预分解窑窑内通风量的优化

0 引言

水泥熟料煅烧技术是水泥生产的中心环节。预分解窑煅烧技术用于熟料生产，使回转窑产量大大提高，窑衬的稳定性增强，热耗降低，燃料选择范围加宽，大气污染程度大大降低。在生产中，由于操作人员技术的理论水平和实践经验存在差异，加之系统设计的些许不合理，预分解窑煅烧技术的优势不能充分发挥，这在一些新型干法水泥生产线上是常有的事情。预分解窑煅烧技术优势发挥的关键在于是否合理把握好风、煤、料的配合。根据近几年的生产运行实践，笔者仅就窑内通风量的控制提出一些看法与同行交流。

1 对预分解窑窑内通风量的要求

（1）在头煤用量波动范围内始终有足量的O2供燃料燃烧，保证窑内不出现还原气氛，而且使窑内O2适度偏大控制。

众所周知，长期以来窑尾结皮一直是众多预分解窑生产线的一大难题。为了缓解结皮，一方面要控制原燃料有害元素的带入量，另一方面得减少有害元素在高温带的挥发以增加出窑熟料有害元素的带出量。本文以国内普遍的硫过剩为例。硫的挥发系数随窑内O2量增加而降低。窑内硫挥发量主要来自CaSO4的热分解：

CaSO4=CaO+SO2+1/2O2

这是一个可逆反应。在温度一定的条件下，当O2量增加时，反应利于向左进行，CaO、SO2减少，CaSO4增加；否则反之。国外实验室对不同O2量的SO2测定认为：O2量4%左右是抑制热生料中SO2挥发的关键点，当O2量大于4%左右后，生料中SO2释放量明显地大幅下降 ；且随O2量的进一步增加，生料中SO2释放量继续下降。

窑内存在不完全燃烧时，部分煤粉落在料面上，硫酸盐与C作用，生成SO2：

K2SO4+C→K2O+SO2+CO

CaSO4+C→CaO+SO2+CO

这是SO2挥发量增加的又一途径。

另外，烧成带温度提高及烧成带物料停留时间增加，SO2挥发量均会随之增加。

以上情况的种种组合使熟料携带出窑的硫酸盐含量变化范围颇宽。而窑尾烟气中SO2浓度过高，致使结皮加剧，影响窑内通风，还原气氛更浓，SO2挥发更多。结果，系统陷入恶性循环之中，熟料产质量也受到影响。窑内还原和还原─氧化反应在窑砖内产生体积效应（包括反复地收缩与膨胀相更迭的体积效应），砖的结构弱化，强度降低，窑砖易于损坏。

（2）窑尾缩口等部位的风速足以保证日常运行中不塌料，而分配给三次风管的通风量能满足炉煤燃烧对新鲜空气量的要求。

窑尾缩口等部位风速不足从而引发塌料在生产中时有见闻。对于国内近几年最为流行的炉型，窑尾烟室上方即为炉的下锥体底部缩口，其风速如果不足以托住下锥体内高浓度、且分散并不十分均匀的热生料，就会观察到部分生料一股股黑影般地下窜入窑。这些短路入窑生料的碳酸盐分解率很低，给烧成带增加了负担，不得不加大头煤用量来提高火力以弥补预烧之不足。另外，塌料会破坏系统热工制度，令系统失去稳定性。对于某些离线分解炉，三次风自炉下锥体进入，也存在风速与热生料浓度及其稳定性的匹配问题。一旦塌料，热生料进入三次风管，整个烧成系统会极度混乱，导致生产不能正常进行。分解炉的新鲜空气来自三次风。若该风量过大，容易烧垮炉衬；过小，炉的能力受削弱。三次风的风路与窑的风路两者并联，彼此的风量有“此少彼多”的相关关系，不可顾此失彼。

（3）烧成系统低能耗运行。

在三次风支路加大通风阻力来加强窑内支路的通风量时，窑内支路的通风阻力也将上升。结果，可能使系统的总阻力上升，拉风电耗增大。因此，窑内通风量并不是越大越好，只要适度偏大即可。适度偏大的窑内通风会缓减结皮，减少通风阻力。但风速上升以及由此引起的扬尘量增加，均会使动压头损失增大，而动压头与风速的平方成正比。因此窑支路降低通风阻力的要求依然存在。另外，要在尽量低控C1筒出口空气过剩系数的前提下搞好二、三次风风量的精细分配。一些生产线在窑内通风不足而三次风又偏大的情况下自觉或不自觉地靠加大C1筒出口抽力的办法来解决窑内通风量低的问题，则电耗热耗均上升，很不经济。

2 影响窑内通风量的因素

表1为国内几家厂有关三次风的标定值。

由表1看出三次风量在不同的生产线差异很大。这种差异必然反映到窑内通风量上来。它说明这一领域待好好深入研究开发。有哪些因素影响窑内通风量呢？

（1）C1 筒出口排风量改变，窑和三次风管内的通风量都会发生同向调整。

（2）调节三次风闸板阀的开度，三次风量和窑内通风量将得到异向调整。

（3）三次风管内熟料小颗粒沉降堆积，对窑内产生增加通风量的影响。

（4）窑尾结皮、窑尾烟室斜坡结皮或物料堆积、窑内结圈等，均增加了窑内通风阻力，削减了窑内风量。与此同时，三次风管的通风量上升，直至新的平衡建立。

（5）窑内填充率不同，影响通风截面积，进而影响到窑内通风量。

（6）窑头罩负压是风量收支平衡的一种反映。如果风的供给不足或窑头排风机排风过大而出现窑头罩负压绝对值增加，则窑内通风量将被削减。

（7）入窑风温下降，其标况风量上升。

（8）漏风的情况比较复杂。如果漏风发生在窑和三次风管构成的并联风路之后（即下游），则削弱了两并联支路的抽力，窑内通风量下降。如果窑尾密封部位漏风，则窑内通风抽力被抢，引起窑通风量下降。这是窑支路漏风的情况。如果三次风管支路漏风，如风管磨穿或闸板阀密封差，则在削减三次风热风抽取量的同时削减了窑支路的通风量。如果窑头罩漏风，则使二、三次风的标况风量增加。强调指出，漏风将使系统热耗上升，用煤量增大，系统对窑内风量的需求增加。

（9）熟料生烧、飞砂料、高窑速运转或窑内衬料粘结物不平整及圆周分布的不匀称等使粉料扬起量增加，均使含尘烟气密度增加而削减窑内的通风能力。同理，增加窑喂料量也影响到窑内通风量。

（10）熟料变得耐火，或者因种种原因分解炉能力下降，烧成要加强火力，头煤用量比例提高，窑内O2需求量发生了变化。另外，煤质变劣，须提高燃烧用过剩空气系数。

（11）操作中注重增加炉煤比例，减少了窑内通风量的需求。

（12）设计因素 （略）。

显然，面对这个复杂多变的局面，在窑尾设置气体分析仪是明智的选择。

3 控制窑内通风量手段的沿革

让我们回顾一下20世纪80年代初伯力鸠斯公司对三次风管取舍的意见。

当时伯力鸠斯公司认为：当产量在2000～3000 t/d时，采用AT（Air Through）型分解炉窑比较合适；当产量＞3000t/d时，采用AS（Air Separate）型分解炉窑比之AT型的具有窑衬使用寿命长久的巨大优势，综合经济性优势明显。AT型与AS型性能比较见表2。

自从有了三次风管之后，二、三次风的分配比例及手段经历了巨大变化。起先，为了保证三次风量足够大，在窑支路的窑尾部位设置了闸板阀以备必要时压低窑内通风量来确保三次风风量，体现出给炉提供新鲜空气特别优先的设计思想。其实，在生产中有的生产线一次都未曾关小过。与此同时，将三次风管有效内径设计得大大的，以至运行中熟料小颗粒沉积严重，有的甚至达五分之二有效内径的沉积高度。几年后，窑尾闸板阀被抛弃，三次风路增设了闸板阀且有效内径缩小。但三次风闸板阀存在明显的先天不足（下文将细述）。现在众多生产线该闸板阀名存实亡，纷纷采用往里扔废砖头的土办法。其缺点是调风粗放，且偏流严重。于是，产生了在管道内以抗磨耐火砖砌筑缩口的办法。

笔者观察认为：在预分解技术发展的早期阶段，有三次风管取舍之争，主张设置三次风管的则偏重于优先保证三次风拥有很大的风量；中期阶段，在三次风管内局部阻力系数可调，使两个并联支路中阻力相对于生产需求而言偏小的三次风管风量得到粗放的控制；现阶段，预分解技术已经相当成熟，但二、三次风风量的比例优化问题明显落后。要解决认识问题，要落实风量比例分配的手段优化。有人主张“三次风闸板阀以‘某某开度为最优’”；也有人不顾“障碍物”的形状尺寸、统统以“某某通风面积为最佳”。甚至都认为其主张是“放之四海而皆准”的。笔者认为：如前面所述，情况复杂多变，这种以“不变应万变”是脱离实际的，理论上也讲不通。

4 三次风管改筑缩口的尝试

J厂预分解窑生产线对窑内O2富余量十分敏感。虽然原燃料硫碱比一般尚可，但只要窑内通风量因种种原因有点紧张时，窑尾烟室物料就发粘，结皮明显加剧，尤其在熟料SO3达0.90以上时。遇到此类情况，一方面加强窑尾结皮清理，另一方面减产而不减设备C1筒出口的抽力，通常效果尚算明显。这证明窑内通风量富余过小，未能适应窑内通风量日常的需求波动。该生产线三次风闸板阀早就被熟料细粒磨蚀到尽头，代之以在热态中扔废砖。扔废砖不花钱，但砖堆高度常因高处的砖被风吹跑而难保稳定；况且即使高度相同，这个障碍物的几何形状和尺寸也难保相同，导致局部阻力系数差异较大；另外，与闸板一样，偏流严重，常致壳体磨穿烧穿。闸板阀备有密封风机，既使阀体衬料遭受热震，又鼓入冷风，加上闸板阀漏风和壳体破损漏风，冷风掺入取代了窑头罩的部分热风，使三次风温低至750 ℃左右。如果恢复闸板阀，则价格高，更换费时费力，而使用周期不到一年（质量一般的，几个月就报废）。因此在长期对该窑进行运行观察的经验基础上，基于前述的思想，决定对有效内径Ф1800管道内筑Ф900×1000的缩口，同时把闸板阀升降口用浇注料封死。改后偏流消失，漏风彻底获得解决，三次风温上升了200 ℃。另外，窑内通风量上升使炉下部锥体缩口风速上升，塌料现象得以根除。凡此，都为减少头煤用量创造了条件，也有利于熟料质量的提高及延长窑衬和三次风管衬料的使用寿命。筑缩口与去缩口后的运行参数与扔废砖时窑况最好的月份相比之数据如表3。

表3证明：在三种不同条件下运行，扔废砖和筑缩口两种状态下炉出口负压与三次风负压的关系在数值范围方面大体相当，而去缩口状态则负压明显偏低。这同去缩口状态时喂料量一直偏低有关，但主要还是去缩口状态三次风管内“障碍物”去除后阻力很小之故。空前的低阻力使三次风畅行无阻而风量大增，窑内通风则大为削弱，两个并联支路的总阻力变小使出炉负压明显降低。运行表明，去缩口状态下窑后半部严重结圈持续半个来月，窑内还原气氛始终难以避免，产量低，熟料质量差，单位熟料的热耗电耗居高不下，窑尾结皮明显增加，生产陷入空前的被动局面。筑缩口状态则恰恰相反，其实践发现有如下特点：

（1）窑尾结皮大大减少，通风阻力不高、且相对稳定，窑尾排风的单位产量电耗下降。

（2）烧成带窑皮伸长3 m左右，总长接近20m，且相当稳定。

（3）分解炉下锥塌料入窑的现象消失，窑头用煤量稳定。这就为提高炉煤比例提供了客观条件，使头煤在总用煤量中的比例下降至32%左右，为提产奠定了基础。

以上窑内通风量正反实践的结论与前述国外实验在趋势上完全吻合，以生产运行的事实支持了窑内O2应适度富裕控制的观点。

理论与实践告诉我们，高风速区降风速对减少风阻特别有效。应该减少入炉生料量的瞬间波动，提高撒料均匀性，避免产生一股股强有力的下冲料来降低炉下锥体缩口风速的要求值，谋求以相对的低风速降低阻力，并避免塌料发生。另外，窑和窑尾烟室的交接处缩口通风面积特低，可以对斜坡斜对面的浇注料悬拱进行倒角以扩大通风面积。改善浇注料的抗结皮性能，最大程度地减少窑尾结皮，改善结皮和堆积物的清扫等等，依然是减少并稳定窑支路通风阻力的重要手段。

另外，缩口的一个缺点是筑后不能调节风量。将筑缩口与缩口内少量堆砖结合起来，可提高风量调节的灵活性。

5 结束语

（1）窑内通风量适度偏高控制首先针对窑内燃烧用O2。窑内O2量适度富裕对改善我国当前众多预分解窑的运行应该有重大的意义。

（2）随生料和燃料入窑的硫碱比例失调容易导致窑尾结皮。但把结皮原因都归结为硫碱比失调并不合理。硫碱比失调时窑内出现的还原气氛对结皮有推波助澜的作用，而此时如果窑内O2量适度富裕会使结皮有所缓解。硫碱比在正常范围内而窑内还原气氛严重照样会严重结皮（这正是许多生产线热工不稳的主因）。我们应该更多关注窑尾各部位有害元素富集凝聚的机理，不能老是止步于入窑硫碱比，而长期无视有害元素在燃烧带的挥发率高低差异带来的重大影响。

（3）窑内通风量适度偏高控制要从供给和需求两方面去努力。根据C1筒出口气体成分合理调整系统总抽力并对二、三次风量分配比例进行优化是一方面，设法减少并稳定头煤用量是十分重要的另一方面。

（4）要严格控制漏风对窑内通风量和预热分解区域O2控制的干扰。

（5）定量地了解窑内通风量是否完全满足减少SO3在高温带挥发的需求，目前最理想的手段还是窑尾烟室烟气的气体成分分析，由O2、CO含量来判断。

（6）窑内通风量要求满足多方面的需要。以三次风管缩口作控制手段，缩口的形状尺寸取决于满足方方面面正当要求后窑内通风量的最低值。随着三次风和窑内二次风风量分配比例的精细优化，与闸板阀、堆废砖相比，筑缩口（辅之以少量堆砖）具有明显的优势。

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作者：陈久丰，江苏无锡蛟桥水泥有限公司

来源：新世纪水泥导报杂志社

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