面向新世纪的水泥燃料燃烧技术和装备

面向新世纪的水泥工业必须实施可持续发展战略。水泥工业实施可持续发展战略，决不仅仅限于保护环境，更重要的是节约能源、节约资源，决不能等到21世纪中叶能源、资源匮乏时再来研究。除少数新型干法线外，从整体上讲目前我国水泥工业能耗高、效率低、污染严重，违背了可持续发展战略。因此，面向新世纪的水泥工业既充满了发展机遇，又面临着严重的挑战。1水泥燃料燃烧技术和装备的现状、差距及对策新型干法密通常指旋风预热器容、立筒预热器窑及预分解窑。我国的立筒窑有270余台，只有青海、武山能力大一点，其余多为小型（多数为泾阳窑）；旋风预热器窑近60台，较大的仅为日产1000t的Ф4m X 60X和Ф3.5m X 88m窑，其余多为300－600t／d生产线；预分解窑近120台，除几条360t／d.500t／d外其余均为700t／d、1000t／d、2000t／d及其以上生产线。从煤粉燃烧器方面看，除成套引进及80年代以来后期建设的国产大型生产线状况较好外，中、小型生产线大部分使用陈旧的单通道燃烧器，一次风量达20％－30％，燃料燃烧也不完全；另有相当一部分使用老式三通道燃烧器，其一次风量达15％左右，而且易变形、磨损快，不利于窑的安全运转；只有少数厂采用了双通道燃烧器，其效果在单通道和老式三通道之间。至于利用可燃废料替代煤来极烧熟料，我国还处在试验阶段，而国外如瑞士1994年就回收利用二次燃料达水泥生产总热耗的20％，2010年计划有2－3个水泥厂实现100％采用二次燃料，完全不用煤来烧熟料，这不仅可节约资源，而且水泥窑还将成为治理可燃废料的理想设备。对周围环境及居民区达到零污染水平，从而被环保界誉为“清洁生产”、“绿色工厂”，使发达国家中处于“夕阳工业”的水泥企业又有了“朝阳工业的属性，受到了人们的青睐。 　　众所周知，燃烧器是将煤粉和空气的混合物喷入回转窑内，在高温下点着并燃烧，以锻烧水泥熟料的装置。为了提高熟料的产、质量，并利于回转窑的安全运转，燃烧器形成的火焰形状要易于调整，要能形成良好的窑皮，要利于煤粉的完全燃烧，并且不损害轮带、窑头护板等机械部件的寿命。 　　端部要耐热耐磨，有一定的使用寿命。从热工上讲，最有利的是高温短火焰，以降低能耗，改善熟料和水泥的性能。因为高温的快速煅烧能减小C3S的颗粒尺寸，提高熟料的活性。 　　短火焰又能提高出窑熟料的温度以利于熟料的快速冷却，提高熟料的活性和二次风温度。当然这也受到窑衬、窑口等材质的限制。 　　在熟料产质量漩密安全运转燃烧器使用寿命能保证的前提下，对燃烧器的性能评价必须强调其是否节能。正如不能认为装了悬浮预热器及分解炉、窑尾加了一把火就是新型干法生产一样，也不能认为燃烧器有了三通道、四通道而一次风量仍然超过理论燃烧空气量的10％就统统是先进的燃烧器。 　　节能型燃烧器应采用高浓度燃烧技术，减少一次风，提高煤粉浓度，减少温度较低的一次空气吸热量，充分利用高温的二次风，以达到降低煤粉着火所需热量的目的：煤粉着火热计算公式：QZh=（Cr+V1Ck）（Tzh－T0）其中：QZh为着火热，Cr、Ck分别为煤粉、空气比热Tzh、T0为着火温度及初始温度V1为一次风量Nm3／kg燃料很显然V1降低，煤粉着火热下降，煤粉越易着火。下面举三个实例，看看燃烧技术上的差距及实施可持续发展战略的紧迫性：某厂Ф3.5m预热器容用单通道燃烧器，配用一次风机风量达17500m3／h，电机功率132kw，比采用节能型燃烧器一年多烧煤约3200t，一年多耗电30万kwh.某厂日产2000tNSP窑，引进了双通道燃烧器，一次风机风量达9700m3／h，电机功率75kw，比采用节能型燃烧器一年多烧煤约1550t，一年多耗电22万kwh.即便是80年代成套引进的某日产4000tNSP窑（三通道燃烧器也引进），其设计的输送煤粉空气就占理论空气量的7。7％，而内外流风占理论空气量的9.7％，即一次风量占理论空气量的17.4％，现在节能型燃烧器一次风量（包括煤风在内）仅占理论空气量的8％以下，这样该NSP窑原配置的三通道燃烧器一年将多耗煤2500余t.以上是新型干法窑中的典型例子，全国还有大量的湿法窑、余热发电窑。中空窑仍然使用单通道燃烧器，比用节能型燃饶器一年多耗的煤量就更可观了。 　　节能降耗对每个水泥企业来讲是降低成本的重要途径，实际上也是实施可持续发展战略的要求。因此用节能型燃烧器来更换耗能型燃烧器（单通道、双通道及老式三通道燃烧器、个别的四通道燃烧器）已是当务之急。同时它也将为高温煅烧三高率值的熟料，提高熟料质量创造条件。目前国内有几类三通道，四通道燃烧器，其中性能并非都是节能型的，而且也不是通道越多越节能。节能型燃烧器能使煤粉用最少的一次风量，用更多的高温二次风进行燃烧。国内三台日产2000t NSP窑，其燃烧器均是从国外引进的三通道燃烧器，但是一次风机风量相差很大，分别为7200m3／h，5685m3／h，3000m3／h，一次风量大的是风量小的2.4倍，年多耗实物煤1400余t，显然前者是耗能型服烧器。2高度重视燃料燃烧系统工程的完善连续、稳定、准确地喂煤是稳定窑的热工制度，降低热耗，提高熟料产、质量，实现安全运转的一个关键因素，其喂煤量的调节要方便灵活，设定值给定后，又能自动定量控制。由于煤粉干燥，细度小，通常流动性较好，会冲料，也会结露、起供。因而不少企业的煤粉喂料计量系统不尽如人意。即便是新型干法窑其煤粉的喂料、计量控制状况相互间也是良莠不齐、差别很大。立筒窑基本上很少设计量控制，仅有调速的双管或单管螺旋喂料机，早期的预热器容、预分解窑也与此相似，后建的相当多的中小型预热器窑、预分解窑采用冲量流量计计量控制，部分大、中型预分解窑采用溜槽式流量计，还有部分大中型预分解赛采用了转子秤、科里奥里喂煤计量系统，相当一部分采用的则是环状天平型计量供给系统。 　　实践证明，燃料燃烧决不仅仅是燃烧器问题，喂煤计量控制也不仅仅是一台流量计问题，燃料燃烧是包括燃烧器、煤粉喂料计量控制、煤粉输送在内的系统工程，节能型燃烧器只有配上合适的喂煤、计量控制及输送，才能充分发挥其效能。 　　首先要解决喂煤的稳定性，除了喂料机要有较高精度，煤粉要充满以外，其煤粉仓的设计要给以足够的重观。如果煤粉仓的流动问题解决不好（如涌料、结拱堵塞），那么喂料机的稳定均匀喂料是难以实现的。1）煤粉仓锥部倾角要大于煤粉的休止角，并尽可能加大，使仓内煤粉卸出时呈整体流动，而不是中心流动；2）煤煤仓要有一定的仓容，仓快空时易冲料，最好是设计成传感仓，将仓内的煤粉维持在一定的仓位上；3）仓底卸料口不仅要考虑喂料机的输送能力，还应从防止结拱考虑，要增大卸料口尺寸。 　　煤粉质量也必须稳定，煤质波动较大时必须设置原煤预均化。 　　为了确保计量精度，喂料、计量系统内必须消除煤粉输送系统返风造成的正压，否则返风将使计量不准，喂煤也不稳定，这就要在恰当部位设置放风管，并注意维持压力的平衡。 　　煤粉的输送通常有文丘里管输送、简易螺旋泵输送、F－K富勒泵输送三种。文丘里管输送通常在不设计量，依然采用单通道燃饶器的中小型预热器窑，预分解窑上使用，它虽然也可与三通道燃烧器配套，但常因系统返风解决不好，难以使冲量流量计计量准确，喂煤也不易稳定，因此今后在完善燃料燃烧这一系统工程时以不用为宜。简易螺旋泵密封性较差，故障较多，虽价格便宜，从提高输送系统可靠性考虑，也以不用为宜。F－K富勒泵是用引进技术国内制造的，虽然价格较贵，但从确保喂煤计量的准确、提高输送的可靠性等方面考虑，应该是首选的输送设备。另一方向，煤粉的输送方式要利于应用煤粉高浓度燃烧技术，以采用节能型燃烧器，由于文丘里管只适宜煤粉低浓度的稀相输送，因而在赛规格较大烧煤量较大时不能采用节能型燃烧器，而F－K泵能适应煤粉高浓度输送，在烧煤量较大时仍能与HP节能型燃烧器配套。 　　总之，在新世纪到来之际，提高喂煤计量控制。煤粉输送的档次，已摆在大多数水泥企业面前，我们要引起足够重视，要舍得花本钱，使节能型燃烧器有用武之地，以使回转窑优质、高产、低耗、长期安全运转跃上一个新的台阶。3大力推广利用地方燃料资源的新型燃烧技术和装备在水泥回转窑上充分利用低挥发份煤、无烟煤等地方燃料资源，它不仅能降低回转窑水泥企业的工厂成本，大幅度提高这些企业的经济效益，而且能使缺乏烟煤但盛产无烟煤、低挥发份煤省区解决制约回转窑水泥发展的燃料问题，既充分利用了地方燃料资源，符合可持续发展战略的要求，又利于这些资源丰富的省区改变立窑水泥多、旋窑水泥少的结构失调现状，加快水泥工业的结构调整。 　　国外公司从80年代就着手开发回转窑用无烟煤、低挥发份煤煤烧熟料的技术和装备，并应用于世界上缺乏烟煤的朝鲜、西班牙等国家。国内90年代中期引进外国公司烧100％无烟煤的技术和装备，首先在福建龙岩三德水泥有限公司日产2000t新型干法生产线取得突破，后又在福建岩城水泥集团日产600t五级预热器窑生产线取得成功，后者的烧成系统仅引进了窑头多通道燃烧器，其余窑尾五级预热器系统、回转窑、单冷机均为国产设备。目前在缺乏烟煤而盛产无烟煤的省区，还有多条采用无烟煤作燃料锻烧熟料的回转窑生产线正在建设之中，可以讲无烟煤低烧回转窑水泥熟料己成为一股最新潮流。 　　回转窑利用无烟煤服烧水泥熟料，需要一整套新型燃烧技术和装备，以适应无烟煤着火温度高，燃烧速度慢，燃烬时间长的特点。首先要严格控制人窑、入炉煤粉细度。根据国内外经验，通常入窑的细度≤5％，入炉≤3％（均为4900孔筛余），新设计的厂可以配置专用的无烟煤细磨机，也可采取二级选粉加细粉分离和收尘器的流程，获取入窑、入炉二种不同细度的煤粉；己建成又需改烧无烟煤的厂，可采用后一种流程，也可用动态选粉机更换粗粉分离器，更便于控制煤粉细度。第二，要有高效冷却机，以确保高温度的二、三次风。新建厂可配置控制流篦冷机。岩城集团配置合肥院开发的高效单冷机，二次风温可达850℃以上。老厂可用控制流技术改造现有蓖冷机，或对其单冷机进行改造。第三，要有适宜烧无烟煤的窑用燃烧器。该燃烧器除了是节能型以外（即采用高浓度燃烧技术），还必须采用大速差原理，它能在燃烧器出口区域造成负压回流区，将窑内己着火的高温烟气及高温二次风卷吸到燃烧器喷口，与温度低的一次风和煤粉混合，由于老式三通道及个别四通道燃烧器没有采用大速差原理，因而不可能形成燃烧烟气再循环，不能胜任烧无烟煤。第四，对于NSP窑来讲必须配置适宜烧无烟煤的分解炉。通常这种分解炉是离线式或半离线式的，它有较高的操作温度，煤粉较长的滞留时间，煤粉初始燃烧区有较高的氧含量。国内外的实践表明，离线式的流态化分解炉、喷腾管道分解炉、KHD公司向福建三德提供的带Pyrotop的pyroclon管道分解炉，半离线式的日本小野田公司向越南清风海防提供的RSP分解炉、伯力鸠斯公司的Prepol－As－Co分解炉、FLC公司的SLC－D型分解炉均适宜烧无烟煤。最后一点，即需设置点火助燃系统，用于开窑点火，或临时停窑恢复生产的时候。 　　综上所述，面向新世纪的水泥燃料燃烧技术和装备，必将是符合可持续发展战略的，即必将是节能型、环保型。资源利用型的。为造福子孙后代，我们水泥工作者应努力为此作出我们应有的贡献。