旁路放風(fēng)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)資料

旁路放風(fēng)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院張程彭一凡胡恒陽(yáng)摘要：使用氯、硫、堿含量高的原料和燃料，將使系統(tǒng)較易發(fā)生結(jié)皮和堵塞等故障。旁路防風(fēng)（通過(guò)技術(shù)手段將窯尾煙室至分解爐上升煙道的氣體放出一部分）可有效緩解由于原料、燃料氯和硫偏高而引起的結(jié)皮問(wèn)題。本文將以一實(shí)例說(shuō)明旁路放風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算，流程及主要設(shè)備。關(guān)鍵詞：旁路放風(fēng)氯、硫、堿含量循環(huán)富集模型生料有害成分臨界濃度引言在預(yù)分解窯系統(tǒng)中，原燃料成分對(duì)系統(tǒng)的影響較大。使用氯、硫、堿含量高的原料和燃料，將使系統(tǒng)較易發(fā)生結(jié)皮和堵塞等故障。最容易發(fā)生結(jié)皮、堵塞的部位是在窯尾煙室、下料斜坡、縮口及最下一級(jí)旋風(fēng)筒的錐體、最下兩級(jí)旋風(fēng)筒的下料管等部位。隨著環(huán)保要求的提高和燃料的日益緊張，預(yù)分解系統(tǒng)本身所具有的處理廢棄物、二次燃料的優(yōu)點(diǎn)也隨之得到發(fā)展。但廢棄物、低質(zhì)燃料所含的氯和硫都偏高，這就給我們新的課題，即如何使預(yù)分解系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，預(yù)防結(jié)皮和堵塞。旁路防風(fēng)（通過(guò)技術(shù)手段將窯尾煙室至分解爐上升煙道的氣體放出一部分）可有效緩解由于原料、燃料氯和硫偏高而引起的結(jié)皮問(wèn)題。本文將以一實(shí)例說(shuō)明旁路放風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算，流程及主要設(shè)備。1．結(jié)皮機(jī)理造成固體顆粒粘結(jié)在煅燒裝置的內(nèi)壁而形成結(jié)皮的原因，中外學(xué)者都有研究。比較一致的看法是，由于在窯尾和預(yù)熱器內(nèi)的結(jié)皮中硫酸鹽和氯鹽的含量都很高，而在硫酸鉀、硫酸鈣和氯化鉀多組分系統(tǒng)中，最低熔點(diǎn)溫度為650~700℃，因此窯氣中的硫酸鹽和氯化鉀凝聚時(shí)，會(huì)以熔態(tài)的形式沉降下來(lái)，并與入窯物料和窯內(nèi)粉塵一起構(gòu)成黏聚性物質(zhì)。而這種在生料顆粒上形成的液相物質(zhì)薄膜，會(huì)阻礙結(jié)皮的主要礦物成分，一般認(rèn)為是由于大量的粉塵循環(huán)和硫酸鹽、氯化物的富集而生成的一種灰硅鈣石。分子式為Ca5(SiO4)2CO3，結(jié)構(gòu)式為2C2S.CaO.CaCO3。氯鹽被認(rèn)為是灰硅鈣石形成的礦化劑。美國(guó)波特蘭水泥協(xié)會(huì)（PCA）曾做過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，用四種成分不同的窯灰加入到生料中，其摻合比為窯灰15%，生料85%，在同樣的條件下加熱，結(jié)果只有一個(gè)樣本有灰硅鈣石的形成。該樣本的窯灰含氯高，為6.24%。該試驗(yàn)在一定程度上支持了氯鹽是灰硅鈣石形成的礦化劑的觀點(diǎn)。[1]2．預(yù)分解窯的旁路放風(fēng)系統(tǒng)為解決氯、硫、堿的循環(huán)富集所造成的結(jié)皮堵塞，首先應(yīng)注重原燃料的選用。當(dāng)原燃料資源受到限制，有害成分超過(guò)允許限度時(shí)，必須在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中采取相應(yīng)的預(yù)防措施。國(guó)外部分公司對(duì)生料中氯、硫、堿的允許含量見(jiàn)下表，超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采取旁路放風(fēng)措施。表一國(guó)外部分公司對(duì)生料有害成分含量規(guī)定[1]公司R2O（%）Cl-（%）S（%）硫堿比丹麥?zhǔn)访芩?lt;1.0<0.015<1德國(guó)洪堡<1.0<0.015<=3德國(guó)伯力休斯<1.2<0.01<1.3日本川崎<1.5<0.02日本三菱<1.5<0.015英國(guó)藍(lán)圈<1.0<0.022羅馬尼亞<1.0<0.0150.8法國(guó)拉法基<0.015<1旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)如下：如果設(shè)計(jì)的旁路放風(fēng)量為B，k為有害成分的循環(huán)富集系數(shù)，f1,f2為燃料中的有害成分與灼燒生料有害成分的比值，e1和e2為有害成分的揮發(fā)系數(shù)，則可用循環(huán)富集模型來(lái)描述有害成分的循環(huán)富集過(guò)程。圖一循環(huán)富集模型11RawMaterialsPreheater+RawMill+EPCalcinerKilnClinkerFuelintokilnFuelintocalcinerBy-passgasExhaustgaskf1f2e1×k(1-e1)×ke2×(1-e1)×k(1-e2)×(1-e1)×k[e2×(1-e1)×k+f2]×B[e2×(1-e1)×k+f2]×(1-B)+e1×k+f1{[e2×(1-e1)×k+f2]×(1-B)+e1×k+f1}×V該系統(tǒng)表明:生料流程從右至左，如果進(jìn)入系統(tǒng)的灼燒生料的有害成分為單位1，在預(yù)熱器、生料磨、電收塵器中有害成分循環(huán)富集到生料中，揮發(fā)系數(shù)為k，則進(jìn)入分解爐的有害成分為k。在分解爐中，有e1×k的有害成分揮發(fā)，剩余k-e1×k，燃料帶入廢氣的有害成分為f1。進(jìn)入窯的生料的有害成分為k-e1×k，揮發(fā)系數(shù)為e2，則有e2×(1-e1)×k的有害成分揮發(fā)，熟料中的有害成分殘余為(1-e2)×(1-e1)×k，燃料帶入廢氣的有害成分為f2。廢氣流程從左到右，窯氣中的有害成分為e2×(1-e1)×k+f2，如果旁路放風(fēng)量為B，則放出的有害成分為[e2×(1-e1)×k+f2]×B，殘余[e2×(1-e1)×k+f2]×（1-B）。在分解爐中引入的有害成分為e1×k+f1，則出分解爐的有害成分為[e2×(1-e1)×k+f2]×（1-B）+e1×k+f1。進(jìn)入預(yù)熱器、生料磨、電收塵器系統(tǒng)后，大部分有害成分被生料和窯灰吸收，只有系數(shù)為V的有害成分通過(guò)系統(tǒng)排出，廢氣中的有害成分為{[e2×(1-e1)×k+f2]×（1-B）+e1×k+f1}×V。通過(guò)建立進(jìn)出系統(tǒng)的有害成分相等的方程，可得出k值。k=[1+f2×(1-B)×(1-V)+f1×(1-V)]/[1-e2×(1-e1)×(1-B)×(1-V)-e1×(1-V)]V的取值見(jiàn)下表表二V的取值K2ONa2OSO3Cl-預(yù)熱器0.1000.4000.1500.050旋風(fēng)筒0.60.70.550.5生料磨0.60.80.30.7電收塵器0.40.70.450.3V（累計(jì)相乘）0.0140.1570.0110.005關(guān)于e1和e2的取值如下：表三e1,e2的取值K2ONa2OSO3Cle10.10.10.10.5e20.60.40.80.992.1旁路放風(fēng)實(shí)例國(guó)外某4000t/d熟料生產(chǎn)線工程（簡(jiǎn)稱A工程）的原料成分如下表：表四A工程原料成分物料LOISiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3Cl-合計(jì)%石灰石43.101.600.120.0754.500.0200.010.010.120.00599.56粘土6.9067.8516.546.160.340.1200.120.20.470.09398.79鐵礦石0.342.540.1891.641.403.0300.010.020.080.00999.25原料配比為石灰石：78.8%，粘土：19.18%，鐵礦石：2.02%。由此計(jì)算得到的生料和熟料成分如下：表五A工程生、熟料成分物料LOISiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3Cl-生料35.2914.333.273.0943.040.1000.03110.04660.18630.0220熟料22.145.054.7766.520.1540.04810.07210.28800.0339由此可見(jiàn)，生料的R2O含量為0.0777%,在允許的范圍內(nèi)，但氯含量為0.022%，大于上限值，應(yīng)設(shè)置旁路放風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)以重油作燃料，重油中SO3的含量為7%。窯、爐的燃料比為4：6。根據(jù)A工程系統(tǒng)熱平衡，理論上每增加1%放風(fēng)量增加的熱耗為10.9kJ/kg.cl，經(jīng)計(jì)算，f1、f2值如下。表六A工程f1,f2取值K2ONa2OSO3Cl-f1001.0380f2000.6920旁路放風(fēng)B=10%時(shí)，k值、進(jìn)入分解爐的生料和進(jìn)入窯的生料、熟料中有害成分殘余如下表所示。表七A工程B=10%時(shí)生熟料有害成分殘余B=10%K2ONa2OSO3Cl-Na2O_(Eq)k2.371.5610.1516.82進(jìn)入窯的生料0.100.102.630.290.168進(jìn)入分解爐的生料0.0740.0731.8920.3690.121熟料中殘余0.0410.0610.530.0030.088旁路放風(fēng)B=20%時(shí)，k值、進(jìn)入分解爐的生料和進(jìn)入窯的生料、熟料中有害成分殘余如下表。表八A工程B=20%時(shí)生熟料有害成分殘余B=20%K2ONa2OSO3Cl-Na2O_(Eq)k2.101.493.029.20進(jìn)入窯的生料0.060.060.590.090.104進(jìn)入分解爐的生料0.0470.0440.4270.1240.075熟料中殘余0.0260.0370.120.0010.054與進(jìn)入窯、爐生料中有害成分允許范圍比較，可以看出，10%的旁路放風(fēng)量基本可以保證進(jìn)入窯、爐生料的有害成分在允許的范圍內(nèi)。表九生料有害成分臨界濃度SO3Cl-Na2O_(Eq)有害成分臨界濃度%2.50.82.5最大允許濃度%5.02.04.0因此，10%的旁路放風(fēng)對(duì)該系統(tǒng)基本適用。但考慮到該系統(tǒng)以后需要燃燒石油焦等高硫燃料，設(shè)計(jì)時(shí)考慮最大放風(fēng)量20%。通過(guò)旁路放風(fēng)后熟料有害成分與旁路放風(fēng)前熟料成分比較可看出，在10%旁路放風(fēng)下，堿由0.1202降低到0.102，氯由0.0339降低到0.003，而硫卻由0.288增加到0.53；在20%旁路放風(fēng)下，堿由0.1202降低到0.063，氯由0.0339降低到0.001，硫由0.288降到0.12。10%旁路放風(fēng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氯效果明顯，超過(guò)10%后，由于氯已經(jīng)很低，因此效果增加得不明顯。對(duì)于堿，由于原料中本身含量較低，因此效果一般。對(duì)于硫，在10%放風(fēng)時(shí)反而升高了，在20%的放風(fēng)時(shí)含量才有明顯的降低，一方面是由于表五中未考慮重油中的硫含量，另一方面，降低硫需要更多的放風(fēng)量。2.2旁路放風(fēng)抽氣點(diǎn)及急冷室旁路放風(fēng)設(shè)施應(yīng)設(shè)置在氣流中粉塵濃度最小的部位，否則隨著粉塵濃度的增加，在要求揮發(fā)組分沉降量不變的情況下，沉降的粉塵量增加。旁路放風(fēng)的抽氣點(diǎn)以窯尾煙室上部為宜。在放風(fēng)量25%以下時(shí)，抽氣點(diǎn)的位置在靠窯一側(cè)的煙室上部。A工程（放風(fēng)量20%）生產(chǎn)線抽氣點(diǎn)位置也在靠窯一側(cè)的煙室上部，如下圖所示。圖二放風(fēng)點(diǎn)位置示意在取氣點(diǎn)應(yīng)設(shè)置急冷室(quenchingchamber),以冷風(fēng)作為冷卻介質(zhì)，急冷室的設(shè)計(jì)應(yīng)保證能將抽取的~1100℃的熱氣體驟冷至450℃或更低，以利于下步處理。圖三抽吸管式急冷室[2]A工程的急冷室相對(duì)較簡(jiǎn)單，由冷風(fēng)進(jìn)口，熱風(fēng)進(jìn)口，混合風(fēng)出口及室體組成，基本原理是，冷風(fēng)以蝸旋方式與熱風(fēng)充分混合，通過(guò)出口排出。急冷室及熱風(fēng)管應(yīng)澆上耐火澆注料。下面是A工程的急冷室詳圖。圖四A工程急冷室2.3旁路放風(fēng)流程旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程，一般有4種形式：帶旋風(fēng)收塵器及旁路氣體返回主氣流的旁路系統(tǒng)。適用于有害成分含量不高時(shí)采用。旁路氣體從抽氣點(diǎn)抽出，摻入冷風(fēng)后，通過(guò)旋風(fēng)收塵器將含堿粉塵分離。經(jīng)過(guò)收塵后的氣體再?gòu)腃1筒的進(jìn)風(fēng)管道與主氣流匯合后進(jìn)入C1。帶旋風(fēng)收塵器及單獨(dú)用于旁路氣體電收塵器的旁路放風(fēng)系統(tǒng)。旁路氣體從抽氣點(diǎn)抽出，摻入冷風(fēng)后，先經(jīng)旋風(fēng)收塵器，再進(jìn)入電收塵器收塵，經(jīng)收塵后的氣體通過(guò)排風(fēng)機(jī)排出。直接由電收塵器收塵的旁路系統(tǒng)。旁路氣體從抽氣點(diǎn)抽出，摻入冷風(fēng)后，經(jīng)過(guò)增濕塔進(jìn)入電收塵器收塵。直接由袋收塵器收塵的旁路系統(tǒng)。旁路氣體從抽氣點(diǎn)抽出，摻入冷風(fēng)后，直接進(jìn)入袋收塵的旁路系統(tǒng)。[1]由于流程3和流程4比較簡(jiǎn)單，因此運(yùn)用較多。A工程的流程如下：圖五A工程旁路放風(fēng)流程可看出A工程運(yùn)用了流程4。切斷閥1的作用在于，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或不需要旁路時(shí)切斷旁路氣體。正常情況下，冷卻風(fēng)機(jī)1運(yùn)行，冷卻風(fēng)機(jī)2為備用風(fēng)機(jī)。抽出的旁路氣體與冷風(fēng)混合，降低到200℃左右，進(jìn)入袋收塵器。由兩個(gè)自控回路來(lái)控制系統(tǒng)，進(jìn)收塵器的溫度由冷卻風(fēng)機(jī)控制，而放風(fēng)量由排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或入閥門開(kāi)度控制。收塵器收下的窯灰進(jìn)入窯灰倉(cāng)，窯灰可丟棄或作為混合材摻入水泥。該系統(tǒng)的主機(jī)設(shè)備如下表（4000t/d，最大20%放風(fēng)量）。表十A工程旁路放風(fēng)主機(jī)設(shè)備表序號(hào)設(shè)備名稱規(guī)格臺(tái)數(shù)1冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量：175000m3/h壓力：1500Pa功率：110kW22袋收塵器能力：290000m3/h入口氣體溫度≤200℃，最大:入口含塵濃度：＜150g/Nm3出口含塵濃度：＜30mg/Nm313排風(fēng)機(jī)風(fēng)量：313000m3全壓：-3800Pa功率：500kW（變頻調(diào)速）1三．結(jié)論旁路放風(fēng)對(duì)于防止預(yù)熱器系統(tǒng)的結(jié)皮和堵塞有比較明顯的作用，但旁路放風(fēng)要損失部分熱值，增加系統(tǒng)熱耗，因此旁路放風(fēng)量并不是越多越好，需要通過(guò)計(jì)算確定。因此首先應(yīng)研究原燃材料成分，根據(jù)原料成分中堿、氯、硫的含量確定是否采用旁路放風(fēng)。放風(fēng)量的計(jì)算應(yīng)根據(jù)循環(huán)富集模型來(lái)進(jìn)行。其次應(yīng)根據(jù)情況選擇工藝流程，確定放風(fēng)點(diǎn)位置，進(jìn)行設(shè)備選型。當(dāng)然，即使設(shè)置了旁路放風(fēng)系統(tǒng)，也并不是就能徹底杜絕結(jié)皮和堵塞現(xiàn)象。對(duì)窯和預(yù)熱器要精心操作，使各部份的溫度、壓力穩(wěn)定及喂料