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窑尾预热器与分解炉的功能及操作

新型干法新在哪里，好在何处，是值得众多水泥工作者认真研究和探讨的问题。与传统回转窑不同， 新型干法水泥生产工艺新在设置了由预热器与分解炉组成的窑尾系统，实现了碳酸钙在窑外的分解;从此实现了水泥熟料生产的规模化、现代化、设备的大型化、管理的科学化，是水泥工业落实科学发展观、实现循环发展、可持续发展的关键技术，是现代水泥工业的标志性技术。因此认真研究和掌握窑尾预热器和分解炉的功能及操作技术是当前新型干法生产线顺利达产、达标的重要课题。
但在企业生产中，操作者对回转窑的锻烧过程注意较多，而对窑尾系统的重要性和工作状态研究不多，重视不够，以至不能较早、较快地找出和纠正窑尾系统不断出现的问题，如结皮、堵塞、塌料、热提高，运转率低，熟料质量不高等，浪费了时间，延误了时机。

1 预热器的功能和作用

窑尾预热器一般由五级预热器组成，每个预热器呈"三心"大旋亮构造。"三心"即指在垂直方向上气流出口中心、物料出口中心、预热器的几何中心在空间120°分布。目的是在预热器主体腔内形成合理的流场、温度场和压力场最大程度地发挥各级预热器热交换、气固分离、迟滞固相降速的作用，把各级预热器的收尘效率发挥到极致。
由于内筒不在预热器的腔体中心，与周边筒体的距离有宽、有窄，距离大的地方形成宽腔，距离小的地方形成窄腔。稀固相气流沿切线方向进入宽腔，速度下降，部分粉尘沉降;气流继续进入窄腔后，速度加快，在离心力和气流压力的作用下，多数粉尘贴着腔壁下滑至腔内锥体;气流通过窄腔后再进入宽腔，速度复又下降，部分粉尘再次沉降，最后含有少量粉尘的气流由内筒逸出预热器。内筒由挂片组成，具有消除气流的涡流作用，使被挟带进入内筒的粉尘进一步沉降。气流由进入腔体至由内筒逸出，腔内形成较稳定有序的流场、压力场有利于气、固两相的分离和热交换，但气固两相的主要热交换过程是在进入预热器前的气流管道中进行的。
预热器系统一般自上而下分别由C1、C2 、C3 、C4 、C 5 级筒组成。在高温风机负压气流的作用下，气流由分解炉依次进入 C 5、C4、C 3 、C2 、C1 级旋风筒，经增湿塔进入袋式收尘器，各级预热器的出口温度、压力依次递减。气流由C5 至 C1 级旋风筒的通道始终是畅通的，而生料由 C1 级筒喂入后，由于受到各级筒翻板阀的作用，在缺少通风的情况下，不能在重力下自动进入下级筒。
C1 级筒出口物料经翻板阀被 C3 级筒出口气流吸送至C2 级筒，C2 级筒出口物料经翻板阀被 C4 级筒出口气流吸送至 C3 级筒，C3 级筒出口的物料经翻板阀被C5级筒出口的气流吸送至C4级筒，C4级筒出口物料经翻板阀在自重和负压的作用下被吸人分解炉，分解炉中的结粒物料从烟室进入回转窑，粉料被 吸人 C 5 级筒后，由C 5 级筒沉降入窑尾烟室，气流则进入 C4 级筒。从上述过程可以看到，各级预热器接受上一级预热器的低温物料，接受下一级预热器的高温气体。低温物料与高温气体在进入本级预热器的管道中交汇， 由于气、固两相温度反差较大因此热交换进行的较为迅速相充分，是气、固两相热交换的主要过程，70%-80%以上的热交换都是在本级预热器进气管道中进行的，而在预热器内气、固两相的热交换大致在 20%左右。但预热器是气、固两相进行热交换的重要前提条件，只有预热器在充分进行气、固分离之后，才能逐级顺利实现气、固两相的热交换，因此各级预热器气、固两相的分离作用是预热器的主要功能。
气、固两相的分离效果取决预热器的收尘效率，一般C1 级筒收尘效率为 90%-95% ，C2、C3、C4级筒为 86%-88%，C5级筒的收尘效率应在 88%以上，其 中 C1级筒的收尘效率最为关键，它控制实际进入预热器粉状物料的多少。500Ot/d 生产线窑尾 C1 级筒每小时的喂料大致为 330t/h，如 C1 级筒收尘效率为95% ，则每小时实际进入窑尾的物料为 314t/h，另外有 16t/h 料伴随气流进入窑尾袋收尘器。如果 C1 级筒的收尘效率降为90% ，则每小时实际喂入窑尾的生料仅有297t/h，而随气流进入窑尾袋收尘器的物料则多达33t。这部分物料再经袋收尘器下设的绞刀、斜槽、提升机返回生料仓，再由窑尾提升机重新喂入C1 级筒， 这一过程的能耗损失、设备的磨损都是无谓的浪费。
如 C1 、C2 、C3 、C4，C5级筒的收尘效率下降，将使本级筒内已进行充分热交换的生料又返回上级筒与低温稀固相气流混合，造成热量的损失和浪费。所以各级预热器的收尘效率是影响窑尾系统正常、高效运行的重要参数。从理论上讲各级预热器的收尘效率应当是越高越好，但追求过高的收尘效率将使系统阻力增加，导致过多的压力损失，窑尾风机功率的增加，同样是一种能量的损失。设计中已对预热器系统的阻力和风机功率进行了恰当配置保持收尘效率设计参数的稳定是十分必要和重要的。在正常生产中，影响各级预热器收尘效率的因素主要是内筒的长短，挂片的完好程度以及翻板阀的工作状态等，此外风量的变化，给料量的变化也都对收尘效率有或多或少的影响，因此提高操作水平，保持各级预热器较高的收尘效率是水泥企业生产管理上的一个重要课题。在预热器设计参数确定之后，内筒尺寸长短的变化将决定预热器的收尘效率。一般说，内筒长度不变，收尘效率不变，由于磨损、烧失，长度变短，收尘效率将随之呈线性下降，挂片磨损、烧失，部分进口气流易从出口短路，收尘效率则有较大的下降。
翻板阀是预热器系统唯一的运动部件，它的作用 一般常被忽视，它的工作状态对预热器的功能性作用影响较大，严重时可使回转窑不能正常工作。"煤粉后燃"和气体温度过高会造成生料液相过早产生或液相过多，使翻板阀板面积料，动作失灵或长开，这种现象 在 C3、C4 、C 5 级筒最易发生。
如某一级预热器收尘效率下降，造成该级筒应该收下来的粉状物料没有及时收下来而进入上级;在上一级筒仍然保持较高收尘效率的情况下， 进来的粉尘不能如数排出，而下一级筒的物料又源源不断地回到上级筒 则该筒的粉尘累积量不断增加，粉尘浓度不断增大。粉尘在本级筒内的不断聚集，犹如积云不断加厚，处于悬浮状态的浓厚积尘， 在上升气流负压不堪重负之下，该筒粉状物料势将沿上升气流管道、预热器如爆雨一样一路狂泻，直至分解炉形成"塌料"。一般是下级预热器收尘效率下降，造成上一级筒的塌料，通常以 C2 、C3 级筒塌料现象较多，其中 C3 、C4级筒收尘效率的下降是主要原因。
翻板阀动作失灵或常开是造成预热器收尘效率下降或塌料的另一个主要原因。如 C3 级筒的下料管与C5 级筒上升气流管道相连，其中 C3 级筒下料管的翻板阀起到管道密封和控制物料流动的作用。一旦该翻板阀动作失灵或常开，C5 级筒的上升气流短路走捷径，部分气流将携带粉尘通过翻板阀进入C3级筒，这一结果使C4级筒的压力、温度下降， 形成C4级筒收尘效率的实质性下降，C3 级筒压力、 温度增高，粉尘浓度增加，易造成“塌料”。上述现象可以从中控室各列各级预热器出口的温度、压力值的 不平衡和明显变化做出判断。
例 1 某国内曾知名企业，C1 级筒收尘效率为95%，C2级筒收尘效率不足 80%，在内筒磨短、磨平之后，收尘效率更下降到60%以下，因而频繁发生"塌料"，事故不断，被工人称为"天天窑"、"礼拜窑"，即天天塌料，每礼拜塌料，吨熟料实物煤耗竟高达 220kg。 频繁塌料使生产线始终不能正常生产，企业苦不堪言，以至濒临破产的边缘。
2 山西某厂投产以来，每隔lO天到半个月都要发生一次间歇性塌料。塌料时生料从窑尾密封圈处外逸，历时 30min 之久，"狼烟"四起，污染严 重。目前企业尚未找到经常发生塌料的原因，损失不言而喻。
所以内筒磨损、烧失和翻板阀板面积料，导致动作失灵或常开是预热器工作中最易产生的两大弊病， 应引起高度注意。应该说翻板阀的动作情况应列为巡检工的日巡检内容，一旦翻板阀动作失灵或常开，应做为事故进行处理，一定要避免带病运中控室显示屏上各个数值显示对判断生产线的 运行状态都是十分重要而有意义的。中控室操作人员应认真记录该生产线各列、各级预热器气流出口温 度、压力的初始数据、正常运行数据及预热器发生事 故时的温度、压力的变化数据等，从对这些数据的变化规律和两列同级预热器出口温度、压力参数变化的对照中研究、分析、判断预热器运行是否正常或产生 问题的原因并有针对性地提出处理意见。
此外，双列对应预热器的温度、压力呈现规律性数值差时，则应考虑是由两列 C1 级筒给料量的不均衡造成的，应调整给料量。

2 分解炉的功能和作用

分解炉的作用主要有三个:一是使燃料在炉内具有充分的燃烧时间，理论燃烬度应达到 100%，以使燃料的热量得到最大释放。二是通过激烈的旋流、喷腾，使物料的分散度达到最大，促使其在分散悬浮状态中与热气体进行充分的热交换三是促使碳酸钙的快速分解，分解率应达到90%以上。
要实现上述目的，分解炉内稀固相气流应有一个相对稳定的流场、浓度场、温度场和压力场。分解炉从诞生到今天经历了多次研制和改进，派生和衍生的型式多种多样，林林总总，归纳起来共有五大类 37种。依气流的运动形式大致可分为旋-喷式、预燃室-喷腾式、流化床-喷腾式和悬浮管道式等。各型式分解炉依 靠"旋风效应"、"喷腾效应"、"悬浮效应"和"流态效 应"，使稀同相气流在炉内达到高度分散，增加物料与热气流间的接触面积，延长物料在分解炉内的滞留时间，达到提高燃烧效率，提高热交换率及提高入窑生料分解率的目的。日常使用的分解炉多具有两种以上 的气流运动形式。但从宏观上看，各种分解炉的技术 原理基本相同，并且随着分解技术的日趋成熟和技术 上的相互渗透，各种预分解窑在工艺装置和分解炉的结构形式上又大同小异。
评判一个分解炉是否先进，大体有两个必要条件:第一是碳酸钙的分解率及单位热耗的大小。新型干法标准煤耗可以降至 l00kg/t 熟料而实现碳酸钙的窑外分解，分解炉发挥了关键作用。湿法窑吨熟料标 准煤耗为 200kg，中空窑为 160kg，立波尔窑140kg，新型干法可以降到 100kg 以下。新型干法窑前标准煤耗大体为40kg，窑尾标准煤耗60kg。如果认为各种回转 窑熟料锻烧标准煤起大致相同的话，新型干法相对各种回转窑的标准煤耗的减少量均应为预热和分解过程中节省的标准煤数量。即可以认为，通过分解炉节省的煤量，与上述各种落后工艺相比，较湿法窑吨熟料节省标准煤起高达 100kg，较中空窑节省 60kg，较立波尔窑节省40kg。因此预热器和分解炉的设置和应用对节能降艳、降低生产成本、提高经济效益发挥了 决定性的作用。
对于分解炉来说，分解率达到 90%以上应该说已基本满足工艺要求，在分解炉已达到 90%以上时，不应再追求更高的分解率。如追求更高的分解率，势必要提高分解炉的温度。炉温过高，将导致液相矿物 C3A和 C4AF 的过早、过多产生，将造成C3、C4\C5 级筒翻板阀板面因积料而动作失灵，也是 C5 级筒易发生结皮、堵塞的另外一种原因(原料与燃煤中的有害成 分是正常因素)。
第二是煤粉的燃烬度和对煤种的适应性。燃烬度高可使燃煤热值实现最大释放，燃烬度低会造成燃煤的浪费;还会造成"煤粉后燃"。"煤粉后燃"是窑尾系统的严重问题，是燃煤在应燃烧的地方没有燃烧，在而后不该燃烧的地方无谓地燃烧，在工艺上帮"倒 忙"，造成热量的损失和成本的增加。"煤粉后燃"是指进入分解炉的煤粉由于煤质易燃性差、煤粉细度不够、氧气量不足等原因，没能在分解炉内充分燃烧，而 进入C5、C4、C3 级预热器并继续燃烧的现象。"煤粉后燃"使各级预热器的温度场发生变化，不正常升高，液相过早、过多出现，造成 C5级筒下料管结皮、堵塞，造成预热器内筒烧失，回收率下降等。
对煤粉、煤种的适应性是目前对各种型式分解炉的最大考验和挑战。从全国来看，优质煤较少， 而中、低质煤较多。随着新型干法的普及、发展及各地的不同情况，新型干法必须面对优质煤不足和 中、低质煤大量存在的事实所选用的分解炉对煤种的变化应具有广泛的适应性，不仅可以烧优质煤，更可以燃烧中、低质煤。否则一条新型干法生产线只能烧 23 400kJ/kg (5 6OOkcl/t) 以上的优质煤， 离开优质煤就"玩不转"将使企业陷于困境、被动 和成本上升，效益下降，以至停产。
如河南境内热值在5600∽5800kcl/t)的高热值煤产量不多，价格更高，而中低热值煤数量充足，却不能使用。为此，省内新建新型干法生产线85%以上的企业都要舍近求远，花高价到山西、 陕西去采购，去运输。如受道路、天气的影响，企业用煤将受到严重影响和制约且吨熟料成本将提高10-15 元而影响产品的市场竞争能力和企业的经济效益。
力求采用适应性强的分解炉，采用当地低热值 煤，已成众多在建水泥企业的共识和努力方向。
从目前的生产实践看，旁置预燃室及多重喷腾炉具有构造简单，阻力低、产量高等特点，对热 值在 23 4OOkJ/kg (5600kcal/t) 以上燃煤的适应性 较好，但对热值在 21 740kJ/kg(5200kcal/t) 以下的 燃煤适应性较差。
流化床喷腾妒，由于煤粉在流化床炉内预燃后，热 气流经过一定长度的上升烟道再进入分解炉，煤粉燃 烧时间长，燃烧充分，无论是优质煤、特别是中低质煤 都有较高的燃烬度，可适应热值为20060-21740kJ/kg (4800-52ookcl/t)的燃煤，具有一定的发展前景。
目前悬浮管道式分解炉有一定的发展。如某厂采用倒 U 型管道分解炉，管道长度在 100m 以上，煤粉在管道中有充分的燃烧时间，燃烬度高，热气流与生料接触时间长，没有"煤粉后燃"现象，触媒性矿物生成时间次序有度，分解率高，对煤种适应性高，可适应18810-20900kJ/kg(4500-500Okcl/t) 热值燃煤的燃烧。该生产线自2006 年 9 月投产到 2008 年 6 月检 修，连续运转20 个月 (600多天)，运转率创下记录。这 意味着该预热器和分解炉在 600d 内很少有结皮、墙 塞及塌料现象发生，管道分解炉功不可没。

3 "炉内高温"与"煤粉后燃"

通常普通回转窑喷煤量视熟料的锻烧效果而定， 对窑尾温度的高低很少关注。但新型干法的喷煤量则要窑头、窑尾兼顾，即不能少，更不能多，尤其是分解炉内的温度不是越高越好而是要恰当地掌握好温度的下限与上限。应以实现碳酸钙 90%的分解率为下限， 以实现 20%触媒性矿物的生成温度为上限。温度低不能保证分解率，温度高则导致触媒性矿物过早、过快、 过多生成，将损害预热器的工作效果。如预热器内筒挂片由耐热钢制成，具有一定的热耐磨性，但如果温度长期接近、达到或超过耐热钢的软荷点，耐热钢就将丧失其良好的热耐磨性成为普通钢，将加快内筒挂片的磨 蚀和烧失，使预热器回收率下降。"炉内高温"使触媒性矿物过早、过快、过多生成的第二点害处是使翻板阀板面积料、动作失灵或常开并导致C5级筒下料管结皮、堵塞。除上述两种破坏性损害之外，也将造成分解炉内物料结粒变大、以至"结蛋"，影响熟料的烧成效果。
造成"炉内高温"的主要原因是"煤粉后燃"
一是煤粉细度不够，分解炉功能性差，煤粉在炉内燃烧时间不足，此后进入 C5、C 4 、C3 级筒继续燃烧。
二是操作人员惟恐煤粉燃烧不好，不适当地加大罗茨风机的风压、风量把本应在窑头 10m 内就应形成火头的燃煤喷到窑中燃烧并进一步推到窑尾，形成热量重心后移，造成"炉内高温"。一次风量过大，造成火头因冷空气过多而迟燃同时大量使用一次风， 则二次风用量减少，也是一种能源的浪费，违背节能降耗的宗旨。
三是不适当提高喷煤量。由于空气中的氧含量是限量供应，多喷的燃煤因缺氧而不能很好地燃烧，不能达到更多释放热量提高炉温的作用。喷煤的多少应不大于设计标煤在量的 5%-10%为准，多而无益。
四是窑风大、尾风小同样造成"煤粉后燃"。窑头、 窑尾喷煤量分别为 40%和 60% ，则风量分配也应是40%和 60%。但在实际操作中，作为调节窑风和尾风数量的三次风间往往开度不够。多数企业三次风阀开度大致在 30%-40%之间。在总风量不变的情况下，三次风阀开度不够，风速下降，甚至出现大量的粉尘沉降，三次风通风不畅，则窑风数量大增，风速增大，把 喷人窑内的煤粉快速带入窑中、窑尾。此时看起来窑内火头明亮、好看，但尾煤处于缺氧状态而燃烧不好。 缺氧的尾煤和快速进入分解炉的头煤在大量高速窑风进入后共同在分解炉内燃烧产生"炉内高温"，而尚未充分燃烧的煤粉将跟随上升气流，进一步到 C5、C4、C3 级筒中燃烧，即为"煤粉后燃"。
综上所述，稳定预热器的收尘效率，选择适应多煤种的分解妒，改进操作技术，努力消除"煤粉后 燃"，避免"炉内高温"，保证预热器与分解炉的正常 工作，应视为新型干法熟料生产线提高产量、提高质 量、节能降艳、提高回转窑运转率的关键措施和重要途径。