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1、第二章 水泥熟料燃烧过程和设备,2.3 新型干法窑系统中预烧过程和设备二、分解炉（Precalciner）与预分解窑(NSP窑)三、新型干法窑的调节与控制的内容与原则,2,二、分解炉（Precalciner）与预分解窑(NSP窑),预分解窑的基本流程、一般操作参数值分解炉的功能与类型各类典型分解炉结构特征简介,3,预分解窑的基本流程,4,预分解窑的特点(与其它窑相比）1）结构特点： 窑尾增设分解炉，承担了原来在回转窑内进行的大量碳酸钙分解的任务；2）热工特点： 增加“第二热源”，大部分燃料从分解炉内加入，改善了回转窑系统内的热力分布格局，大大减轻回转窑内耐火衬料的热负荷，延长回转窑的寿命。3）
2、工艺特点： 将水泥熟料煅烧工艺过程中耗热量最大的碳酸钙分解过程移至窑外进行，燃料与生料粉处于同一空间且高度分散，燃料燃烧所产生的热量能及时高效地传递给预热后的生料，使燃烧、换热及碳酸钙分解过程都得以优化，使水泥熟料煅烧工艺更完善。,5,一般操作参数值,窑尾气体温度 10001150分解炉出口气体温度 850950C4出口气体温度 850900C3出口气体温度 710750C2出口气体温度 550 600C1出口气体温度 330 390入窑生料温度 800 860入窑生料表观分解率 85- 95 三次风温度 700 800窑尾负压 0.30.4MPa入排风机负压 3.5 7kPa预热器出口气体含
3、尘浓度 6080gNm3预热器出口气体O2 含量 2.5 4.0窑与炉所用燃料比 0.6/0.40.4/0.6,6,2分解炉的功能与类型,功能：高温气固多相反应器；炉内所进行的过程可归纳气固系统的流动、分散、燃烧、分解、传质、输送分散是前提，换热是基础，燃烧是关键，分解是目的类型,NSF、 CFF炉 旋流式D-D炉N-KSV炉 旋-喷式RSP炉 FLS炉 喷腾式N-MFC炉 沸腾式Pyroclon、Prepol炉 悬浮式,7,NSF（suspension preheater-flash furnace）、CFF(Coal Flash Furnace )分解炉特点,日本石川岛公司与秩父水泥公司,
4、8,NSF分解炉特点,三次风以强旋流与上升窑气在涡旋室混合，形成迭加湍流运动，强化粉料的分散与混合,燃料分别由几个喷咀自涡旋 室顶侧向下斜喷入热气流中，进行初步燃烧，再随气流一道进入反应室，反应室底部是主要燃烧区，高效混合防止不完全燃烧。,9,NSF分解炉特点,生料分两部分加入，从反应室锥体部分加入,从上升烟道中加入，用以调节气流量的比例，从而不需在烟道设置缩口，同时也减少了在这一部位结皮的机遇,10,CFF分解炉特点,主要改进：分解炉上部设一缩口并使炉气呈螺旋形出炉；炉与预热器联接管道延长,生料被旋转气流扬起后又被缩口壁或出口里壁反弹而下，再与中心气流混合，进一步改善分散，延长生料在炉内停留
5、时间（15s）,日本秩父水泥厂,11,D-D炉(Dual Combustion and denitration Precalciner),日本神户制铁公司,12,D-D炉：结构：上、中部：圆柱体 下部：倒锥体 两柱体间设缩口，形成二次喷腾，强化气流与生料间混合气体：三次风径向，窑气喷腾燃料：90%的燃料在三次风处进入，与空气充分燃烧；10%在下部倒锥体进入。燃料燃烧处于还原态生料：生料在中部圆柱体进入，处于悬浮态,13,D-D炉：,据工艺性能分四个区段：第一区：分解炉底部倒锥体部分-脱NOx的还原区第二区：分解炉中部圆筒中线之下部位，生料分解、燃料燃烧区第三区：分解炉圆筒部分中线之上，主燃烧区
6、第四区：上部圆柱体，完全燃烧区,2CH4+4NO2 2N2+2CO2+4H2O 4H2+2NO2 N2+4H2O4CO十2NO2 N2+4CO2,14,D-D炉(Dual Combustion and denitration Precalciner),分解炉直接装在窑尾烟室上，无中间联接管道窑气喷射入炉与径向送入的三次风形成交叉流动(或略有旋转流动)，压损小；,精心布置煤粉喷咀，合理控制气氛，既保持低NOx生成，又保证燃料完全燃烧,脱硝,15,N-KSV分解炉（New Kawasaki Spouted Bed and Vortex Chamber）,喷射,室,旋风,16,据工艺性能分四个部分：
7、喷腾床、涡旋室、辅助喷腾床（缩口）、混合室,（5）N-KSV型炉：结构：上、中部：圆柱体 下部：倒锥体 两柱体间设缩口-二次喷腾,强化气流与生料间混合气体：三次风 切向而入 窑气 喷腾进入 燃料：主喷嘴在三次风管上方，与空气充分 燃烧 辅助喷嘴在下部倒锥体进入。燃料燃烧处于还原态生料：部分从三次风管上部喂入， 部分从中部圆柱体喂入。,混合室缩口涡旋室喷腾床,17,N-KSV分解炉特点,直接与窑尾烟室相连，下部锥形窑气喷腾流动上升入炉中部柱体，三次风切向旋转流入，中间设缩口，形成二次喷腾效应，最上方设缩口促进混合,18,N-KSV分解炉特点,涡旋室:由于三次风切向送入，和C3来的部分热生料，在此
8、得到充分分散与混合，燃烧与分解反应得以强化，且不致形成明火焰；调节需要时，此处设置辅助喷咀，适当增加煤粉用量，调控炉温860-870缩口区：由于加速作用，形成补充的次喷腾效应，其目的为进一步促进混合与反应,混合室:使气固分散与均布得到强化，以完成燃烧反应和满足分解率的要求,喷腾床:主要燃料喷咀布置在这一区域，燃料在窑气中开始燃烧，形成的NOx少,19,RSP分解炉（Reinforced Suspension Preheater）日本小野田水泥公司和川崎重工共同开发,20,21,RSP分解炉特点（Reinforced Suspension Preheater）日本小野田公司,分解炉由三部分组成旋
9、流燃烧室（SB）：三次风旋流进入，分散燃料并使其部分燃烧旋流分解室（SC）：三次风吹送来的热生料与煤粉呈旋流运动，煤粉进一步燃烧，生料受热、部分分解混合室（MC）： 由SC来的气料流与喷腾窑气迭加混合，继续燃烧、分解,22,RSP分解炉特点（Reinforced Suspension Preheater）日本小野田公司,混合室直接坐落在窑尾烟室上部，用斜管道与SC相通；MC室喷腾喉部可装可调闸板控制窑气与三次风相对流量三次风10-15%由侧向进入SB与由顶部喷入的煤粉混合，90-85%的三次风由SC室上部旋转入炉，并将C3来的生料带进来，使之分散混合,23,FLS分解炉丹麦F.L.Smidth
10、公司,SLC-Seperate Line Calciner,24,FLS分解炉特点,炉型简单，由柱体和两个锥体组成；三次风由底锥喷腾送入煤粉喷咀装在柱体与下锥连接处，煤粉在纯热空气中燃烧，炉温较高，煤粉燃烬度较高C3来的热生料在分解炉的上、中部分两次加入，以调节炉温,25,FLS分解炉特点,风料自上锥口排出，可轴向也可斜向两个系列可分别由两台风机驱动，便于控制；C4排出的热生料可通过特殊分料阀分别送入炉或窑气体流型单一，生料、燃料在炉中停留时间短（2.53.5s），所以必须保证炉温,26,N-MFC分解炉（New Mitsubishi Fluidiged Calciner）日三菱公司,N-MF
11、C型炉：结构：上部：圆柱体 下部：倒锥体气体：三次风切向而入 流化空气、入炉窑气喷腾进入燃料：从倒锥体下部进入，与流化空 气直接接触。生料：从倒锥体上部进入,根据工艺性能分四个区：流化区、供气区（涡流区）、稀薄流化区、悬浮区,28,Pyroclon型与Prepol型分解炉德洪堡公司公司,29,30,3、分解炉的工作原理,(1) 粉料在气流中分散采取喷(腾)-旋(流)或湍(流)-旋(流)迭加流动方式单纯旋流，虽能增加物料在炉内的停留时间，但旋流强度过大易造成粉料贴壁运动，对均布不利单纯喷腾，有利分散和纵向均布但会造成疏密两区、部分物料短路单纯流态化，气固参数相一致，降低传递和反应的推动力，若要反
12、应程度高对炉温要求相应较高，且阻力损失过大，简单的强烈湍流，设备高度过高,31,(2) 燃料的燃烧,燃烧过程是分解的基础，已证明燃烧反应速度比分解反应速度慢，因此是控制因素燃烧反应速率首先与温度呈指数的变化关系，其次受环境中O2和CO2分压的影响，因此气流合理流动也很重要燃烧放出热量，瞬间被生料粉所吸收，因此不形成火焰,32,(3) CaCO3分解反应,分解炉内所能达到的分解率首先取决于炉温，炉温低，要达到同样分解率，必明显地延长物料在分解炉内的停留时间(改变流型或增大炉容积)或采取 100%的循环量的再循环流程给予补偿优化迭加气流的运动特征是优化分解炉设计的一个方面,33,4 预分解窑系统的
13、流程组合,34,(a):特点：分解炉所需助燃空气全部由窑内通过，无三次风管。 优点是可节省投资、操作简便、冷却机选型不 受限制。 缺点是过多的空气通过窑内，影响窑的操作。 (b):目前常用形式 特点：分解炉所需助燃气由三次风管提供，在炉内与窑气混合(c):特点：分解炉所需助燃空气由三次风管提供，窑气不入炉。 优点是保证炉内燃料在纯空气中燃烧。,同线型,35,预分解窑三种基本气流流动组合方式,a:运行正常时，窑内过剩空气系数高达2.05，此时火焰的理论燃烧温度将由2200降到1800左右，但若入窑生料分解率达90，窑内烧成需热量仅为正常情况的18，因此烧成温度仍能满足生产,36,(c1)：窑气在
14、分解炉后与出分解炉的炉气混合，再入预热器系统。(c2)：窑气不与出分解炉的炉气混合，各自经过一个单独的预热 器系统(c3): 窑气从窑尾排出，可余热利用或旁路防风,半同线型,异线型,旁路放风型,37,(2) 生料流程的不同组合,生料再循环流程FR5 将几倍于产量的生料粉循环送回到分解炉中，使粉料有机会多次通过分解炉，从而大大延长物料在高温气流中停留的总时间，提高生料的分解率,循环料量() 炉温() 生料分解率(） 0 900 82 300 900 90 300 815 82,38,再循环流程,39,生料连续通过两个系列的预热器PASECParallel Gas Flow-Serious Mat
15、erial Flow-Calciner,特点：生料粉在两个平行的预热器系列中交叉连续通过，气体只经过其中的一个系列，因而气固接触机会比通常情况下增加一倍，相应各预热器中生料粉浓度也提高一倍，从而大大强化换热效果，热能得以充分利用两系列预热器出口气体汇集后温度可降到230245，热耗能降到2900kJkg熟料左右,40,PASEC,41,生料交叉通过预热器并与带循环料流的分解炉组合SCSSumitomo Cross Suspension Preheater and Spouted Calciner,特点：兼有PASEC生料在两系列预热器中交叉错流以强化预热效果的优点和FR5再循环生料入炉以促进分
16、解反应的优点系统操作稳定，换热效率高，分解炉温低而燃烧和分解反应能比较完全,42,SCS,43,5几种主要型式预分解炉结构及性能的综合对比 p75,44,6分析评议分解炉特征的要点,气体流动与气量平衡的方式分解炉实质上是气固悬浮态高温反应器，气体流动类型与气量平衡关系 炉内燃料燃烧的条件 加料点与加煤点的位置 粉料与气体在炉内的停留时间比：分解炉内的温度,45,7窑外分解新技术优缺点的评述,单机生产能力增大近一倍：以窑单位容积产量比较窑衬砖寿命可延长到4倍，达2000h，火砖消耗减少一半NSP窑运转率约比SP窑提高10，大型NSP窑运转周期约85-99天，SP窑为75天左右,46,关于窑外分解
17、新技术优缺点的评述,NOx生成量少50可选用低质燃料成低价废物(如轮胎)作燃料生产规模大、经济性好，设备投资、基建费用可降低10可节省约5%燃料（约相当于4284kJ/kg熟料）自动化程度高，操作稳定，事故相对少，结皮堵塞出现次数少,47,关于窑外分解新技术优缺点的评述,窑尾气体中有害成分氯、碱、琉等富集浓度大，放风效果好，对原料的适应性相对高NSP窑电耗高，窑后系统框架高(4090m)，投资大 实践证明，对于规模较小的生产线(1000t天)，该系统的优越性往往难以充分发挥,48,三、新型干法窑的调节与控制的内容与原则,系统较复杂，参数调整响应比较慢，不能像传统中空回转窑那样仅凭窑头看火，随时
18、调整风、煤、料的量即可达到稳定生产要求全系统经常处于均衡稳定的条件下，保持各项技术参数合理，达到最佳的热工制度中央控制室集散式控制,49,系统控制,窑系统中要保证最佳的热工制度和热力分布，最关键的工艺参数是窑烧成带温度、分解炉温度、全系统燃料燃烧和通风情况,50,系统控制,烧成带物料温度氧化氮(NOx)浓度窑转动力矩 由于燃烧温度较高的熟料，被窑壁带动的高度也较高，因而窑体的转动力矩较煅烧温度低的熟料为大，故也是表征烧成带情况的另一个数据,51,系统控制,窑尾、分解炉出口或预热器出口气体成分 O2含量多，表示供风(或漏风)过剩； CO存在表示风量不足 均可通过系统主排风机风门开度或风机转速调节
19、； 分解炉的通风情况，可用三次风管上的风门闸板进行平衡和调节； 对装有电收尘的系统，分解炉出口或C4与C3出口气体中(CO+H2）含量要严加控制,否则会出现爆炸事故。,52,系统控制,窑尾气体温度:控制在9001050为宜分解炉或最下一级旋风筒出口气体温度,53,调节系统,电子计算机部分自动调节回路部分可编程序逻辑控制器(PC)部分,54,发展,生产能力增长50年代对原料有害成分的敏感，结皮堵塞70年代初期开发预分解技术，预热、预分解和烧成石油危机和能源价格上涨，促使了窑外分解以煤代油技术成熟高效低阻预热器、分解炉,55,发展趋势,从热工角度，进一步降低熟料烧成热耗难度愈来愈大，因为熟料形成热的数值取决于所用原料三大热损失：废气带走热量损失、冷却机带走热量的损失、系统散热损失。需要进一步解决的问题：主要是用劣质原料生产特种水泥、低品位燃料的充分利用,56,预热器窑焓流图,57,发展趋势,全系统的合理匹配：不过份追求系统中某些单体性能最佳，而强调预热器分解炉管道回转窑冷却机系统总体效益最佳,58,end,59,60,61,
