預分解窯系統運行狀態的診斷

2014-06-27 05:53:16齊硯勇

四川水泥 2014年5期

齊硯勇

（西南科技大學材料科學與工程學院，四川綿陽 621010）

預分解窯是當今水泥行業最先進的生產工藝。投入運行的生產線，產量、能耗卻是千差萬別。由于水泥熟料的燒成涉及化學反應與擴散；涉及流體、燃燒、傳熱、流動，任何一個過程、單元都極其復雜。對原材料的分析檢驗不全面，僅有元素分析。分析結果不及時，不能及時應對指導熱工參數的調整。現有熱工分析檢測手段基本只涉及溫度、壓力的測量。大多數工藝熱工參數都不能直接獲得。對預分解窯系統的運行狀態不能及時、準確的評估判斷。窯系統的計算機自動控制遠不能令人滿意。

預分解窯工藝由預熱器、分解爐、回轉窯、冷卻機、燃燒器熱工設備子系統組成。每個子系統正常工作，才能為優質、高產、低消耗、低排放打下基礎。利用現有的工藝參數，對各子系統進行合乎實際的分析、判斷顯得及其重要。

1 預熱器的分析與診斷

氣固換熱效率和氣固分離效率高、系統阻力低以及系統密閉性好是一個優秀的旋風預熱系統必須具有的要素。預熱系統由兩部分組成：旋風筒和上下級旋風筒間熱量交換的管道。其中換熱管道的中間部位設有上一級的旋風筒下料管和鎖風閥。鎖風閥保證上一級旋風筒進行分離的生料可以暢通的進入到下一級換熱的換熱管道，又防止從下一級旋風筒跑出的熱氣流直接經過下料管竄入上一級旋風筒造成的氣流“短路”，同時避免已經發生過氣固分離后的生料造成二次飛揚，保證了上一級旋風筒的分離效率不被影響。

1.1 影響預熱器性能的因素

1.1.1 旋風筒內部流動規律

根據以下兩類理想的旋流運動，可得其對應的切向速度分布的表達式。

①強制渦：即渦流內各點有相同的旋轉角速度，就像旋轉的剛體一樣。

而實際流體中的切向速度分布則介于以上二者之間。

1.1.2. 旋風筒壓力分布

在旋風分離器和旋風管分離器中，如果能弄清靜壓和動壓間的關系P和（其中ρ是密度），那么就容易理解分離器內的流場和壓力分布。當忽略流體摩擦時，著名的伯努利方程在穩態流動時的表達式為：

式中，可以看出靜態壓力項和動態壓力項即方程左邊的第后考常常稱為速度頭。上式為兩側除以流體密度后的形式。

這個方程表明，流場中的靜態壓力和動態壓力是可以相互轉換的。在速度高的地方，靜態壓力較低。反之亦然。這是很多流量計的工作原理。例如，皮托管和文丘里管流量計。在處理渦流問題時，認識靜態和動態壓力的相互關系，顯得尤為重要。

當討論氣體旋風分離器和旋風管分離器時，第二項與其他兩項相比，顯得無關緊要了，這是因為流體密度較低，且高度差不是非常大。

圖1 旋風筒流動跡線

圖2 旋風筒內部壓力分布

從圖2可以看出，錐部壓力與旋風筒出口靜壓力相當，且略高一些。

圖3 不同直徑顆粒旋風筒內運動軌跡

圖3 可以看出，小顆粒的粉塵隨氣流從旋風筒出口排出，而大顆粒粉塵碰到邊壁，被收集下來，從錐部卸料口排出。

1.1.3 分離效率與漏風

分離效率η與漏風系數K的關系如圖4所示。可以看出，當K小于2%時，分離效率變化很小，但當K大于2%時，分離效率開始迅速下降，繼而隨K的增加而陡然下降。當K= 4.5%時，降至30%以下。對于預熱器，這是絕對不允許的。因此，無論從系統熱效率還是從分離效果來考慮，旋風筒下料口處的漏風應盡可能控制在2%以下。

圖4 分離效率與漏風系數關系

1.1.4 各級旋風預熱器出口溫度

生料在進入回轉窯之前會先后經過各級旋風預熱器，并且生料會在旋風預熱器內通過熱交換發生部分分解反應，因此，各級旋風預熱器出口溫度表征了各級旋風預熱器的熱交換情況、生料喂料情況和通風情況。所以，可以觀察各級旋風預熱器出口溫度變化的情況，判斷出各級旋風預熱器的下料情況。

正常情況下，各級旋風預熱器出口壓力都為負壓，各級旋風預熱器出口壓力直接反映了各級旋風預熱器內的通風情況，因此，可以通過對各級旋風預熱器出口壓力的變化判斷各級下料管漏風情況、系統漏風與堵塞的情況。

表1 5級懸浮預熱器良好工作時出口溫度及各級出口溫差

實例1：XW2500t/d生產線預熱器的分析與診斷。由圖5及表2可以看出：

（1）C1出口溫度達351℃，說明各級預熱器工作不良，最終導致熱耗偏高。特別是C1～C4旋風筒物料分散不均勻，導致生料與氣體換熱效果不良。

（2）C2出口溫度嚴重偏低，經現場查看，C2測溫點接近下料點，且撒料板工作不良。由圖5可發現C2出口溫度比C1出口溫度還低。

圖5 XW廠預熱器溫度

表2 XW旋風筒出口溫度與溫差

實例2：TR4000t/d 生產線窯尾截圖見圖6，旋風筒出口溫度及負壓見表3。

由圖可以看出：TR窯尾旋風筒存在以下問題： 1級筒下料點撒料板工作不良，料分散不良，2級筒出口溫度長期偏低，熱交換差，導致1級筒出口溫度偏高。具體由圖6及表3可看出：

（1）C1A、C1B錐部壓力均比出口低；

（2）C2A錐部壓力低于出口壓力；

（3）C3B錐部壓力低于出口壓力；

（4）C4A、C5A錐部壓力低于出口壓力；

（5）C5B錐部壓力低于出口壓力：出現錐部壓力低于出口壓力（一般錐部壓力采樣點在錐部出口上部1.5m左右），說明旋風筒分離效率低，由翻板閥漏風或者整體拉風不足所致。

（6）5級筒下料管溫度長期比出口高。可能有兩種原因：a、煤粉燃燒不完全，在5級筒錐部能看到火星。b、5級筒撒料板毀壞，導致4級筒喂入物料撒料不均勻，導致5級出口溫度偏低。

圖6 TR窯尾截圖

表3 2013年3月測得的 TR旋風筒出口溫度、負壓與溫差

實例3：運行狀況優秀的5000t/d生產線的旋風筒溫度與壓力情況見圖7，表4，表5。

圖7 LS 5000t/d 預熱器截圖

表4 LS 旋風筒溫度與溫差

表5 LS 旋風筒溫度、壓力

實例4: 優秀的2500t/d生產線的旋風筒溫度，壓力分布狀況，見圖8及表6。

圖8 MS 窯尾中控截圖

表6 MS 旋風筒溫度壓力分布

1.1.5 高溫風機拉風情況

通過考察高溫風機入口負壓、變頻轉速、電機配置、運行電流，對系統總拉風大小進行分析判斷。

圖9 WC 2500t/d生產線中控截圖

圖10 LL 2500t/d生產線中控截圖

圖11 CJ 2500t/d 窯中控截圖

表7 高溫風機電流與負壓產量關系

1.1.6 預熱器出口氣體成分

實例1: PE預熱器、分解爐出口氣體成分的具體數據見表8：

表8 PE預熱器、分解爐出口氣體成分

該生產線各級旋風筒CO濃度高、波動大。C5～C1漏風逐漸增大。SO2逐漸降低。分解爐NOx含量較高。該系統拉風不穩定，煤在分解爐中燃燒不完全。

實例2：DZ預熱器、分解爐出口氣體成分見表9：

表9 DZ預熱器、分解爐出口氣體成分 %

由表9可以看出，煙室CO含量超過儀器量程，窯內通風嚴重不足，煤粉燃燒不完全。C5～C1漏風逐漸增多。NOx全部從分解爐中產生。

2 篦冷機診斷分析

2.1 離心風機的診斷分析

2.1.1 離心風機型號

風機型號為：C 4-72-1 1 No.8C 右90°；C：風機用途為排塵（一般可省略不寫）， 4：風機在最高效率點時的全壓系數乘10后的化整數，72：風機在最高效率點時的比轉數, 1：進口為單吸入，1：設計順序，1表示第一次，No.8：風機機號，即葉輪直徑D2=800mm ，C：風機傳動方式（共有A－F六種），右：旋轉方向（從原動機側看）， 90：出風口位置與水平線夾角。

2.1.2 離心風機性能

風機的全壓p是由靜壓pst和動壓pd兩部分組成。離心風機全壓值上限僅為1500mm（14710Pa），而出口流速可達30m/s左右；且流量Q（即出口流速v2）越大，全壓p就越小。因此，風機出口動壓不能忽略，即全壓不等于靜壓。例如，當送風管路動壓全部損失（即出口損失）的情況下，管路只能依靠靜壓工作。為此，離心風機引入了全壓、靜壓和動壓的概念。

風機的動壓定義為風機出口動壓，即