旁路放风系统的计算与工艺流程

水泥 2010-03-23

　　1.引言
　　众所周知,由原、燃料中所带入的碱、氯、硫化合物会在窑系统（回转窑和预热器）内部循环和富集。窑内的碱大概在800℃以上开始挥发。但是，碱的最耐温的那部分，会留在熟料中并以如下矿物出现：KC₂₃S₁₂，NC₈A₃，KC₈A₃，K₂SO₄，Na₂SO₄。挥发的碱到达预热器中温度较低区域时会凝结在温度较低的生料中，K₂O在预热器中的冷凝率高达81～97%,而Na₂O的冷凝率则较低。冷凝的碱随预热生料再次来到温度较高的窑内，并再次挥发，这就是所谓的碱循环^[1]。

　　在新型干法窑的操作中，由于煤粉细度过粗以及操作不当等原因，往往会造成煤粉不完全燃烧，使得最低一级旋风筒内温度过高，从而导致旋风筒锥部结皮堵塞，严重时还会引起窑尾烟室部位结皮堵塞，从而严重影响窑的正常操作。由于各种碱化合物的熔点大致介于360～1074℃之间，大部分碱化合物的熔点与预热器最低级及窑尾烟室温度相近，此时若生料中的有害成分（碱、氯、硫）过高，将会使结皮情况更加恶化。

　　煤粉过粗和操作不当可以通过加强管理和操作等主观努力得以解决，而生料和燃料中的碱、氯、硫含量的高低往往受地域等客观条件的限制，不易改变，若通过主观努力，仍无法找到合适的原燃料，则为了生产合格熟料，旁路放风不可避免。由于碱、氯、硫化合物会在窑尾系统富集，若在此放出部分窑气，破坏它们在系统内的循环，可以有效降低熟料中的碱、氯、硫含量，满足生产优质低碱熟料的需要。

　　2.设置旁路放风的条件
　　一般认为，当生料中总碱量（K₂O+Na₂O）>1%,氯（Cl^-）含量>0.015%或生料中的硫碱摩尔比MolSO₃/(MolK₂O+0.5MolNa₂O）>1时,就可能影响窑的正常操作，此时，采取适当的旁路放风措施是解决有害组分循环，降低熟料中有害组分的切实可行办法。

　　3．旁路放风量的计算
　　一条水泥生产线的配料方案一旦确定，就可以根据所要求生产熟料品种的不同，确定合适的放风比例。

　　由于旁路放风会带来额外的热耗增加，计算表明，每1%的旁路放风会带来3～4kcal/kgcl的热耗增加。因此，如何确定合适的放风比例，既能使系统正常操作又不过分增加热耗，就显得至关重要。

　　Weber 基于有关假设，推导出碱循环系数K的计算公式^[2]：

　　K-1=ε₁（1-V）/[1-ε₂（1-V）] （1）
　　碱减少量的公式是：
　　△A=（K-1）[V/（1-V）] 　（2）

　　上述两公式中（假定碱全部来自生料）：

　　（K-1）—碱循环量；
　　ε₁—生料中碱的挥发系数；
　　ε₂—选环碱的挥发系数；
　　V —旁路放风量加不冷凝于预热器的碱；
　　△A—熟料中碱的减少量。

　　上式是同样适用于硫化物和氯化物的计算。

　　表1中列出了几种典型物质的挥发系数：

表1

项目	ε₁		ε₂
	不加Cl-	加Cl-
K₂O	0.4～0.6	0.6～0.8	0.9
Na₂O	0.35～0.5	0.5～0.6	0.8
SO₃	0.9	0.9	0.9
Cl₂	-	1	1

　　举例说明如下，某厂生产OPC水泥,配料计算结果如表2、3、4。

表2 生、熟料化学成分

项目	Loss	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	Cl^-
生料	34.82	14.23	3.33	2.38	42.81	0.48	0.93	0.759	0.169	0.0226
熟料	0	21.84	5.12	3.65	65.7	0.74	1.42	1.16	0.26	0.0347

表3 生、熟料率值

项目	LSF	SM	IM	项目	LSF	SM	IM
生料	94.4	2.5	1.4	熟料	94.4	2.5	1.4

表4 熟料矿物组成(%)

C₃S	C₂S	C₃A	C₄AF	CaSO₄
57.85	18.95	7.36	11.10	2.41

　　计算K₂O( Na₂O)的减少量，假定ε₁ =0.5(0.45), ε₂=0.9(0.8), 旁路放风量为10%，则由式（1）（2）可知：

表5

旁路（%）	K₂O		Na₂O
	K-1	△A	K-1	△A
10	0.5×0.9/[1-0.9×0.9] =2.37	2.37×(0.1/0.9) =0.263	0.45×0.9/[1-0.8×0.9] =1.45	1.45×(0.1/0.9) =0.161

　　从表2可知,熟料中K₂O=1.16%, Na₂O=0.26%,采取10%旁路运行时,则在熟料中相应含量为:

表6

旁路（%）	K₂O	Na₂O
10	1.16×(1-0.263)=0.855%	0.26(1-0.161)=0.218%

　　因此,熟料中总碱量为:0.659×0.855%+0.218%=0.78%,可满足ASTM标准生产OPC水泥的需要。

　　4．旁路放风对预分解系统设计的影响
　　旁路放风会给系统带来额外的热耗和料耗的增加，资料显示，每1% 的旁路放风会带来约相当于0.1%生料的窑灰损失^[3]。由于此部分窑灰有90%以上的分解率，因此在计算热损失时，除考虑窑灰带出的显热外，还必须考虑此部分窑灰分解的所消耗的热量，此两部分热量加上旁路热烟气带出的热量损失，即为旁路放风带来的热损失。

　　在预分解系统设计时，应根据旁路放风的特点，对与此相关的预分解系统部分的设计予以足够重视。

　　（1）窑尾烟室缩口的设计必须考虑在放风后，有足够的风速；
　　（2）要获得与不放风系统同样产量，必须考虑将旁路带出的热损失由分解炉补充进去，也即分解炉必须加大容积；
　　（3）旋风筒、上升管道等处的尺寸应根据旁路放风后的实际情况进行修正。

　　5．旁路放风系统工艺流程选择
　　在旁路放风系统的相关计算完成后，就要选择合适的旁路放风工艺流程。

　　5.1 旁路放风点的选择
　　旁路放风点的选择一般基于以下原则:

　　(1)抽取点是有害物质富集较多的地方；

　　(2)抽取点的入口处要有合适的风速，一般取10m/s以下，这样既能保证一定的粉尘表面积供气态物质凝结之用，又不带来过多的粉尘损失。

　　(3)抽取点的个数可根据放风量的多少取一点或两点。

　　(4)基于以上原则，在窑尾烟室合适位置选取放风点。

　　5.2 典型的工艺流程

图1 旁路放风工艺流程

1、骤冷风机 2、混合室 3、冷风阀 4、袋收尘器 5、引风机
6、7、FU 输送机 8、提升机 9、窑灰仓 10、卸料装置 11、螺旋输送机
12、F-K 泵 13、散装头14、15 单机收尘器

　　在抽取点附近，通过骤冷风机1鼓入合适风量，在涡旋混合室2内与热气流进行充分热交换，出混合室的气流温度一般控制在350~400℃左右，此气流通过进一步加入冷空气或通过收尘器4前的热交换器冷却到220℃左右，经袋收尘器处理后排放。收集下来的窑灰根据具体情况或掺入水泥磨中或丢弃。

　　6．结语
　　旁路放风技术，国外已较为广泛地应用，特别是在美国，在生产低碱水泥时，往往采用该技术；在国内，一般都强调通过选择合适的原料，而尽量避免采用放风技术，因此，国内对旁路防风技术的研究和实践并不多。由于我国进入国际市场的需要，有些地区，如中东地区，由于原料的中的碱、氯含量较高，采用旁路技术就不可避免。因此，加强对该技术的研究和应用，是我们广大技术工作者义不容辞的责任。

参考文献：

[1][2][3] 华新水泥厂编译组，《国际水泥工艺资料集》（增订二版）

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