烧成系统设计计算 - 图文

第5章 烧成系统设计计算

5.1窑外分解技术简介

1971年日本石川岛公司在世界上首次研发出第一台分解炉后，日本各水泥公司以及洪堡和史密斯等公司也相继开发出自己的分解炉技术，它是悬浮预热器的进一步发展，是水泥工业发展的重大变革。

所谓窑外分解技术，是将40%~60%的燃料从窑头移至窑尾分解炉中进行燃烧，经过预热的生料以悬浮式、喷腾状态分散在分解炉中，在无焰燃烧的同时进行高速传热及碳酸钙分解反应，碳酸钙的入窑分解率由悬浮预热器窑系统的30%~40%提高到90%以上，单位容积产量比预热器窑成倍提高，因窑内热负荷减轻，使窑衬寿命延长，由于燃料在还原气氛中低温无焰燃烧，NOX的排放量减少30%左右。该技术对有害物质含量高的原料及劣质燃料适应性较好。

分解炉是窑外分解技术的核心设备，它是集燃烧、传热、生料分解于一体的气固反应容器，利用涡旋、喷腾、悬浮效应，达到煤、料充分混合、分散，使煤完全燃烧，生料碳酸盐最大限度地分解。当前各国分解炉名目繁多，但不外乎就只有两种形式：一种是窑尾上升管道扩大为圆柱形容器，如SF型、RSP型、DD型等；另一种即是窑尾上升烟道延长后加弯，俗称鹅颈管，如洪堡的P-S、PR、国内NC-SST等炉型。不论哪种形式的分解炉，其着眼点都是设法使煤、料、风三者布点不断改进，更趋合理。

我国于1983年引进日本SF、MFC型分解炉生产线，不断吸收消化，通过在冀东、宁国等厂的生产实践，也开发出自己的分解炉技术，如天津院的TDF、南京院的NST、成都院的N-SF等炉，目前已广泛应用在国内外水泥工业中，取得了良好的效果。

5.1.1几种常用的分解炉

国内水泥厂常用的分解炉见表5–1。

表5–1 国内水泥厂常用的分解炉

炉 型 NSF KSV RSP DD SLC P-R 洪 堡 TDF NSST CDC 供应商 石川岛 川 崎 小野田 神 户 史密斯 天津院 南京院 成都院 使用厂 冀 东 本 溪 江 南 耀 县 柳 州 广州越堡 海 螺 同 力 烟 台 1．SF分解炉

1971年11月，世界上第一台分解炉应用于水泥工业中，1979年2月首台烧煤的SF窑建成，同年4月又建成烧煤的NSF分解炉。

该分解炉构造简单，如图5-1，由下部旋流室及上部反应室（燃烧室）组成。初期物料及燃料由炉顶进入，窑气及三次风由下部旋流室混合进入。由于出料及物料停留时间短,以及炉中燃烧空气中O2含量不足，改为燃料从旋流室口喷入，生料从上升烟道及反应室锥体下部进入，这样就延长了生料在炉内滞留时间。取消了上升烟道中缩口，而用烟道中生料消耗流体动能，实现窑与炉之间压力平衡。为克服炉内气流偏流及短路现象，在炉内增设了涡旋室，这样改进最终形成

C-SF炉型，进一步扩大了炉容，延长了炉内气料滞留时间。 2．N-KSV分解炉

N-KSV型分解炉（KAWASAKI Spouted Bed and Vortex Chamber)，该炉由日本川崎重工业公司研制，并于1973年建成3200t/d生产线，1975年建成8500t/d生产线。经生产实践后改进为N-KSV炉，如图5-2。中国建材研究院及本溪水泥厂合作研制的BX型分解炉类似KSV，后来朝阳重型机器厂购买了N-KSV制造专利。

N-KSV分解炉特点：

⑴涡旋室中加了缩口，全炉由四部分组成，即喷腾层、涡室、缩口、辅助喷腾涡室。缩口增大后产生两次喷腾，延长炉内停留时间，有利于空气热交换及燃料燃烧。

⑵该炉原窑气由炉中部吹入，后改为由底部喷入，使窑气产生喷腾运动，有利于窑炉通风调节。

⑶三次风由炉的涡室下部对称切向吹入，吹入速度为18~20m/s。 ⑷喷腾层中部增加燃料喷嘴，使燃料在低氧状态下燃烧，可使窑气中NOx还原，减少NOx对环境的污染。

⑸生料分两部分喷入，一部分从三次风入口上部喷入，另一部分由涡室上部喷入。两次喷腾及涡室的涡旋效应，能使气料均匀混合，热交换充分，提高入窑生料分解率。

⑹窑气入炉风速为35~40m/s，三次风入炉风速为18~20m/s，出炉气体温度为860~880℃，入窑生料分解率为85~90%。

该炉和DD炉同属喷腾式，又是喷腾和涡流的结合，二者不同之处在于该炉三次风是从炉下圆锥体切向入炉，炉中第二道缩口直径较大，燃料喷嘴设置不像DD炉那样多点直喷三次风中。

3．RSP分解炉（Reinforced Suspension Preheater）

由日本小野田公司和川崎重工共同研制而成，如图5-3，1974年8月在日本建成3000t/d生产线，此后中国建材研究院购买了RSP炉的制造专利权。

该炉结构由三部分组成，上部分为漩涡燃烧室（SB），作为点火预燃，下部为涡旋分解室（SC），作为原料煅烧分解用。此外还有一个混合室（MC），主要混合分解炉和窑出来的烟气，并且使原料继续进行分解。在窑尾烟室与MC室之间设有缩口，以平衡与分解炉之间的压力。缩口风速50~60m/s，负压为0.8~1.0kPa，缩口处装有可调节闸板。

煤粉从SB上部喷入，一次风以30m/s速度从上部呈涡旋状喷入，使其处于分散燃烧状态，煤风旋转方向同（SC）窑气流旋转方向相反，有利于煤粉同三次风混合。若同向旋转造成SC旋流过大，影响燃烧功能发挥，造成大部分煤粉跑到MC燃烧，而MC中CO2分压较大，燃烧环境不良，会造成部分煤粉跑到C5旋风筒中燃烧。

三次风以30m/s速度从SC上部切线方向吹入炉内，生料喂入该气流中，经打散后一起进入SC中，煤粉三次风混合后燃烧速度较快，容积热负荷较高，出SC进入混合室的生料分解率高达35~45%。进入MC后与喷腾状态的高温烟气混合继续燃烧，使生料继续分解。在MC气料流喷腾、涡旋迭加流场作用下，分散均布较好，换热传质效果亦佳。因此，三室之间合理匹配，十分重要。我国根据本国煤质特点及生产实践进行了改进（扩大MC室，装置鹅颈管），已广泛用于生产线的建设中。 4．DD分解炉

DD型分解炉（Dual Combustion and Denitration Process）是双重燃烧和脱硝炉，由日本水泥公司及神户钢铁公司合作研发制成，如图5-4，该炉于1979年5月在该国应用于3600t/d生产线。

该炉吸取了川崎N-KSV炉经验。改进的炉内分为还原区、燃料燃烧分解区、主燃烧区、完全燃烧区四个部分。DD炉的结构与N-KSV炉相比，有许多相似之处，但其机理与气流运动又有所差异。

⑴N-KSV炉三次风以切线方向入炉，而DD

炉两个进风口及出风口与炉中心垂直，进入炉内三次风不产生旋转运动，可使阻力降低0.6kPa。

⑵炉顶部增加气流反弹室，有利于气料产生搅拌和混合，增加停留时间，以达到完全燃烧和改善热交换的目的，防止像N-KSV炉内那样，产生偏流现象。

⑶四个喷嘴从三次风管上部两侧，将燃料直接喷入三次风富氧区，点火预燃环境较N-KSV炉优越。

⑷锥体部分设有脱氮喷嘴，用来还原窑气中的氮氧化物，降低废气中NOx排放量。

天津水泥工业设计研究院于1984年引进该炉型，1993年用于双阳（2000t/d）及溠头（1000t/d）水泥生产线中。由于该炉在日本大多采用优质烟煤，对低质烟煤适应性相对较差，影响生产线正常的运行指标，后经不断改进，使其适应我国实际情况（扩大炉室，增设预燃室或分解室，混合室），改进后的炉型取得了良好的效果，也可燃烧低质煤进行生产。天津院TDF、TSD、TWD、TFD、TST等炉型就是在DD型炉基础上派生出来的。 5．洪堡公司分解炉

该公司分解炉是一种管道型分解炉，如图5-5。Pyroclon是Pyro和cyclon的合成，意为供燃料燃烧旋风装置。它适用多种燃料，炉内温度便于控制，料气混合率高，设备简单，对劣质燃料尤为适合。五种炉型分别介绍如下：S、R、RP.、LowNOx、PYROTOP。

⑴P-S型分解炉（图5-5a） 窑尾烟气直接通过管道分解炉，燃料燃烧的空气及生料，进入分解炉被加热到一定分解率。为使粉尘不再循环，降低热损，限制窑尾风速<12m/s，而且窑产量<2500t/d，窑径<Φ4.4m及带多筒冷却机对SP窑进行改造适用（也即窑尾加一把火）。由于窑尾风速及风量受限，供SP炉燃料<30%，故入窑的分解率较低。为达到额定产量，需要适当加大窑的直径。

⑵P-R型分解炉(图5-5b)

三次风管供风及窑尾烟气共同作为燃料用风，其好处是提高了分解温度，降低炉内CO2分压。该炉的特点是料、煤、窑气、三次风同走一条路。炉用燃料占50%以上，入窑分解率达90%以上，热耗降至3265kJ/kg熟料以下。适合带篦式冷却机的SP窑改造用（加大旋风筒、加长鹅颈管、加三次风管、加快窑速、改造篦冷机等），余杭水泥厂（600 t/d改为1000t/d）、印度阿托尼克水泥厂即用P-R型分解炉。

⑶P-RP型分解炉（图5-5c）

P-RP型（Rapiol Parallel）意为快速平衡型分解炉。燃料、生料及从篦式冷却机来的三次风同时进入分解炉，而窑气不进分解炉，直接进入旋风筒内，炉气上进，窑气下进（即不同路），两者在最下级旋风筒内混合。其优点是炉内三次风由篦式冷却机来进一步降低CO2分压，由于炉内O2浓度加大，温度进一步提高，使生料分解率高达95~98%，缩短了窑的分解带，为短窑提供了必要的条件。

此炉具有CO2、O2浓度低及分解温度高的良好特点，且烟道分解炉中气流呈紊流的悬浮状态向上移动，烟道长度可根据需要加长，这就免除了筒式炉加径、加高后，带来料气分布不均的弊端。该炉型适合于粗颗粒、不易燃烧的劣质燃料，如无烟煤（炉煤占60%）、石油焦末及工业垃圾等。

⑷R-LowNOx分解炉（图5-5d）

该型炉是在R型炉基础上改进而成的，其目的降低NOx排放浓度。 由冷却机来的三次风和窑尾废气同在烟道分解炉内平行向上流动，在分解炉下部的窑尾废气区设一个喷煤咀，在分解炉稍高处也增设一个喷煤咀，在窑气区内的煤利用窑气中过剩的O2燃烧，形成CO还原气氛，使CO和NOx反应生成CO2及N2。这样窑内产生的NOx可降低至35~50%。另一稍高入口，煤在纯三次风中起火燃烧，两股料气在烟道分解炉顶部180°弯头处合成一股进入预热器中，而生料和煤的存在可起到催化作用。

⑸PYROTOP型分解炉（图5-5e）

该型炉在R-Low NOx型炉的基础上改进而成，在鹅颈管处改成为一个混合室（分离器），炉内气固流沿分解炉上升，以切向方向在混合室底部涡旋进入，粗粒燃料及生料进行分离后，一部分返回上升烟道继续燃烧和分解，另一部分也可进入下行管道随混合室分离出来的气流一起进入下级旋风筒，其好处是可以调节混合室分离出来的物料进入上下管道的比例，控制物料再循环量，达到进一步优化出炉燃料的燃尽率及生料CaCO3分解率。

由于该炉具有多重功能，成为洪堡公司新产品，这种炉型与新型低压损旋风预热器及两支点的短窑以及第三代PYROSTEP篦式冷却机相结合，成为20世纪90年代中期最新预分解窑系统，当生产线规模为5000t/d时，单位熟料热耗可达2930kJ/kg熟料左右。

为适应中低质燃料及环保要求，KHD公司的RP、R-LowNOx、PYROTOP都适应劣质燃料及降低废气中的NOx含量。

特别是TOP型炉在顶部鹅颈处增加了混合室，可使其中分离出来的燃料及生料颗粒再循环返回炉的上升烟道，以延长燃烧和分解行程。

而中国各炉型为适应低挥发份燃料（无烟煤）除增加炉容外，在最下级旋风筒及分解炉之间均增加了“鹅颈管”。

(6) TDF分解炉

天津院于1984年引进日本神户DD炉专利技术后通过生产实践进行优化，

QF—分解炉发热能力，kJ/h； VF—分解炉有效容积，m3。

5.2.3分解炉单位容积产量

分解炉单位容积产量指熟料产量与分解炉的有效容积（含上升管道）的比值。分解炉坐落在窑尾烟室上方时，其产量为：

GV?1G熟料V1 ?1000 （5–3）

式中：

GV1—分解炉在窑尾烟室上方单位容积产量kg/h﹒m3； G熟料—熟料产量，t/h。

5.2.4分解炉截面风速

截面风速的大小决定着物料分散、传热及燃料燃烧情况，也决定物料在分解炉内停留的时间。

WA?式中：

WA—气体在分解炉内截面风速，一般8～10 m/s； Vg—通过分解炉气体量，m3/h； Def—分解炉直筒部分有效内径，m。

Vg0.785D2ef?3600 （5–4）

5.2.5碳酸盐分解率

碳酸盐分解率表征生料中碳酸钙分解的程度，通常有表观分解率及真实分解率之分。

1．表观分解率：表示生料+窑飞灰混合后的碳酸钙分解率。当窑生产稳定，窑的飞灰量及分解率波动不大，加之飞灰及其烧失量难以测出，所以通常用表观分解率来控制预分解窑的运行。

??10000（Ls?Lx） （5–5）

Ls(1000?L?)L?100?Ls? （5–6） 0.44Tc100?Lx??1?式中：λ—表观分解率，%； Ls—生料烧失量，%； Lλ—入窑物料烧失量，%； TC—生料的CaCO3滴定值，%。

2.真实分解率：表示单一的生料实际分解率。 ?t???10000mf?100?Ls??Ls?Lf?Ls(100?L?)?100?Lf? （5–7）

式中：

λt—真实分解率，%； Lf— 粉尘烧失量，%；

mf— 出窑粉尘量，kg/kg熟料。

5.2.6分解炉规格确定

1.分解炉直径：

D式中：

D炉—分解炉直筒部分有效内径，m；

Vg—通过分解炉气体量，m3/h；（燃料燃烧烟气量，窑气入炉窑气量，生料在炉中CO2量，过剩空气量，漏风量之和） WA—气流在分解炉内平均界面风速，m/s；

一般炉4～10m/s，管道式分解炉18～20m/s 2.分解炉高度 ⑴以停留时间计 H?式中：

H—分解炉总有效高度，m；

WA—分解炉内截面风速，m/s，参考值见表5–3； τm—物料（煤粉）在炉内停留时间，s； τg—气体在炉内停留时间，s，一般取2～3s； τm/τg—料气停留时间比，该值与炉型有关。

表5–3 不同炉型截面风速参考值(m/s)

炉 型 NSF NKSV RSP SC MC DD MFC FLS PR 国内 炉?Vg0.785?3600?WA?0.0188Vgwg （5–8）

WA??m （5–9）

(?m/?g)WA 4.5～6.0 5～8 10～12 10 8～12 7～10 4～5 5.5～6.5 18～20 8～10 ⑵以分解炉容积计

H=H1+H2 =

式中：

H，H1，H2—分别为炉有效高度，炉直筒高，圆锥部分高，m；

V1??D12?2炉?D炉d?d2H22炉?0.785D?H2 （5–10）

H2—（0.5~1.0）D炉，SF取高值，其他炉取低值；

D炉，d—分别为分解炉直筒直径，锥体下料口有效内径，m； V1—分解炉有效容积，m3。 3.分解炉容积

首先选炉型，后按几何尺寸计算容积，选型时应满足产量及发热能力要求，并有足够的燃烧时间。 ⑴满足发热能力要求：

V1?G熟料GV?1000K （5–11）

V1?⑵保证燃料燃烧时间：

V1? =

Vg3600VgQF?K （5–12） QV??g

?

（5–13）

3600?m?m?g式中：

V1—分解炉有效容积，m3； G熟料—要求熟料产量，t/h；

GV—分解炉单位容积产量，kg/(m3·h)； QF—分解炉发热能力，kJ/h；

QV—分解炉容积热力强度，参考值见表5–4，kJ/(m3·h)； Vg—通过分解炉烟气量，m3/h； τ

g、τm—分别为气体和物料在炉内停留时间，s；

K—储备系数，一般取1.1~1.15。

表5–4 分解炉单位容积热力强度参考值

炉 型 基本特征 5RSP DD、NSF、PR SLC、MFC ILC、Pyroclon 单独预燃室 净空气预燃室 空气离线燃烧型 混合烟气燃烧型 3.5～4.5 4.5～6.5 3.0～3.5 QV×10，kJ/(m3·h) 4.0～5.0 5.2.7分解炉压力损失

?P?K??bhd2?d1gd12??d2?u2 （5–14）

式中：

K—压损系数，取2.5~3.0；

γ—气体比重，kg/m3； g—重力加速度，9.8m/s2； bh—涡流室入口长宽乘积，㎡； d1—锥体最小直径，m； d2—锥体最大直径，m； u—涡流室入口风速，m/s。

5.2.8国内外常见形式分解炉结构、运行参数

研制单位 形式 流场 表5–5 国内外常见形式分解炉结构、运行参数表 日本石川日本小野丹麦史密日本川崎 日本神户 德国洪堡 天津院 南京院 成都院 岛 田 斯 NSF N-KSV RSP DD FLS PR TDF NST CDC 旋流+喷旋流+喷旋流+喷涡流+喷旋流+喷 喷腾型 喷腾型 悬浮型 腾 腾 腾 腾 腾 上部反应哑铃型由由涡旋燃哑铃型分具有下锥上升烟道炉底及炉炉在烟室类似NSF室，下部喷腾室、烧室下部还原区燃体的圆延伸加高中有缩口上出口增炉上部反涡旋室，涡室、缩涡旋分解料分解筒，上部并向下弯但无调节设鹅颈应室扩NSF增加口、辅助室斜烟道区、主燃有切线型曲（鹅颈阀板，炉管，扩大大，中部出口涡室 喷腾涡室及混合室区完全燃出口 管） 容扩大 了炉容 增设缩口组成 组成 烧区 形成双喷腾 从下部蜗涡室下部涡旋分解下涡室下直接喷入可从窑内从锥体下三次风切炉底部采壳涡旋入对称切线室上步切部径向入或同空气通过，也可部涡旋入线入炉 用蜗壳入炉 入炉 线方向入炉 混合入炉 单独三次炉 口 炉 风管从上部烟道下部进入 上升烟道由炉底部窑气直接由炉底喷可单独也窑气与三由炉底直由炉底部切线从炉从蜗壳中喷入炉内 进入混合入炉内 可在炉下次风混合接喷入炉直接入炉 底部蜗壳心喷入 室 同三次风进入上升内 处喷入炉混合入炉 烟道分解内 室 从反应室从涡流室从涡旋分从下部蜗锥体下部从上升烟炉下部设炉下锥体从反应室锥体上部三次风入解室三次室三次风或同时从道分解室置四个喷部分喷入 锥体处，及上升烟口处喷入 风入口喷入口喷入 上升烟道下部喷入 料管 另一处在道两处喷入 喷入 上升烟道入 上 煤喷嘴从煤喷嘴从煤喷嘴从煤喷嘴从煤喷嘴从煤喷嘴从煤喷嘴在由锥体两煤喷嘴在蜗壳顶部下涡室三涡旋室上燃料分解炉下部锥上升烟道三次风上侧喷入 底部蜗壳以高压风次风入口部向下喷室及燃烧体两个喷四角喷入部或侧部上部及在喷入 处喷入 入 室三次风嘴喷入 或从烟道斜喷入三炉下锥体入口上部侧壁喷入 次风中 处喷入 喷入 蜗壳为新炉内为低涡流炉内炉内为低SIC为全低氧无焰良好 良好 良好 鲜空气点氧无焰燃为新鲜空氧无焰燃氧燃烧，燃烧，O2可燃烧无可燃烧劣火燃烧，烧，O2约气有焰燃烧，O2约其他为低约13%， 烟煤 质煤 有明火反13% 烧，混合13% 氧无焰燃可烧工业应室为低室内为低烧，O2约垃圾及块结构 三次风 入炉方式 窑气入炉方式 物料入炉方式 燃料入炉方式 炉内燃烧环境 13% 氧无焰燃氧无焰燃煤 烧O2约烧燃烧，13% O2约13% 与窑尾烟与窑尾烟混合室通与窑尾烟SLC型单分解室就与窑尾烟与窑尾烟与窑尾烟与窑连接方室直接连室直接连过缩口与室直接连独其他与是延长的室直接连室直接连室直接连式 接 接 烟道连接 接 烟道直接 烟道 接 接 接 配套预热器洪堡型、多洪堡型 多波尔型 维达格型 洪堡型 史密斯型 TSD型 NC型 CNC型 种类 波尔型 10.46×热负荷6.91×105 9.42×105 7.08×105 6.4×105 3.5~4.5×5 103105 kJ/m·h(含（5.94×（4.02×（6.07×（5.53×（9.92×5炉出口管道) 105） 105） 105） 105） 7.54×10 610） 炉截面风速5~6 8~10 6~10 8~10 5.5~6.5 14~19 8~10 8~8.5 8~10 （m/s） 三次风入炉19~22 18~20 30 18~20 风速（m/s） 窑气入炉风18~17 35~40 38~50 30~40 26~40 30~50 >30 速（m/s） 物料滞留时12~13 7.6 >10 >10 8.4 8~20 12~14 18~23 16~18 (9.4) 间Jm(s) （10.5） 8~17 气流滞留时1.5~2.0 2.0 3~4 2.0 2.5~3.0 3.0~3.5 2.6~2.8 5~6.5 3~3.5 间Jg(s) 固气滞留时5.5~6.5 4.0~8.5 2.5~3.0 4.8~5.0 2.8~3.4 2.6~5.7 4.6~5.0 3.6~3.5 5.3~5.1 间比(Jm/Jg) 炉出口温度83~910 845~887 840~860 870~880 870~920 880~920 860~890 850~900 850~880 （℃） 入窑生料表92~95 85~92 85~95 >90 85~92 85~90 >92 >92 >92 观分解率（%） 558~883 588~883 588~883 585~883 785~1080 800~1060 1050 阻力（Pa） 5.3旋风预热器

旋风预热器由旋风筒及连接管道构成，旋风筒由圆柱体、圆锥体、进出口内筒及下料管组成。连接管道（换热管）上部与上一级旋风筒进口连接，下部与下一级旋风筒出口连接，管道中间由上级旋风筒下料管与之相连接，在上级旋风筒下料管装有锁风阀，在与换热管连接处装有撒料装置。旋风预热器主要功能是使生料在炽热的气流中分散、均布、气固换热及分离。其性能的优劣表现在是否有较高的换热效率、分离效率、较低的阻力及良好的密闭性能。对于单个旋风筒而言，主要是考虑流体阻力和分离效率。对其影响的两大要素是旋风筒的几何结构及物料的物理性能。近年来国内外厂商及科研机构针对如何提高分离效率，降低压损，节约电耗做了大量的研究改进工作，主要改进如下：

①旋风筒出入口增设导流板、导向叶片，在入口处加装导流叶片，减少入口气流与筒内循环气流相撞而引起的阻力损失，出口处内筒装导向叶片减少循环气流量，使阻力降低。

②改进筒体结构，减小旋风筒直径，扩大内筒直径，缩短内筒高度，改变进

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