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水泥厂原料烘干工艺系统的优化

浏览次数: 日期:2005年6月17日 16:34

水泥厂原料烘干工艺系统的优化

合肥水泥研究设计院 刘恩睿 杨刚 葛骏浩
 

  水泥厂的原料和混合材品种多,进厂水分变化大,对烘干的需求也日益增加。但总体来看,在近年的改、扩建热潮中,许多厂主要集中于粉磨和烧成工艺设备的优化,对于烘干系统则显得相形见绌,以至于烘干工艺落后,设备选型不合理,成为制约系统生产的瓶颈。笔者结合多年开发烘干技术的体会,针对一些厂存在的上述提出烘干系统的优化措施,可资参考。
  1 采用顺流工艺、改造和淘汰逆流工艺
  逆流烘干工艺仍是目前一些厂采用的烘干工艺形式,见图 1 ,


图 1 回转式烘干机逆流工艺

  逆流烘干工艺操作简单、出机含尘浓度低,便于收尘,但由于以下方面的不足,制约生产的现象十分突出。
  1.1 不易密封,粘堵现象严重
  烘干工程中,烟气流动的动力是通过引风机产生的负压梯度形成的。由于逆流烘干系统进料口和尾气出风口、出料口和热风进口为分别为同一处,造成漏风严重,系统不能形成稳定的负压环境,引风机不能形成足够的负压动力,导致热风炉的热烟气很难最大限度地进入烘干机参与烘干作业;另一方面,逆流 烘干 物料在低温段时的含水量最高,物料在蠕动过程中表面被烘拷至结壳的时间长,相互粘结强烈,运动不流畅,连续性喂料时容易造成堵料。
  1.2 物料与热烟气的接触方式,有可能改变物料物化性能
  烘干物料的入机水分最大,出机水分最低;而逆流烘干工艺的温度走向是在物料含水率最高时温度最低,在含水率最低时温度最高,即物料处于高温段时,内部水份低,蒸发强度低,接近焙烧状态。因此,物料的某些物化性能(活性、晶体结构等)容易改变。同时也徒然增大了物料的热耗,烘干能耗较大。
  而顺流工艺正好避免了上述情况,温度走向顺应了物料水分由高到低的烘干要求,且工艺简单、通畅,烘干效率相对较高。
  2 使用回转式烘干系统
  立式烘干机是基于五六十年代的干燥塔发展起来的,虽比回转式烘干机占地面积小、构造简单、投资省,但使用中也存在以下不足之处。
  • 工艺结构限制
  立式烘干机的是利用重力原理,将物料从高处落下让热烟气在引风机的带领下,在由下而上过程中与物料进行接触烘干,其结构决定了 烘干 工艺必然是逆流形式。因此物料必须由上部进入,从下部排出,见图 2 。


图 2 立式烘干机工艺
在物料水分较高的情况下,设备粘堵极为严重,输送、喂料均非常不方便。尤其在烘干矿渣时易使料温急剧升高,导致其活性下降。
   2.2 设备结构的限制
  立式烘干机的物料下落类似于自由落体运动,遵循重力加速度原则。例如从 500m 高度垂直落下的时间只需 10s 。立式烘干高度一般在 16 ~ 25m 左右,烘干机内虽然设有撒料盘、锥形斗等阻料装置,以使物料在下落过程中受到阻力作用,而延长在机内的停留时间,但毕竟有限。在绝大部分时间里,物料都不是与热介质直接接触,而是在这些阻料装置表面通过传导方式接触,因而烘干效果较差,如图 3 所示。

图 3 立式烘干机内部结构
 

2.3 阻风严重,热交换较差
  阻料装置虽起缓料的作用,但通风阻力也随之增大,为缓解这种矛盾,多数是在其上面开设一些小孔。但实际生产中,物料流动之后很快就会被堵塞起来,不能起到实质性作用,致使热源只在进入烘干机的很短一段高度内才存在着物料与热烟气的较大温差,而在此高度以外的热交换所产生的烘干作用甚微。笔者曾对多台立式烘干机进行标定,其烘干物料出机水分一般都在 5% 以上,特别是烘干大块粘土或高湿矿渣等物料的产量都远低于回转式烘干机。
  3 选用热效率高的热风炉作热源
  热风炉是烘干系统的热量来源。热风炉热效率高低取决于热烟气的输入量和介质温度,实际应用中热风炉有多种形式。
  层燃式手烧炉:由人工手动喂煤,可直接燃烧 50mm 以下的粒状煤,需不断的进煤、清渣,工人劳动强度大,大量冷风带入炉内,燃烧过程不稳定、炉内烟气温度低、不完全燃烧损失大,造成煤耗高、热效率低、供热量小。
  喷燃式煤粉炉: 对火烟深度控制要求严格,火焰过深,则容易烧坏烘干机内部筒体及扬料板,甚至改变物料的物性;过短,则烟气进入烘干机的温度不足,烘干能力变差。此外,对煤质及细度要求严格,燃烧不稳定,操作难度大。
  沸腾炉:它介于层燃和悬浮状燃烧之间,燃烧时呈沸腾状态,具有强化燃烧、传热效果好、结构简单、可燃烧劣质燃料等优点。但传统沸腾炉由于局部结构设计不合理,直角部分多,使用寿命短,炉内易结渣,涡流现象严重,煤耗较高,燃烧温度偏低。
  节煤型高温沸腾炉:是合肥水泥研究设计院在传统沸腾炉的基础上进行整体改型和优化设计的一种新炉型。其采用小炉床整体框架结构,炉床容积较常规缩小 1/3/ ,炉体结构更加稳固,大大提高了炉体的使用寿命和单位容积热强度;减少了尖锐直角,降低了结渣频率,能够在原有沸腾炉的基础上节煤 40 ~ 60% ,炉温大幅度提升并可自由控制,进一步放宽了对劣质煤的适应程度。几种炉型的技术经济指标对比见表 1 ,单位容积热强度对比见表 2 。

  表 1 不同燃烧方式的技术经济指标比较

炉 型

煤低位

热值 /

c aγ/ kg

燃烧

温度

灰渣含

碳量

%

煤耗

kg/t

投资 /

万元

层燃式手烧炉

5000

600

18

40

8

喷燃式煤粉炉

6000

900

12

30

12

普通沸腾炉

4500

700

8

28

16

节煤型沸腾炉

3000

1100

4

18

16

表 2 几种炉型炉膛容积热强度比较
 

炉 型

q v ( kW/m 3 )

煤粉炉

175~233

抛煤机炉

233~291

普通沸腾炉

930~1170

节煤型沸腾炉

1350~1861

燃油炉

291~349

高炉煤气燃气炉

233~349

4 强化烘干机的热交换状况
  物料的水分分为化合水、吸附水和表面水。通常,化合水很难通过物理烘干来消除,所以烘干效果取决于对表面水和吸附水的蒸发能力,物料在吸收热量的同时蒸发出水分。传热过程主要是依靠接触传导,最直接的途径就是尽量扩大接触面积和延长接触时间。接触面积越大,热交换的范围越广,单位时间的蒸发量就越大,烘干效果就越明显。物料与热介质的接触:一是堆积在扬料板上的物料与热介质间的接触,这种接触器方式非常浅,只有附着在表面的物料参与到热交换中,内部的物料烘干程度低;二是物料在抛撒过程中与热介质间的接触,这种接触相对全面。由于物料在滞空时间段的空隙极大,热介质的穿透率高,能与物料充分进行热交换,故烘干效果显著。因此,增加接触面积应增大物料的抛撒面积。普通烘干机的扬料装置对物料的抛撒次数少,更多的物料始终处于扬料装置表面或筒体横截面的下部,积料厚度深。从这一点看,采用密集交叉和适宜角度布置的新型组合式扬料装置,有利于提高物料的抛撒次数,分散更充分,堆积在每个扬料装置上的物料少、堆积浅,更多的物料被不断得抛撒在空中形成一道道“料幕”,最大程度地增大了物料在空中的分布面积和滞空时间,加之适当提高烘干机转速,也大幅度提高了物料被抛撒的频率,故而烘干效率更为显著。
  一般认为烘干的时间越长,物料被烘干的效果越好。在实际生产中,物料的烘干过程主要是在筒体高温段完成的,随着物料的不断推移,水分含量越来越低,介质温度不断下降,压力对平衡方向的反推动作用力度开始加大,进入降速阶段后,物料极易出现“回潮”、“反湿”现象,此时应该是尽快将物料排出筒体,而不能一味追求延长物料在筒体内的停留时间。新型组合式物料装置中采取的分层排布,互不交叉的特点,可以起到扩大“回潮”段的风洞、加快物料排出机外的速度,以消除 “回潮”现象。适当的延长时间也是指延长物料在高温段的停留时间和被抛撒在空中的有效时间。而高温段的长度取决于热风炉所提供热风的能力,和热风在运行中受到的阻力程度。新型组合式扬料装置所起的“定点返回”作用,在高温段长度一定的情况下,可大大延长物料在高温段的停留时间,将热效率提升到最大程度。同时,阻止了物料脱离扬料空间,窜入到筒体上,磨损筒体,大大延长了烘干机筒体的使用寿命。所以追求在筒体内烘干停留时间不能是无节制的,应该是有针对性的,盲目追求延长时间会加大投资的费用。
  5 收尘系统
  烘干的通风收尘系统为负压工作,其风量较大,废气中的含尘浓度较高,特别是对烘干要求的产量大、水分 < 2% 时,烟气中的含尘浓度急剧增加,粉尘颗粒也相对偏大。而蒸发的水分全部通过废气中进入尾部收尘装置,废气含湿量一般在 15% 以上,露点温度一般高达 40~50 ℃ ,冬季甚至可高于 70~80 ℃, 若燃煤硫含量高,露点温度还会升高并产生酸腐蚀。这些都是增大收尘难度和设备管道磨蚀的直接原因。烘干机含尘废气特性见表 3 。
  表 3 烘干机含尘废气的特性

物料

含尘浓度 g/Nm3

废气温度 ℃

出机气体水分

%

露点温度 ℃

粉尘粒径 µ m

<20

<88

粘土

80~100

80~120

13~15

50~60

60

90

80~150

50~70

10~12

50~60

70

95

矿渣

50~70

70~90

13~25

50~60

20

40

水泥厂常用烘干收尘系统主要有三种工艺。
  ( 1 )采用一级旋风收尘器
  这种收尘适用于矿渣、碎石等原料的烘干。选用镶有刚玉混凝土衬里的高效耐磨旋风收尘器作一级收尘,筒径一般为 1540mm ,出灰口 350mm 。具有处理风量大、抗磨损、抗反风和投资较低等特点,投资约为其他收尘设备的 1/5 。但它依靠重力进行离心分离收尘,收尘效率较低,一般只有 80 ~ 85% ,用于矿渣烘干的收尘可达到 250 ~ 300mg/Nm 3 ,
  ( 2 )采用一级抗结露玻纤袋式收尘器
  这种收尘对处理含尘浓度高的烟气最简单有效。由于玻纤滤袋具有综合憎水、耐折、耐磨损等几种特定性能,加上织物具有的光洁、平整、均匀、极易清灰等特点,能够非常好的适应对高浓度、湿粘性粉尘的过滤;同时,内部采用分室静态清灰方式可彻底解决清灰不完全和二次扬尘现象,并且清灰时间、次数、压力均可由微机控制,该收尘设备工艺简单,收尘效果好,如 FGM 、 HKD 、 LFEF 型等收尘器的废气排放浓度均能够达到低于 50 ~ 60mg/Nm 3 。
  ( 3 )一级旋风收尘器+组合电收尘器
  这种收尘可用于废气中粉尘颗粒比较粗、湿含量过大的物料的烘干收尘,具有效率高、抗高温、抗粘堵等特点,一般废气排放浓度低于 150mg/Nm 3 。其一级收尘器负担较重,必须适当加大设备的处理能力;另外,烘干原煤时需要加设防爆、防腐、防锈等装置,而对于高浓度、大风量的含尘烟气则不宜使用该工艺。
  上述系统中连接烘干机及收尘器、引风机之间的管道布置,应尽可能紧凑,以减少管道的压力损失。生产中风速控制宜保持为 11 ~ 15m/s ,并加强锁风,严格控制漏风率,提高收尘效果。
  大量应用表明,选用节煤型高温沸腾炉,配用带新型组合式扬料装置的回转式烘干机的烘干效果,顺流工艺明显好于逆流工艺。在合理选择收尘,保证引风、密封等环节上正常运行的前提下,对大幅度提高产量和质量,降低能耗,均具有实用意义。在水泥厂新建和改扩建工程中应加强烘干系统的配套建设。

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