流已达166A。后来经检查发现, 输送机尾轮支架、支撑立柱、上下轨道及多个料斗被拉坏。专业的外协施工队抢修了五天后, 熟料输送机才恢复正常运行。
2.2 原因分析
熟料输送机的保护装置有拉绳、转速、电流和现场实时监控四项, 但当时只启用了拉绳保护。熟料输送机拉绳保护停车后, 由于急于恢复生产, 调度违章指挥电气人员将保护装置甩掉不用。中控操作员违章操作, 对于本应该由现场启动的跳停设备, 在中控直接启动。由于塌料量大, 输送机尾部和下轨道及料斗被积灰掩埋, 造成输送机运行阻力大增, 同时由于塌落的窑灰温度太高, 使被掩埋在热灰中的钢材强度降低, 从而造成输送机拉坏事故。
2.3 预防改进措施
严格规范事故汇报制度, 制定应急处理预案。修复没有启用的保护装置。确实没有能力恢复的需拿出具体的应急预案, 供操作时参考。如果必须对保护装置进行修改或暂时甩掉的, 实行三级申报制度, 同意后方可实施。开展反“三违”学习和互查互纠活动。
3 员工烧伤事故
3.1 事情经过
在对熟料输送机地坑内的热灰进行降温处理时, 曾尝试采用胶皮软管前部套接镀锌管喷水和将镀锌管插入积灰中的方法, 但效果都不好。后来用漫灌的方法, 把消防水带置于地坑入口处的阶梯上, 人员撤离后打开阀门, 此方法可以避免烫伤工作人员, 且用水量大, 加快了热灰的冷却速度。
14日4:00, 从地坑入口处观察, 积灰已板结。三名作业人员进入地坑内部查看冷却情况, 在已经板结的积灰上铺设竹架板, 人踩在竹架板上逐步向里推进。当进入地坑中间部位时, 一名作业人员试探性地将一只脚放在已经板结的窑灰上踩了踩, 发现没有问题, 另一只脚也离开竹架板, 向前走了一步, 两只脚突然下陷, 被板结层下面还没有冷却的热灰烫伤, 所幸后面有人及时将其拉出。
3.2 原因分析
对安全问题不够重视, 仅口头强调, 没有具体的防范措施和安全操作规程, 也没有人检查作业人员是否按要求佩戴劳保用品。三级安全培训没有针对具体应用案例的培训, 导致作业人员完全是靠感觉作业。
3.3 预防改进措施
预热器窑改预分解窑的实践 篇3
1 增产改造所采取的主要措施
1.1 设备方面
生料磨由球磨改为立磨, 产量充足, 可以有效地保证窑煅烧需要, 同时利用峰谷电价避峰停机, 降低生产成本。
(1) 回转窑系统窑体未动, 主要改造了传动装置, 提高窑速, 以适应改造后的增产需要。
(2) 预热器分解炉重新设计改建, 降低系统阻力, 提高分离效率、入窑物料分解率。
(3) 篦冷机采用了厚料层技术, 提高了二、三次风温, 热回收效率得以提高, 系统热耗相应降低。
(4) 煤磨经核算, 产量可满足改造后的生产需求, 系统进行了完善。
(5) 采用了技术先进的、适合需要的、精确的系统计量装置, 大量科学的测控仪器仪表, 先进的DCS集散控制方式。
(6) 对需经常调节风量、转速的设备, 采用了液偶、变频控制, 实现了精确控制, 节能降耗。
(7) 更换了各系统风机, 确保了系统风量、风压的需要。
(8) 窑头和窑尾采用了先进的、除尘效率高的电收尘技术, 满足了排放要求。
(9) 系统其余辅机设备作了完善或更新改造, 保证其改造后的性能满足系统需求。改造后的部分主机设备见表1。
1.2 工艺方面
(1) 采取走出去请进来的办法:先后派出中控窑磨操作员、电工、钳工、仪表及其他岗位人员近30人, 到情况相近的兄弟单位学习生产操作与设备维修。借鉴兄弟单位的优点, 吸取兄弟单位的教训, 避免事故的发生。同时聘请相关专家到厂服务, 随时解决生产中遇到的问题, 并指导生产操作。
(2) 生产过程中, 定期组织相关人员到附近单位参观学习, 针对生产过程中出现的不易解决的问题, 向同行取经问路, 学人之长为我所用。
(3) 定期或不定期组织各系统操作员、主管工程技术人员参加系统的操作研讨会, 针对生产中存在的问题, 集思广议, 去寻找解决问题的办法, 以利生产的稳顺运行。
(4) 不断完善设备性能, 随着生产的逐步进行, 有些设备的不足一面逐渐暴露出来, 通过一些小改小革逐渐完善, 使设备的性能充分发挥出来。改造后回转窑系统的主要参数见表2。
1.3 改造效果
(1) 生料磨的产量由设计的130t/h增至200t/h, 最高阶段230t/h。
(2) 分解窑产量由设计的1400t/d增至1800t/d, 且能稳定连续运行, 多次连续运行一个月左右。入窑物料分解率达95%左右, 煤耗由140kg/t熟料降至117kg/t熟料, 同时可以实现普通熟料和低碱熟料生产的平稳转换, 为占领市场赢得了先机。
2 存在的不足与问题
(1) 由于该厂没有原料的自备矿山, 原燃材料全部靠外部供应, 其质量难以保证、波动性大、稳定性差, 又没有预均化堆场, 给配料的操作与稳定带来了困难。
(2) 该厂水泥销售形势很好, 熟料需外购一部分, 来弥补自身熟料产量的不足, 满足水泥生产的需求。因此窑要尽可能地运行, 由于时间的原因, 两座连续式均化库没能进行及时的维护与维修, 虽然两库搭配卸料, 但生料的均化效果很差, 造成入窑生料三率值波动很大, 给热工制度的稳定与窑的操作带来不利影响。
(3) 该厂篦冷机为两段推动式, 是针对1400t/d设计, 而增产至1800t/d后, 其冷却面积明显偏小, 正常生产时还能维持, 一旦出现异常情况, 造成来料增多, 料层加厚, 就会出现风吹不透、窑内缺氧、篦冷机内熟料结块、出现红河、链斗机内大量红料等情况, 熟料不能实现急冷, 出篦冷机熟料温度高, 熟料质量变差, 同时为熟料的储存与粉磨带来困难。
(4) 三灰问题:三灰是指增湿塔回灰、窑尾系统收尘灰、窑尾余热锅炉回灰。由于该厂生料磨有较大的富余能力, 可以有较长的避峰停机机会, 生料磨运行时三灰随出磨生料均匀入均化库。而当生料磨停机时, 三灰则入窑, 肯定会对入窑生料成分造成影响, 引起入窑生料三率值的波动, 入窑有害成分增多, 加重有害成分在窑尾系统的循环富集, 结皮堵塞的几率增大, 进而对窑的稳定运行带来不利影响。
3 改进措施
(1) 加强原燃材料管控, 针对各矿点、进厂入库加强监测, 了解原燃材料的变化情况, 以便对配料作针对性的调整。
(2) 利用适当的停机机会, 对两座连续式均化库进行维修完善, 提高其均化效果, 同时加强对两库搭配卸料的监控, 提高入窑生料的稳定性。
(3) 在短期内无法更换篦冷机的情况下, 可以借鉴第三代充气梁篦冷机的经验, 缩小单位风量的冷却面积, 提高风压风量, 使冷却风有能力穿透厚料层。窑速的加快, 熟料的离析偏落现象加重, 在篦冷机入料端造成一边结粒大, 一边结粒小, 料层厚薄, 冷风短路, 出现“红河”现象, 对此除了通过调整充气梁两边外的风量风压外, 还可通过配料、操作、管理上的努力, 控制熟料结粒, 来改善离析偏落的问题。
(4) 针对三灰问题应设置中间仓, 在生料磨避峰停机时, 使三灰入中间仓, 待生料磨运行时, 将三灰均匀入磨或入库, 同时调整配料方案;改变避峰停机制度, 三班均匀分配停机时间, 用阶段短时间停机代替长时间连续停机, 来减少三灰入窑对窑操作带来的不利影响。
预分解窑系统运行状态的诊断 篇4
关键词：预分解窑,工艺参数,运行状态,分析诊断
预分解窑是当今水泥行业最先进的生产工艺。投入运行的生产线, 产量、能耗却是千差万别。由于水泥熟料的烧成涉及化学反应与扩散;涉及流体、燃烧、传热、流动, 任何一个过程、单元都极其复杂。对原材料的分析检验不全面, 仅有元素分析。分析结果不及时, 不能及时应对指导热工参数的调整。现有热工分析检测手段基本只涉及温度、压力的测量。大多数工艺热工参数都不能直接获得。对预分解窑系统的运行状态不能及时、准确的评估判断。窑系统的计算机自动控制远不能令人满意。
预分解窑工艺由预热器、分解炉、回转窑、冷却机、燃烧器热工设备子系统组成。每个子系统正常工作, 才能为优质、高产、低消耗、低排放打下基础。利用现有的工艺参数, 对各子系统进行合乎实际的分析、判断显得及其重要。
1 预热器的分析与诊断
气固换热效率和气固分离效率高、系统阻力低以及系统密闭性好是一个优秀的旋风预热系统必须具有的要素。预热系统由两部分组成:旋风筒和上下级旋风筒间热量交换的管道。其中换热管道的中间部位设有上一级的旋风筒下料管和锁风阀。锁风阀保证上一级旋风筒进行分离的生料可以畅通的进入到下一级换热的换热管道, 又防止从下一级旋风筒跑出的热气流直接经过下料管窜入上一级旋风筒造成的气流“短路”, 同时避免已经发生过气固分离后的生料造成二次飞扬, 保证了上一级旋风筒的分离效率不被影响。
1.1 影响预热器性能的因素
1.1.1 旋风筒内部流动规律
根据以下两类理想的旋流运动, 可得其对应的切向速度分布的表达式。
(1) 强制涡:即涡流内各点有相同的旋转角速度, 就像旋转的刚体一样。
(2) 自由涡:即无摩擦流体的旋转运动, 其涡流运动中的切向速度, 使得流体微元在所有径向位置上的动力矩相同。
而实际流体中的切向速度分布则介于以上二者之间。
1.1.2. 旋风筒压力分布
在旋风分离器和旋风管分离器中, 如果能弄清静压和动压间的关系P和 (其中ρ是密度) , 那么就容易理解分离器内的流场和压力分布。当忽略流体摩擦时, 著名的伯努利方程在稳态流动时的表达式为:
式中, 可以看出静态压力项和动态压力项即方程左边的第后考常常称为速度头。上式为两侧除以流体密度后的形式。
这个方程表明, 流场中的静态压力和动态压力是可以相互转换的。在速度高的地方, 静态压力较低。反之亦然。这是很多流量计的工作原理。例如, 皮托管和文丘里管流量计。在处理涡流问题时, 认识静态和动态压力的相互关系, 显得尤为重要。
当讨论气体旋风分离器和旋风管分离器时, 第二项与其他两项相比, 显得无关紧要了, 这是因为流体密度较低, 且高度差不是非常大。
从图2可以看出, 锥部压力与旋风筒出口静压力相当, 且略高一些。
图3可以看出, 小颗粒的粉尘随气流从旋风筒出口排出, 而大颗粒粉尘碰到边壁, 被收集下来, 从锥部卸料口排出。
1.1.3 分离效率与漏风
分离效率η与漏风系数K的关系如图4所示。可以看出, 当K小于2%时, 分离效率变化很小, 但当K大于2%时, 分离效率开始迅速下降, 继而随K的增加而陡然下降。当K=4.5%时, 降至30%以下。对于预热器, 这是绝对不允许的。因此, 无论从系统热效率还是从分离效果来考虑, 旋风筒下料口处的漏风应尽可能控制在2%以下。
1.1.4 各级旋风预热器出口温度
生料在进入回转窑之前会先后经过各级旋风预热器, 并且生料会在旋风预热器内通过热交换发生部分分解反应, 因此, 各级旋风预热器出口温度表征了各级旋风预热器的热交换情况、生料喂料情况和通风情况。所以, 可以观察各级旋风预热器出口温度变化的情况, 判断出各级旋风预热器的下料情况。
正常情况下, 各级旋风预热器出口压力都为负压, 各级旋风预热器出口压力直接反映了各级旋风预热器内的通风情况, 因此, 可以通过对各级旋风预热器出口压力的变化判断各级下料管漏风情况、系统漏风与堵塞的情况。
实例1:XW2500t/d生产线预热器的分析与诊断。由图5及表2可以看出:
(1) C1出口温度达351℃, 说明各级预热器工作不良, 最终导致热耗偏高。特别是C1~C4旋风筒物料分散不均匀, 导致生料与气体换热效果不良。
(2) C2出口温度严重偏低, 经现场查看, C2测温点接近下料点, 且撒料板工作不良。由图5可发现C2出口温度比C1出口温度还低。
实例2:TR4000t/d生产线窑尾截图见图6, 旋风筒出口温度及负压见表3。
由图可以看出:TR窑尾旋风筒存在以下问题:1级筒下料点撒料板工作不良, 料分散不良, 2级筒出口温度长期偏低, 热交换差, 导致1级筒出口温度偏高。具体由图6及表3可看出:
(1) C1A、C1B锥部压力均比出口低;
(2) C2A锥部压力低于出口压力;
(3) C3B锥部压力低于出口压力;
(4) C4A、C5A锥部压力低于出口压力;
(5) C5B锥部压力低于出口压力:出现锥部压力低于出口压力 (一般锥部压力采样点在锥部出口上部1.5m左右) , 说明旋风筒分离效率低, 由翻板阀漏风或者整体拉风不足所致。
(6) 5级筒下料管温度长期比出口高。可能有两种原因:a、煤粉燃烧不完全, 在5级筒锥部能看到火星。b、5级筒撒料板毁坏, 导致4级筒喂入物料撒料不均匀, 导致5级出口温度偏低。
实例3:运行状况优秀的5000t/d生产线的旋风筒温度与压力情况见图7, 表4, 表5。
实例4:优秀的2500t/d生产线的旋风筒温度, 压力分布状况, 见图8及表6。
1.1.5 高温风机拉风情况
通过考察高温风机入口负压、变频转速、电机配置、运行电流, 对系统总拉风大小进行分析判断。
1.1.6 预热器出口气体成分
实例1:PE预热器、分解炉出口气体成分的具体数据见表8:
该生产线各级旋风筒CO浓度高、波动大。C5~C1漏风逐渐增大。SO2逐渐降低。分解炉NOx含量较高。该系统拉风不稳定, 煤在分解炉中燃烧不完全。
实例2:DZ预热器、分解炉出口气体成分见表9:
%
由表9可以看出, 烟室CO含量超过仪器量程, 窑内通风严重不足, 煤粉燃烧不完全。C5~C1漏风逐渐增多。NOx全部从分解炉中产生。
2 篦冷机诊断分析
2.1 离心风机的诊断分析
2.1.1 离心风机型号
风机型号为:C 4-72-1 1 No.8C右90°;C:风机用途为排尘 (一般可省略不写) , 4:风机在最高效率点时的全压系数乘10后的化整数, 72:风机在最高效率点时的比转数1:进口为单吸入, 1:设计顺序, 1表示第一次, No.8:风机机号, 即叶轮直径D2=800mm, C:风机传动方式 (共有A-F六种) , 右:旋转方向 (从原动机侧看) , 90:出风口位置与水平线夹角。
2.1.2 离心风机性能
风机的全压p是由静压pst和动压pd两部分组成。离心风机全压值上限仅为1500mm (14710Pa) , 而出口流速可达30m/s左右;且流量Q (即出口流速v2) 越大, 全压p就越小。因此, 风机出口动压不能忽略, 即全压不等于静压。例如, 当送风管路动压全部损失 (即出口损失) 的情况下, 管路只能依靠静压工作。为此, 离心风机引入了全压、静压和动压的概念。
风机的动压定义为风机出口动压, 即
风机的静压定义为风压的全压减去出口动压, 即
风机的全压等于风机的静压与动压之和, 即
以上定义的风机全压p, 静压pst和动压pd2, 不但都有明确的物理意义, 而且也是进行风机性能试验、表示风机性能参数的依据。
2.1.3 比转数
风机比转数在风机的选型中有重要作用, 特别是对于种类繁多的离心风机无量纲性能曲线的选型更为方便。风机比转数的概念同水泵比转数, 比转数在应用中的意义也相同。
风机比转数的计算公式为
式中:n——转速, rpm;
Q——流量, m2/s;
p20——标准状态下的风机全压, mm H2O。
2.1.4风机的性能曲线
从上述各风压的概念出发, 按照性能曲线的一般表示方法, 风机应具有5条性能曲线。
(1) 全压与流量关系曲线 (p-Q曲线) ;
(2) 静压与流量关系曲线 (pst-Q曲线) ;
(3) 轴功率与流量关系曲线 (N-Q曲线) ;
(4) 全压效率与流量关系曲线 (η-Q曲线) ;
(5) 静压效率与流量关系曲线 (ηst-Q曲线) 。
5条性能曲线中, pst-Q曲线与ηst-Q曲线是有别于水泵的两条性能曲线。
全压效率计算方法同水泵, 即
式中:p——全压, N/m2;
Q——流量, m3/s;
N——轴功率, W。
静压效率ηst定义为风机的静压有效功率与风机的轴功率之比, 即
离心风机性能曲线如图12所示。
2.1.5 转速与风机性能关系
流量转速成正比
压头与转速平方成正比
功率与转速立方成正比
2.2 篦冷机诊断分析
我们截取了FM厂窑头的中控画面见图14, 风机风量、压力的有关情况进行分析见图15、16。
根据图14~图16可以看出, FM厂几乎所有风机的工况全压都低于风机的铭牌全压, 但风量大大低于铭牌风量, 风机处于低效率状态。由于如篦冷机风量不够, 导致出篦冷机熟料温度高, 达到250℃。头牌余风温度达450℃, 三次风温度仅830℃。
实例2:WS4000t/d生产线篦冷机运行状态诊断, 其窑头截图见图17和风机运行参数见表11。
由图17及表11可知, 5706、5708、5710风机为粗料边、阻力小、风量大、风温度低。而细料侧风机5705、5707、5709阻力大、风量小、风机电流小, 熟料冷却不好。总体二、三次风温度低。
熟料在篦冷机内部堆积状态见图18。
实例3:DS 5000t/d生产线篦冷机风机标定结果见表12, 中控画面截图见图19。
由表12可以看出, 5706全压达到铭牌压力, 但标况风量低于铭牌风量, 叶轮磨损、风机效率降低;
5707、5709b全压超过铭牌压力, 但标况风量大大低于铭牌风量, 篦冷机料层阻力太大, 风机不能胜任, 应更换压力大的风机;
5712、5714、5715、5717全压未达到铭牌压力, 但标况风量低于铭牌风量, 叶轮磨损、风机效率降低;
5708b、5709b、5710b出口压力均比相对应的另一侧压力高, 为细料侧, 相应风量小。
预分解窑筒体水冷却 篇5
1 金属筒体冷却方式
1.1 水淋冷却
上世纪60~70 年代, 我国湿法窑 (窑径<4m) 筒体采用淋水冷却, 在窑筒体顶部, 架设多排下部有小孔的管道, 水经小孔淋至窑筒体以降低筒体温度, 保护筒体内耐火砖和窑皮。其缺点是耗水量大, 含尘水蒸汽对环境产生污染, 电耗大。此外, 筒体结垢在一定程度上影响散热。
1.2 空气冷却
上世纪80 年代, 我国引进的预分解窑均设置风冷装置, 在窑筒体下侧边平行设置滑轨, 多台轴流风机在滑轨上移动, 向高温部位筒体吹冷风, 以降低筒体温度。优点是现场较干净, 缺点是声音太大、电耗高。
从使用情况来看, 各台窑筒体温度是个变值, 与窑皮性能有关, 当入窑原燃中的碱、硫、镁等成分高, 则窑内窑皮致密, 导热系数高, 筒体温度高, 必须采用风冷;而窑料中的碱、硫、镁等成分含量低, 窑皮疏松, 导热系数低, 筒体温度低, 一般不用风冷。
由于生产厂家所购置的原燃料成分经常变化, 造成窑皮致密程度及导热系数经常变化, 因而预分解窑一般均设置风冷装置。
1.3 预分解、预热器窑雾化水冷却方式
近年来, 环保要求越来越严格, 欧洲一些接近居民区的水泥厂因风机噪音过大及电价过高等原因, 要求改变回转窑风冷冷却。德国KIMA Echtzeitsysteme公司、Heideberg水泥公司、德国水泥工厂协会合作对预分解窑雾化水冷却技术进行了开发, 在一台ϕ5m的预热器窑上进行, 情况如下:
在回转窑高温部位设置平行滑轨, 在滑轨上架设可移动的喷头。水经雾化, 喷向窑筒体表面, 将高温的窑筒体适当降温 (图1) 。与此同时, 红外线扫描温度测试仪将所测定的温度反馈至电磁阀控制装置, 从而控制雾化位置和水量, 使筒体得以冷却 (图2) 。此外还可做到合适的降温, 避免金属筒体降温速度过快产生应力变化损坏 (图3) 。
上述装备经约7 周的实践, 证明了其可行性与可靠性, 可满足需要改装的水泥厂应用。
2 几点看法
预分解窑筒体冷却目前使用风冷, 噪音超标, 电耗高。而采用上世纪80 年代以来开发的水喷雾技术、红外线测温传感、模糊逻辑控制技术等组合, 可以精确降低筒体温度。
雾化冷却可以大幅降低噪音, 从气冷的105d B (A) 降至65d B (A) 以下, 电耗降低至约1k Wh。存在问题是水中含碳酸钙, 易在窑筒体表面沉淀 (结垢) , 影响热传递和增加金属筒体表面温度。但从我国湿法窑淋水结垢情况来看, 表面厚度有限, 这次试验对火砖、金属筒体、石灰石结垢也进行了计算, 结果见表2。
表中未标明窑皮, 从数据来看, 石灰石垢较薄, 对筒体散热影响有限。
降低投资和操作费用的问题, 有待长期实践解决。
预分解窑系统耐火材料的优化 篇6
预分解窑系统的表面散热损失主要包括回转窑、预热器、窑头罩、三次风管和冷却机的表面散热损失, 烧成带、过渡带部位的筒体表面温度一般在300~380℃, 所占散热比例较大, 达到总表面散热量的一半左右。预热器散热面积大 (表1) , 其单位熟料面积均在1.5~1.7dm2/t, 也是散热大户。预分解窑耐火材料的优化配置对降低系统热耗意义重大。
2 衬里传热计算
在水泥预分解窑系统中, 耐火材料的配置一般不超过三层, 我们以图1中配置三层耐火保温材料为例来介绍相应的传热计算方法。假设内壁温度T1和环境空气温度T5为已知量, 各层耐火材料的厚度 (L1、L2、L3) 和导热系数也已知, 且分别标于图上, 需要求解的是外壁温度T4 (由于金属筒体的导热系数高, 可近似认为筒壁内外的温度一致) 。
根据导热过程的傅立叶定律可计算其热流密度为:
根据设备表面的对流换热和辐射换热, 可计算其热流密度为:
式中:αc——对流换热系数, W/ (m2·℃)
ε——物体的黑度
σb——黑体辐射常数, 其值为5.67×10-8W/ (m2·K4)
αt——总换热系数, αt=αc+αr, W/ (m2·℃)
根据式 (1) 和式 (2) 可得:
上式经变形可得:
其中表示三层耐火材料的热阻之和。由于有些耐火材料的导热系数与其温度有关, 且总换热系数αt受风速及筒壁与环境的温差影响, 因而在假定某一风速的情况下, 需要通过迭代计算求解壁面温度T4。
根据传热计算, 我们可以合理选用耐火材料及设计各层厚度, 使热工设备外表面温度控制在合理范围内。
3 水泥预分解窑系统减少散热损失的耐火材料优化配置
3.1 回转窑
3.1.1 回转窑热工特点及对耐火材料要求
回转窑内的工况是 (以5000t/d规模回转窑为例) :燃料燃烧火焰温度高达1800~2000℃, 窑内高温烟气与窑料进行热交换, 出窑烟气温度降至1050℃左右, 入窑物料温度约900℃, 逐步加热至1400℃以上, 详见图2回转窑内温度分布情况。窑料中的不同成分在此过程中进行化学反应, 生成熟料。近年来, 随着窑的产量增加, 窑速逐步增高, 国外新投产的窑有的高达5~5.5r/min, 且回转窑内温度高, 化学反应复杂, 因此回转窑内火砖的使用寿命受到影响, 成为烧成系统更换最为频繁的部位。
对预分解窑来说, 根据窑内煅烧机理, 通常分为分解带、安全带、上过渡带、烧成带、下过渡带、窑出口等, 回转窑各带的工况条件和反应机理不一样 (表2) , 导致各带对耐火材料的要求也有所不同, 表3列出了各带对耐火材料的要求及目前通常所选耐火材料种类。
图3为某厂回转窑表面温度测定结果, 可以看出上下过渡带因为温度变化频繁, 又在轮带附近, 承受较强的机械应力, 很难形成稳定窑皮, 温度最高;烧成带是水泥熟料形成区域, 液相量大, 易形成窑皮, 虽然煅烧温度高, 但相应有窑皮保护, 起隔热作用, 温度比上下过渡带略低;分解带是未分解的物料在此分解, 对耐火材料的要求相对没有过渡带及烧成带那么苛刻, 在减少散热方面还可以改进。
3.1.2 降低回转窑筒体散热损失的优化措施
(1) 采用两档短窑:三档窑长径比L/D=15, 两档窑缩短为L/D=10左右, 长度 (主要为过渡带长度) 减少, 散热面积减少, 同时也是减少了温度最高的部位, 以至散热损失可以大幅度降低, 砖耗显著降低。对一般预分解窑, 吨熟料砖耗的国际先进指标为0.5~0.6kg/t熟料, 而两档窑可降到0.15~0.2kg/t熟料, 降低约60%。砖耗及热耗降低对降低水泥成本意义很大。
(2) 三元系统Al2O3-Si O2-Si C耐火砖在安全带的应用:这种砖对窑内气体中含碱、氯化物和硫的盐化合物的侵蚀具有较好的抵抗性, 其特点是高温耐磨, 抗热震性能好, 导热系数~2W/m·K, 较镁质砖低, 但比抗剥落高铝砖高, 在大型回转窑上, 用来替代部分镁铝尖晶石砖, 在保证不降低砖寿命的基础上, 可以降低窑筒体表面温度, 节省燃料。
(3) 高性能复合砖在分解带的应用:复合砖是将重质耐火工作层和轻质隔热层融为一体的窑衬, 高温性能好, 抗剥落, 关键是同时具有良好的隔热性能 (隔热层导热系数小于0.75W/m·K) , 节能效果显著。图4中蓝线是某厂在分解带应用高铝复合砖的窑筒体表面温度分布, 分解带窑筒体表面温度最低129℃, 最高198℃, 44m后分解带筒体表面温度明显低于红线中用硅莫砖所测出的表面温度。分解带运用导热系数低的高性能复合砖, 在保证使用寿命的基础上, 可以降低窑筒体表面温度, 降低热耗4.18~8.36k J/kg熟料。
3.2 窑尾预热器
3.2.1 窑尾预热器热工特点及对耐火材料的要求
图5为窑尾预热器系统各热工设备的内部温度, 其中烟室温度最高, 达到1100℃左右。目前由于劣质原燃料的大量应用, K、Cl、S等挥发性成分增加, 预分解窑系统中, 碱硫氯在温度800~1200℃的下部预热器、风管、上升烟道、窑尾进料分解炉等区域内循环富集, 与粘土砖作用, 生成白榴石 (K2O·Al2O3·4Si O2熔点1693℃) 、钾霞石 (K2O、Al2O3·2Si O2熔点1758℃) 、钠霞石 (Na2O·Al2O3·2Si O2熔点1526℃) 等矿物, 上述矿物体积膨胀致使砖体碱裂, 所以这些部位工作层应根据工况选用高强耐碱砖、抗剥落高铝砖等。
除了回转窑, 窑尾预热器系统热工设备均为静止设备, 这就为耐火材料设计成复合衬里提供了有利条件, 一般均将衬里设计分为工作层和隔热层。工作层拥有较高的耐压强度、耐碱性, 隔热层拥有较低导热系数, 可以降低外表面温度, 降低散热损失。
表4为某现场窑尾系统表面温度测定结果, 从中可以看出, 烟室、分解炉、C4下料管、C5下料管外表面温度还是较高, 旋风筒、风管温度不是太高, 但散热面积大, 散热损失总量大。窑尾降低散热的空间仍然很大。
3.2.2 降低窑尾预热器散热损失措施
(1) 合理运用好隔热材料 (图6)
从图7中可以看出, 隔热砖的导热系数相应较高, 绿色区域为硅酸钙板导热系数范围, 导热系数低, 但最高温度只能耐到1050℃。黄色区域为陶瓷纤维制品导热系数范围, 导热系数低, 能耐1200℃高温, 但由于其主要成分为Al2O3纤维, 环保性能相对差。蓝线为空气导热系数, 黄线为一种新型微孔材料, 导热系数比空气还低, 其导热系数≤0.042W/m·K (热面800℃) , 但目前只能耐800℃高温, 而且价格贵, 还难以推广。
(2) 优化设计耐火材料厚度和合理选用工作层材料
为降低筒体温度, 需增加隔热层的厚度, 厚度增加相应增加工作层热面温度和隔热层热面温度, 但隔热层材料工况温度有一定的限制, 为避免隔热层过热损坏, 需进行筒体散热计算。按照计算结果, 适当增加隔热层厚度或在工况允许的条件下, 选用导热系数更低的硅酸钙板或其他品种隔热材料。
例如:从表4中我们可以看出, 下料管温度还是普遍较高, 那是因为只铺设了工作层, 没有隔热层, 合理增加一定厚度隔热层, 可以使下料管表面温度大幅度降低。
再以烟室为例:通过合理设计耐火衬里的厚度, 不仅可以避免烟室部位硅酸钙板容易烧坏的问题, 还可以使其表面温度降低约10℃ (图8) 。
4 技术社会经济效益分析
预分解窑 篇7
长时期以来, 我国水泥行业一直未对水泥窑用耐火材料使用损坏工况和数量进行过系统的统计。国外最大的水泥制造公司 (年水泥产能约2亿吨) 的综合统计资料表明, 在预分解窑系统装备内, 回转窑耐火材料损坏约占总量的76%, 而其余不动装备 (窑门、预热器、分解炉、冷却机三次风管、燃烧器) 占总量的24%, 由此可见耐火材料的损坏主要出现在回转窑。
我国的国情与国外不同, 各生产企业使用的原燃料也有差异, 在熟料煅烧过程中, 各条生产线回转窑内衬体所产生的热、热化学、热机械应力的类型和程度也不尽一致。为减缓耐火材料的损坏应力, 需对预分解窑内熟料煅烧工况对衬体产生的各种应力作一分析, 以利于开发适应于窑内不同应力的耐火材料。
1 预分解窑内各带的划分
多年来, 水泥行业的工艺、装备技术研究单位和水泥制造公司对水泥回转窑内各带提出了不同的分带方法和带的名称。为便于说明问题, 本文引用丹麦史密斯公司在上世纪80年代提出的并大量出现在该公司有关文献上的预热器、预分解窑内各带划分的概念。
史密斯公司认为:窑料在预分解窑内煅烧成熟料时, 根据其物理、化学作用过程, 大致分成5个带:即分解带、过渡带、熔体 (液相) 烧成带、最高温度烧成带、冷却带, 各带由其功能决定, 其长度因其功能变化而变化。同一规模的窑, 因原燃料性能和生产控制的不一致, 窑内各带的长度也不尽相同。各带的主要功能如下:
1.1 窑内各带的主要功能
1.1.1 分解带 (CZ)
预分解窑系统的入窑生料分解率一般均>90%, 高的接近94%。未分解的生料在此带加热分解, 已分解的生料中的f Ca O与Si O2颗粒作用生成C2S。C2S生成时放出热量 (420~520k J/kg) , 生料在此带内较快加热分解, 带内有少量的C2S形成。
预分解窑内的分解带长度与入窑物料的分解率有关, 也与窑气温度有关。分解率越高则带越短, 分解率越低则带越长。窑气温度越高, 窑料加温较快, 则带越短。
1.1.2 过渡带 (HZ) (上过渡带后端)
物料从900℃加热至1 300℃, 在此带内物料温度增加很快, C2S大量生成, 熔体仅有少量出现。C2S生成放出大量热量, 促进窑料和窑气温度迅速上升, 当温度上升到1 250~1300℃, 即达到窑内物料的熔融温度时, 熔体突然大量增加, 进入熔体烧成带。
1.1.3 熔体烧成带 (LZ) (上过渡带前端)
在此带内, 熔体已大量生成, 带内熔体的数量并不是无限增加, 而是与入窑物料的成分和数量有关。熔体内, 熟料开始形成, 其主要过程为:熔体在晶体外形成毛细管桥, 熔体毛细管桥起到两个作用, 一是使颗粒结合在一起, 另一作用是作为中间介质, 使Ca O和C2S在熔体内扩散生成C3S。颗粒的强度取决于毛细管桥的强度, 桥的强度 (即连接颗粒的力) 随熔体表面张力和颗粒直径的降低而增加, 毛细管桥的数量又和颗粒直径的平方根成反比。要结好粒, 必须有足够的熔体, 并要求颗粒在熔体内分布均匀, 形成较高的表面张力及较低的熔体粘度和适宜的结粒时间和温度。
在熟料结粒过程中, 若熔体数量太少, 易生成不易成球的粉尘料;若熔体量太多, 物料易粘在一起成大块熟料。熔体表面张力将粗颗粒聚合在一起, 表面张力大, 则熟料颗粒也大。熟料的颗粒的尺寸影响着熟料性能, 窑在回转的过程中, 在已形成熟料球的料面上, 细颗粒在翻滚的过程中通过熔体表面张力聚集成球。
在聚集过程中, 当两个已生成的C3S较小晶格聚集在一起时, 结粒增大。若C3S晶格过大, 将影响成球, 易在窑内生成飞砂料。
1.1.4 最高温度烧成带 (MZ)
最高温度烧成带在火焰的最高温度部位, 窑内物料温度达到最高值, C3S数量增多直到完全生成, 与此同时熟料完成结粒, 在此带内熟料完成全部煅烧过程。
1.1.5 冷却带 (AZ) (下过渡带)
此带内熟料开始降温, 熟料固化。近年来, 随着篦冷机、燃烧器技术的优化, 入窑二次空气和燃烧空气温度越来越高, 热料离窑温度越来越高, 冷却带在窑内长度越来越短。
1.2 窑内各带工况
窑内各带烟气温度、物料温度、熔体 (液相) 量、C3S生成率等见图1。
2 回转窑各带衬体所承受的应力
回转窑内燃料燃烧火焰温度高达1 800~2 000℃, 高温烟气与窑料进行热交换, 出窑烟气温度降至1200℃左右, 入窑物料温度约900℃, 逐步加热至1 400℃以上, 窑料中的不同成分在此过程中发生化学反应生成熟料。近年来, 随着窑产量的增加, 最大窑产量已超过12 000t/d, 窑径达ϕ6.2m, 窑速逐步增高, 国内外一些新投产的窑窑速高达5~5.5r/min。上述工况易使金属筒体高温变形产生机械应力。
回转窑内温度高、化学反应复杂, 且窑料以较快速度运行, 使回转窑内耐火砖的使用寿命受到影响, 成为烧成系统更换最为频繁的部件。国内大型预分解窑内火砖运转较好的为一年左右, 一般为8~10个月, 在一些尚未正常生产的生产线不超过6个月, 个别窑不到2个月。
回转窑内耐火砖因承受高的热应力、热化学侵蚀、热机械应力, 所使用的耐火材料质量要求严格且价格昂贵。窑内火砖的应用是水泥生产厂和耐火材料制造厂关注的焦点, 为减少火砖消耗, 现将窑内各部位火砖承受的应力作一介绍。
2.1 分解带
带内衬砖所承受的热应力不高, 一般烟气温度<1 350℃, 而窑料温度>900℃, 已有少量C2S生成, 带内耐火砖所承受的化学应力主要包括入窑物料含有少量的碱氯化合物及较多的碱硫化合物的熔体和烟气对衬砖产生化学侵蚀。减缓化学侵蚀的主要方式是尽量减少生料、燃料中的碱、氯、硫的含量, 配用既能承受此工况温度, 又能承受碱侵蚀的衬砖, 同时此部位温度较高, 应尽量减少筒体散热损失, 较为合适的品种是抗碱侵蚀且热导率较低的抗剥落高铝耐火砖。生料、燃料中碱氯硫化合物的含量严重超标时, 可采取放风除碱措施减少其含量, 相应减少结皮及化学侵蚀。
近年来, 为减少碱、氯、硫侵蚀衬砖及结皮堵塞, 该部位较多使用含碳化硅高铝质衬砖, 该砖热导率高, 易造成衬砌部位筒体温度偏高, 增加筒体的散热损失, 还易使其产生椭圆度, 对衬砖产生机械应力。
2.2 过渡带 (上过渡带后端)
从分解带来的已完全分解的窑料进入过渡带, 此时物料温度增加很快, 熔体仅有少量出现, C2S大量生成, 当温度上升至约1 300℃时, 出现熔融熔体, 进入熔体烧成带 (上过渡带前端) 。
进入过渡带的窑料, 仍含有少量碱氯化合物及较多的碱硫化合物, 随着温度进一步升高, 碱氯化合物进一步分解挥发。当燃烧不完全时, 在高温部位含有的CO和C窑气和窑料中的硫酸盐作用使其分解, 生成的SO2随烟气后逸, 在低温部位与碳酸钙分解的Ca O或碱的氧化物作用, 生成低融熔温度的碱硫化合物。这些化合物之间形成融熔温度较低的复合化合物与已分解且已完成固相反应的窑料一起, 在过渡带后部开始并延伸至分解带粘结在衬体上, 形成长厚窑皮 (俗称后窑皮) 和结圈 (俗称后结圈) 。过渡带结圈和结长厚窑皮必将缩小窑内通风截面, 增加窑气风速, 增大通风阻力, 减少入窑二次空气量, 进一步增加燃料的不完全燃烧和烟气中C和CO的含量, 增加硫酸盐分解及碱硫循环, 增大碱硫化合物对衬砖侵蚀。当圈形成一定的高度时, 圈后的窑料就难于向前运行, 在窑的运转过程中, 窑料翻滚逐步形成大块 (俗称结蛋) 。圈的高度越高, 则大块越难向前运行, 在此过程中窑料越滚越大, 在翻动的过程中对窑产生震动。造成窑电流大幅增加, 衬体承受的机械应力增大, 此时分解带内的衬砖不仅承受严重的低融熔熔体的窑料的硫碱化学侵蚀, 还承受回转窑在运转过程中窑料和窑气温差造成的热震及氧化还原负荷, 更为严重的是在窑尾出现大块窑料时的机械振动和磨蚀。
进入过渡带 (上过渡带后端) 的烟气温度可能超过1 600℃, 窑料温度一般<1 300℃, 该部位所承受的化学侵蚀与窑料中的碱硫含量有关, 含量越高, 则化学侵蚀越重。此外, 该部位正处在第三档托轮前, 烟气温度较高, 正常操作时没有窑皮, 筒体散热较大, 金属筒体受热变形产生椭圆度应力。
综合上述情况, 该部位宜选用荷软温度超过1 600℃、抗碱硫侵蚀、热导率较低且具抗机械应力的耐火砖。
2.3 熔体烧成带 (上过渡带前端)
当窑料温度逐步上升至1300℃, 窑料熔融, 大量熔体进入熔体烧成带 (过渡带前端) 。一些熔体和窑料一起粘结在窑内火砖表面形成窑皮, 但因温度稍低, 所形成的熔体粘度难于将窑料大量挂在火砖表面上, 形成时坍时挂的不稳定窑皮。随着窑料逐步升温, 窑料粘度则越来越适合挂窑皮, 窑皮的厚度也越来越厚, 坍落的次数也越来越少。当窑皮在火砖表面形成均匀的窑皮时, 则进入最高温度烧成带。
熔体烧成带正处在窑的中部, 也就是三档窑中间一档托轮的部位, 该部位烟气温度在1 700℃左右, 窑料温度在1 300℃以上, 一般配置高的荷软温度且抗窑料熔体侵蚀的火砖。一般此类火砖致密且热导率高, 当窑升温时, 筒体升温也较快, 导致筒体膨胀量超过与轮带之间设计预留的间隙量, 造成轮带压迫筒体, 产生永久性变形, 形成椭圆形, 对衬砖产生严重的机械应力。
该部位耐火砖处在高温部位, 不仅承受窑运转时窑料和窑气之间温差形成的热震应力, 还要承受窑皮时涨时坍对火砖造成温差变化产生的热震应力。
该部位正处在火焰高温部位的前端, 少量未完全燃烧的燃料沉积在该部位的窑料上, 随窑旋转埋在高温的窑料内形成缺氧的状况下的不完全燃烧, 易使硫碱化合物分解, 加剧了耐火砖的化学侵蚀和氧化还原作用。
熔体烧成带的耐火砖处在高的烟气、物料温度下, 部分衬体缺少窑皮保护, 此部位衬砖所承受的热机械应力及热化学应力均处在高负荷下, 开发新品种耐火砖及选择耐火砖时应予注意。
2.4 最高温度烧成带 (烧成带)
此部位处在窑的最高温度部位, 火焰温度最高可达2 000℃, 窑料温度从1 350℃至1 400℃以上的熟料形成温度, 由于物料温度高, 形成厚的窑皮以保护耐火砖, 此外, 窑料中97%~99%的碱氯化合物挥发, 碱硫化合物视原燃料中含量、烟气还原状况及温度决定其分解及挥发量。
衬砖内有窑皮保护, 但窑皮是随原料性能和燃料性能及煅烧情况而变化的, 带内衬砖不仅承受窑皮内熔体成分的热化学侵蚀, 还需承受窑皮时坍时垮引起的热震应力, 烧成带由于有窑皮保护, 在温度作用下, 窑皮中的熔体成分渗入到耐火砖孔隙内, 与火砖成分作用, 生成新的化合物, 这些化合物的熔融温度低, 且体积膨胀, 易使火砖损坏, 总的来说带内耐火砖所承受的应力低于两端耐火砖所承受的应力。但在煅烧时, 为将一些窑料中的不易磨细且不易煅烧的Si O2与C2S结合生成C3S, 往往增加烧成温度。此举易造成该部位高温, 促使衬砖承受的热机械、热化学应力大幅增加, 衬砖使用寿命大幅降低。但不论出现何种工况条件, 烧成带部位火砖必须具备强的挂窑皮和抗热熔融熟料的热化学、热机械应力性能。
2.5 冷却带 (下过渡带)
此带熟料冷却固化, 离窑进入冷却机。冷却带的工况变化较大, 尚未完全冷却的熟料熔体对衬体产生热化学侵蚀。若熟料内碱硫成分及氧化镁含量较高, 在合适的温度下形成的窑皮致密、热导率高, 易使筒体温度过高变形, 对衬砖产生较大的椭圆度变形应力。若熟料内粉尘含量较高且随二次空气返回窑内, 易对衬体产生磨蚀。若冷却带部位没有窑皮保护, 则熟料对衬砖的磨蚀尤为严重。综上所述, 带内衬砖除承受高温气流及熟料热应力外, 更多地承受高温含尘气流和熟料固化后的磨蚀以及熟料中的熔体及硫碱化合物熔体的侵蚀, 此处还有高温筒体变形带来的椭圆度应力。
在生产时, 若将燃烧器端面设置在窑口, 当燃烧器变形向下弯曲时, 未完全燃烧的煤粉易沉积在熟料面上, 煤粉燃烧将进一步提高熟料表面温度, 使窑口结圈 (俗称窑口圈) , 影响通风, 进一步加重窑内还原气氛, 影响生产及对窑内衬砖产生化学侵蚀。
冷却带处在窑筒体的最低部位, 为防止窑内火砖在运行中下滑, 在前端设置挡砖圈。预分解窑转速高, 相应增大挡砖圈及其部位衬体的机械应力, 此外冷却带正处在窑口, 筒体受热易变形, 对衬体产生椭圆应力。再加上该部位处在第一档轮带部位, 易形成筒体椭圆应力。综上所述, 冷却带耐火砖是回转窑内衬砖承受热应力、热化学侵蚀、热机械应力最高的部位, 也是衬体损坏最为严重的部位。
3 回转窑耐火砖综合受力情况
回转窑内耐火砖承受的应力与入窑生料和燃料的性能有关, 也与生产操作有关。表1反映了窑内各带耐火砖承受的热应力、热化学侵蚀、热机械应力情况, 其程度视各生产线原燃料性能及工艺装备及操作而定。
必须指出, 回转窑内高温部位所结窑皮的性能是随其原燃料性能差别及所在部位温度高低而不一致。如含Mg O、SO2、R2O较高的窑皮, 其熔体表面张力、粘度及其所生成窑皮的容重、热导率也随原燃料成分及温度变化而变化。总之, 此类窑皮的容重高、热导率高, 所在部位筒体温度高, 易造成筒体椭圆形变, 从而增大筒内衬砖的机械应力。此外, 由于窑料中碱、硫成分易对衬砖产生化学侵蚀, 此类原燃料衬体所承受的热化学、热机械应力一般较高。
4 回转窑耐火砖应力变化情况
4.1 窑内衬体总体受力状况
国外某耐火材料公司曾对所承接的耐火衬料生产线做了调查, 其结果见图2。
回转窑内上、下过渡带和烧成带的衬砖是预分解窑内热应力、机械应力和化学侵蚀最为严重的部位, 也是碱性耐火材料砌筑的部位。从调查的结果来看, 碱性衬料损坏最严重的部位是冷却带 (过渡带) 的窑门部位, 占应力总量的42%, 其次是过渡带 (上过渡带后端) 轮带部位下的衬料, 为22%, 而该部位筒体椭圆度变形产生的机械应力高达14%, 而最高温度烧成带衬料有窑皮保护, 应力仅占19%, 熔体烧成带上过渡带前端约15%。衬料承受应力百分数反映出衬料的损坏情况, 必须按衬料承受应力作用情况来开发和选用材质, 才能在生产中得到较长的使用寿命。
4.2 窑内衬体承受应力的时间变化
回转窑内衬料所受的应力主要是热应力、化学侵蚀、机械应力综合的结果, 水泥生产技术的进展也反应出衬砖应力损坏的变化 (见图3) 。图3是西欧1963~1996年预热器、预分解窑内衬砖遭受各种应力的情况。从图3来看, 上世纪60年代预热器窑的燃料主要为燃油, 窑径较大, 干法均化链技术尚待完善, 因而机械应力、过热、热震以及窑料熔体渗透等对衬砖的损坏是主要因素。上世纪70年代预分解窑出现后, 窑筒体直径有较大下降, 热应力强度下降更多, 均化技术有所进展, 因而机械应力、过热、热震均有所下降, 盐的化学侵蚀和窑料熔体渗透增加。80年代燃煤逐步取代燃油及均化技术的进一步发展, 燃煤内灰分带来的硫钾化合物的化学侵蚀增加, 灰分造成窑料熔体对衬砖的损坏己成为衬砖损坏的主要因素。90年代键槽轮带技术、均化链技术的进一步完善, 工业废料作为代用燃料应用的增加, 盐蚀和窑料熔体的过热损坏已成为衬砖损坏的主要原因。
4.3 窑内衬体损坏的应力情况
2008年德国Refra耐火技术公司对公司从1999~2007年期间提供耐火衬料的水泥窑进行调查, 对1000台以上的预分解窑、预热器窑的耐火材料损坏情况分析的结果为:化学侵蚀、热化学侵蚀和盐蚀对火砖的损坏为59%、机械应力损坏10%、热机械损坏11%、热损坏13%、其他7% (见图4) 。上述损坏情况表明, 大量使用工业废物和石油焦作水泥工业的原燃料, 使碱、氯、硫等有害的化合物大量增加, 窑内火砖的化学应力大量增加, 从上世纪90年代前期的40%左右, 提高至21世纪初的接近60%。这对窑内火砖品种的开发提出了新的课题。
4.4 我国预分解窑衬体损坏大致情况
国内尚无大型水泥企业和耐火材料公司提供有关我国预分解窑耐火材料损坏应力情况的综合分析资料。奥地利奥镁 (RHI) 耐火材料公司对其供应中国 (不同时期的大型预分解窑生产线, 现主要为4000t/d级以上规模) 的产品进行了衬砖损坏的应力分析, 其中的热机械、机械应力造成的损坏量超过50%, 而国际上统计的数值仅为21%, 见图4 (若Refra公司将供中国产品计算在内, 则国际上的机械应力统计值还得下降) 。耐火衬砖的损坏客观反映了我国预分解窑的工艺、装备技术、装备制造质量及生产管理中存在的问题。只有综合解决上述问题, 才能提高耐火材料的使用寿命, 减少砖耗。
5 红外测试、数值模拟、3D成像在回转窑上应用
上世纪70年代以来, 红外测试在回转窑筒体得以大量应用, 通过温度测试, 提供窑筒体数据, 从而保护窑筒体不因温度过高变形。此类装备已在窑上大量应用。
上世纪90年代以来, 随着数值模拟技术进展, 此项技术已大量在回转窑上应用, 对一些关键部位的应力进行计算, 从而提出解决措施, 如窑头挡砖圈型式、托轮下应力测试, 通过数值模拟, 现已对托轮部位筒体变形产生的机械应力进行生产连续监控, 从而进行调节, 以减缓机械应力。
进入21世纪, 随着3D技术发展, 对回转窑生产过程中窑皮的厚度可以用图像表达, 便于生产控制调节, 十分有利于窑的长期控制。
6 减缓应力的措施
减缓热机械应力和热化学应力对衬砖的损坏应从如下方面解决:
(1) 提高回转窑筒体、轮带、托轮及轮带下垫板等部位的制造及安装质量。尽量保持筒体的纵向直线及减缓筒体变形产生的机械应力。
(2) 开展键槽轮带的二支承窑的研究, 减缓回转窑纵向变形和轮带下椭圆度变形产生的机械应力。
(3) 开展窑筒体前端的筒体型式及挡砖圈形状的研究, 减缓该部位衬砖承受的机械应力。
(4) 正确分析各台窑所使用的原燃料对窑内各带衬砖所承受的热、热化学、热机械应力, 开发适用上述应力的衬料, 并进行合理配置。
(5) 施工时应注意干砌时合理设置砖缝, 湿砌时在砖缝内充填火泥, 减缓衬砖在运行时产生的缝隙过紧或过宽导致的挤压和掉砖事故。
(6) 生产操作时做好原燃料均化, 配置合适熟料率值的生料, 尽量做到入窑燃料的成分及其数量的均匀, 控制好火焰形状及温度, 尽量减少筒体温度过高的红窑掉砖事故及筒体温度过高产生的筒体变形。窑皮坍垮造成对衬砖的热震, 以及大块熟料和大晶格粉尘熟料对衬砖的磨蚀等。
(7) 尽量减少有害的碱氯硫化合物随原燃料带入窑内, 生产中尽量避免窑内出现还原气氛, 确保燃料的燃烧。
7结语
预分解窑内衬砖损坏是热、热化学、热机械的综合应力造成的, 各条生产线因原燃料性能和生产工艺装置控制有差别, 对其窑内各带产生的应力及其程度也不尽一致。结合各条生产线的实践, 开发适合各种应力的耐火材料产品, 合理地进行配置、施工及设置红外测试、3D成像等装置来进行生产控制, 必将提高预分解窑内衬料的使用寿命, 提高窑的运转率。
参考文献
[1]陈友德, 武晓萍编著.水泥预分解窑工艺与耐火材料技术[M].北京:化学工业出版社, 2011.