1 分解炉温度与燃料燃烧
分解炉的温度取决于燃料燃烧过程的放热速率与生料分解过程的吸热速率。当燃料燃烧放热速率慢,生料分解在接近平衡的条件下进行,分解炉的温度于860～920℃范围,燃料燃烧放出的热量就会迅速传递给生料,并被分解反应吸收。但是,当燃料燃烧速率大于生料分解过程的吸热速率,燃料燃烧的热量大于生料分解所需的吸热量,此时分解炉的温度就会超过平衡温度范围。
从燃料燃烧的角度来看,分解炉内燃料的燃烧与回转窑内燃料燃烧有许多不同之处。回转窑内燃料燃烧温度比分解炉内高得多,回转窑内燃料燃烧明显是受扩散控制的,而分解炉内燃料燃烧则有所不同,如S.Hundebol和P.Rosholm认为是受化学反应速率控制的〔1〕。由于分解炉温度远低于回转窑内燃料燃烧温度,故煤在分解炉内的燃烧时间受煤种类的影响比回转窑内的影响大得多。如广东云浮水泥厂FCB分解炉容积偏小,结构上亦存在一些问题,当使用低挥发分、高灰分的低热值煤时,还原气氛十分严重,迅速导致结皮堵塞;而采用高挥发分、低灰分的高热值煤时情况则有所改善。煤粉细度对于回转窑内的燃烧是相当敏感的,因为其是受扩散控制,即受边界层扩散时输送速率的控制;而煤粉细度对分解炉内燃烧的影响就没有在回转窑内那样敏感了。
问题还要回到分解炉温度与燃料燃烧的关系上来。由于回转窑内燃料燃烧是受扩散控制的,增减10～20℃对于燃料的燃烧影响是甚微的。但在分解炉内则明显不同。如有的分解炉容积偏小,煤粉燃烬时间不足,以至还原气氛重,而降低分解炉的温度,减少分解炉用煤量,以图改变煤粉燃烧不完全、还原气氛的问题,但往往是事与愿违。因在不减产量的情况下,分解炉用煤减少,分解炉温度降低,煤的燃烧速度随温度降低而迅速下降,煤粉始终是燃烧不完全。适当增大分解炉的容积已成为一个发展动向〔2〕。在分解炉偏小煤质差的情况下,可适当降产量,而不宜降低分解炉的温度。
2 分解炉温度与燃料用量比例及三次风温
分解炉与窑头燃料用量的比例对整个预分解窑系统的热力分布有着重要影响,而分解炉的燃料用量又与分解炉温度控制有关。以珠江水泥厂SLC窑为例,对此问题进行讨论。
下表是珠江水泥厂SLC窑在双列运转,熟料产量为3840～4160t/d,在一段期间内,分解炉喂煤量所占的比例、分解炉出口温度B55T1、炉列出口废气温度B50T1、窑列出口废气温度A50T1、三次风温B56T1、废气CO含量及煤耗的统计参数。
分解炉燃料用量比例与其它热工参数的关系
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分解炉燃料用量比例（%）
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60.3
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61.5
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63.1
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64.8
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66.0
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热耗（kJ/kg熟料）
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3265
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3190
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3325
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3410
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3590
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A50T1（℃）
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346
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338
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340
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338
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333
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B50T1（℃）
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317
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298
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328
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329
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350
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B55T1（℃）
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880
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880
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873
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863
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843
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B56T1（℃）
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793
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780
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767
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767
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759
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CO含量（%）
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0.07
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0.06
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0.06
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0.07
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0.09
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从表中可见,该预分解窑在一定的范围内,分解炉的燃烧用量比例存在着一个最佳值。在该条件下,最佳值为约61.5%,此时其热耗最低。大于或少于此值,热耗均增加。也就是说,在一定产量范围内的某窑,分解炉喂煤量既不是越高越好,也不是越低越好。分解炉喂煤的比例与热耗的关系不是线性的,而是非线性的。有的统计得出两者的关系是线性的结论,认为窑头喂煤越多越好或分解炉喂煤越多越好,实际上是最佳值的某一侧,从而产生分解炉用燃料比例与热耗关系是线性关系的错觉而已〔3〕。
为何对于某特定的预分解窑其燃料用量比例存在一个最佳范围,高于或低于此最佳范围热耗会增加?尽管对于不同的预分解窑相应的最佳范围是不同的,但都应有类似的关联。
当分解炉喂煤量比例增大,即窑头喂煤减少。从表中可知,尽管窑列废气温度A50T1有所降低,但炉列废气温度B50T1都明显增高,炉列的废气量比窑列的废气量大,即总的废气带走的热损失是增加的。另外,分解炉加过多的煤,使废气中CO含量增加。反之,当分解炉喂煤量比例过低,同样也会使热耗增加。窑头烧过多的煤,窑列废气温度A50T1明显上升,废气中CO含量亦增加,导致热耗增加。而且这样做还会影响回转窑耐火材料的寿命,影响安全运转的时间。
虽然许多预分解窑并非是双系列的,但其本质是相同的。在一定的产量范围内,分解炉与窑头燃料用量比例都存在着一个最佳的范围,在此范围内就可为预分解窑的合理热力分布提供好的基础。分解炉燃料用量比例过高或过低都是不利的。
分解炉的燃料用量比例与分解炉温度控制又有何关联呢?具体对于珠江水泥厂SLC窑分解炉来说,是分解炉出口温度B55T1与其喂煤量比例的关联。在该处设置了一个PID调节器,根据设定的温度由PID调节器自动增减燃料用量。自动模拟PID调节器有三种调节作用:
P作用(Proportional):比例作用,调节器的修正动作与偏差成比例。
I作用(Integral):积分作用,调节器的修正动作随偏差存在时间的延长而增大。
D作用(Derivate):微分作用,调节器的修正动作开始时较大,随后变小,偏差渐趋于零。
总的来说,PID作用为,修正作用在开始时大(D作用)随后减少到一个数值,此值与偏差成比例(P作用),但随时间再度增大(I作用),而且在有偏差时一直存在。
但PID调节器有一定的时间滞后。如窑皮垮落,篦冷机内熟料层厚度、风量变化,从而导致进分解炉的三次风温波动变化,而PID就不能及时适应此变化。
进分解炉的三次风温对分解炉内煤粉的燃烧及分解炉的出口温度亦有着重要的影响。从表中可见,当窑头喂煤量下降,致使物料煅烧温度不足,一方面会影响熟料质量,另一方面使落入篦冷机的熟料温度亦降低,在同等的操作条件下,其三次风温降低。三次风温降低就会对分解炉内燃料燃烧产生影响,特别是对于挥发分低、灰分高的煤粉,影响就更为显著。珠江水泥厂SLC窑分解炉的喂煤点与喂料点较接近,生料碳酸盐分解大量吸热,若三次风温低,进一步延滞了煤粉的燃烧。此时即使在分解炉多加煤,煤粉燃烧也不完全,废气中CO含量增加,分解炉温度并不高。
适当提高及稳定三次风温,亦即提高及稳定了二次风温,对分解炉及窑头的煤粉燃烧有着十分重要的影响。在熟料温度、结粒情况及冷却用风量变化不大的情况,稳定一定的篦冷机篦底压力,意味着可保证篦床上的熟料层厚度一定,从而可得到稳定的二、三次风温,为良好与稳定的燃烧创造条件〔4〕。
3 分解炉温度与末级旋风筒温度及物料、燃料情况
燃料在分解炉内燃烧放热,料粉在其中吸热分解;随后,气固两相流离开分解炉进入末级旋风筒,进行气固分离;分离后的物料进入回转窑,而气体进入上一级旋风预热器。在正常情况下,煤粉在分解炉燃烧完全,分解炉的出口温度会高于最末一级旋风筒下部及其物料的温度。但是,当分解炉内燃料的燃烧速度慢,燃料燃烧不完全,则未完全燃烧的煤粉在旋风筒内继续燃烧,此时则会使最末一级旋风筒下部及物料的温度比分解炉出口温度还要高。如云浮水泥厂在1993年8月煤粉质量明显下降,灰分高、热值低,FCB型预分解窑窑头三通道喷煤管未能适应烧这些质量差的煤,熟料煅烧温度低,三次风温明显下降,而低的三次风温又进一步延滞了分解炉内煤粉的燃烧,可谓雪上加霜。就这样,不完全燃烧的煤粉进入五级旋风筒内继续燃烧,五级旋风筒下部温度比分解炉出口温度还高。在这种情况下,废气中CO含量高,还原气氛重,易结皮堵塞,而分解炉的平均温度并不高,入窑物料碳酸盐分解率亦较低,熟料产质量下降。
还需说明的是,分解炉的通风量对分解炉出口温度及末级旋风筒下部温度亦有影响。即使分解炉的喂煤量、物料量不变,但通风量改变,亦会产生影响。当通风量过大,分解炉内气流速度过快,燃料及物料在分解炉内停留时间不足;反之,当通风量过小,供气不足,燃料燃烧同样受影响。总之,通风量的波动,窑风量与分解炉风量的分配不当,都会影响分解炉燃料的燃烧,从而导致分解炉出口温度与最末一级旋风筒下部温度的异常。
分解炉的温度控制还应考虑产量及物料的情况。当产量较低,即喂料量较小,回转窑的转速亦较慢,此时应相应降低分解炉温度。因分解炉温度过高,一方面会增加热耗,另一方面还不利于热工制度的稳定,不利于熟料烧成〔5〕。反之,当产量较高,在分解炉能力许可的情况下应适当提高分解炉温度,减轻回转窑的热负荷。但是,当设备富裕能力小,超产时窑系统的平衡是相当脆弱的,遇到小小波动亦难以调整,故提高分解炉温度,提高产量需适度为宜。而当物料反应活性较差,如石灰石结晶状况较好,晶体尺寸较大,其分解温度较高。此时应在可能的条件下把分解炉温度控制高一些,以保证入窑物料的分解率。
