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行业知识

水泥窑生物质燃烧机的设计

水泥窑生物质燃烧机的设计

    生物质是现在水泥生产中成本最低的燃料。然而,与油和天然气比较,生物质是一种多变的燃料,它包含许多杂质,如灰分、硫和氯。作为固体燃料,处理生物质的燃烧系统比起用油或天然气的类似系统复杂得多,此外,生物质和原料的化学性质也许对窑的操作和产品质量带来限制,这在其它燃料是不会发生的。

    任何生物质的燃烧系统必须对生物质多变的性质予以充分的考虑。’生物质也许来自几个来源,要保证对燃料选择的灵活性。对于设计燃烧系统和燃烧器,保证稳定的操作条件,以便以较小的窑耐火砌层的损耗获得始终如一的高质量产品从而取得最大的窑大修间隔时间。

    本文涉及到生物质燃烧机设计及生物质燃烧机、窑以及窑的燃烧系统之间的关系。关于直接和间接燃烧系统的优、缺点将不作详细的讨论。

    生物质燃烧机的设计对燃烧效率的影响

    生物质燃烧机是窑系统最关键的部件之一。意到它的设计的真正重要性只是近几年的事情。甚至今天,也常常不把生物质燃烧机作为窑和冷却系统的一个主要部分来考虑,而重视生物质燃烧机,对于水泥窑的最佳运行是必需的。

    过量空气对窑热效率的影响是非常重要的,、这一点已得到证实。图1为氧气量和所测得的半千法窑的日平均热耗的关系。显然,有一个很清楚的趋向,当把窑内的氧气量从1%捉高到5%时,热耗将提高lo%以上。

    尽管过量空气在热工过程中对于总热效率的影响已为人们所知多年了,可人们对这点所给予的注意之少却是令人吃惊的。氧气量增加引起热效率降低,是由于首先需要加热这些过量的,通过窑内的氧和氮使其升高到火焰温度,最后又降低到窑尾温度。

    在水泥窑里,增加空气流过冷却机的量会使二次空气温度下降,从而导致了火焰温度的下降。因此,需要更多的燃料使窑内物料达到所需的烧结温度。所增加的燃料量大大多于仅仅加热过量空气达到窑尾温度所必需的。

    假如火焰中的过量空气少于一定量,则会产生一氧化碳。这样又会因碳的不完全燃烧导致燃料消耗的增加。

    生物质里产生热的成分是碳和氢,这些成分被氧化后释放出热。这种氧化过程的化学性质是一种非常复杂的链式反应。

    碳的不完全氧化

    在燃料/空气混合不良构状态下,燃料中的碳不能完全氧化生成二氧化碳,一部分将形成一氧化碳。产生一氧化碳的主要影响在于减少了从燃料中放出的热,这是因为碳氧化变为一氧化碳时放出的热比起变成二氧化碳要少得多。

    可以看到,与产生二氧化碳相比,产生一氧化碳时仅仅得到一半多一点的热量,于是,何由于燃料/空气的混合不良而产生一氧化碳的生物质燃烧机,都会使燃烧效率显著下降和窑的热耗增加。

    燃烧阶段

    事实上,甚至在看来是瞬时的爆炸,也并非刹那间发生的。所有燃烧过程都按下面几个阶段进行:

    混合——点火——化学反应。

    燃烧速度取决于上面几个阶段中最慢的一个。在多数工业燃烧系统中,混合较慢,而点火和化学反应非常快。因而,燃烧的速度和完成是由燃料/空气混合的速度和完成所控制的。

    图2所示为过量空气与烟气中热损失的关系。当过量空气减少时,烟气中的热损失也减少直至达到一个最低点。再减少过量空气,则因为可能导致碳的不完全燃烧而使热损失增

    图2  窑废气热损失受氧的影响加。生物质燃烧机的效率越高,达到这一最低点的过量空气越少。这个最低点的位置几乎完全是燃烧器系统燃料/空气混合效率的函数。而且,最低点的位置愈靠近过量空气为零的位置,在最小过量空气条伴下的热损失量就越小。

    窑生物质燃烧机的工艺设计常常与窑系统本身相脱离,仅仅考虑了如燃料流量、一次空气这些因素。然而,实际上它应包括生物质燃烧机本身、一次空气系统、燃料供应系统和二次空气。因为燃烧空气主要是从冷却机直接供给窑的二次空气,窑的空气动力学在燃料/空气混合和燃烧的全部工作中起着关键性作用。因此,在设计水泥窑燃烧系统的生物质燃烧机时,保证它与相应的窑的空气动力学正确匹配,这是绝对必要的。

    冷却机水泥窑生物质燃烧机的布置简图如图3所示。一次空气从带涡流或不带涡流生物质燃烧机中以单射流或多射流喷出。这些一次空气射流通常为燃烧所需空气量的8~30%。从窑密封圈等处漏入的空气约为另外的2~10%。为了获得完全燃烧,这些空气和其余的,即二次空气,必须与燃料均匀地混合。  ’

    控制燃料/空气混合的因素

    燃料/空气混合是喷射渗透的结果。图显示了快速运动的一次气流和较慢的二次空气在边界上发生摩擦的情况。摩擦的结果,靠近射流边缘的二次空气被加速到射流的速度,而射流则因为动量转移而使速度略有下降。射流由于渗入空气量的增加而扩大。这个过程一直继续,直至射流速度与周围气流速度相等。假如一次气流具有足够的动能来带动所有的二次空气,并且仍然比它周围的空气具有较大的速度,这些过量的动能将带人窑深处的燃烧气体。这种现象称为“循环”(见图5)。循环是否出现对火焰特性有很大影响。适度的循环,对完成燃料/空气混合是积极的迹象。而没有循环,则清楚地标志着并非所有的二次空气都被带进一次空气流。此外,缺乏循环时,一次气流有扩展到碰撞耐火砖砌层为止的趋势。图6所示为2000吨/日多筒冷却机窑的一次射流。射流扩展的理论碰撞点在,点。在A点与B点之间的砖砌层就会迅速磨损,并导致窑砌层的过早损坏和重砌。轴向流动生物质燃烧机的循环开始点。

    一次射流中涡流的效果是使一次射流开放并提高渗入速度。这样就发生内部循环,但是射流碰撞窑砌砖层的危险大大地增加了。比起轴流式生物质燃烧机来,计算带有涡流生物质燃烧机的循环开始点要困难得多。通常用Tbring-Newburg参数来计算带涡流生物质颗粒燃烧机的涡流开始点。然而这个参数,并不适用干水泥窑。事实上,在水泥窑的情况下,涡流的好处比之于锅炉或石油化工加热器要少得多。近年来,用涡流来增强燃料/空气混合已变得很不流行,高效率的燃烧是采用轴流式生物质颗粒燃烧机和对整个系统的空气动力学给以细致的考虑而获得的。

    生物质颗粒燃烧机与窑空气动力学相匹配

    二次空气流大大受冷却机的上风管道和窑罩系统设计的影响,在用多筒冷却机的情况下,则受到冷却机弯管的影响。为了使任何窑能获得可能的最佳性能,当设计生物质颗粒燃烧机时,对窑的空气动力学特性进行充分的考虑是绝对必要的。Surrey大学的燃料和能量研究组已用水/空气模型试验和真实尺寸研究对窖的空气动力学做了广泛的试验。篦式冷却机窑的典型空气动力学如图7所示,它显示了水和空气在高动量喷射和低动量喷射时的流动型式。可以清楚地看到,在两种情况下,二次空气流有显著的不同,尤其是循环带的大小和强度随喷射动量的降低而降低,以及最后消失的情况。

    喷射动量和二次空气速度的关系对火焰长度和热传递有显著的影响。具有很低的喷射动量的窑会使燃料/空气混合不良和长火焰及燃烧效率不高,导致燃料消耗的增加。

    任何特殊窑系统的空气动力学可以在燃烧器设计阶段用水/空气模型来研究。用这种技术来相当精确地确定窑内的流动方式是可能的,从而保证了最适宜的生物质颗粒燃烧机设计。

    水蒸汽

    水蒸汽在燃烧中所起的作用并未完全为人所理解,因而常有许多不同意见。为了从火焰中去除水蒸汽,许多工程师主张使用间接燃烧系统,他们的根据是去除水蒸汽可以提高窑的燃烧效率,并减少燃料消耗。然而,支持这种论点的根据是非常脆弱的。火焰带或不带来自生物质的水蒸汽在热损失上之所以有差别是因为需要用热量把水蒸汽的温度提高到烟道温度,对于千法窑,最多等于5千卡/千克熟科。由水蒸汽引起的热损失要比等量的过量空气引起的少得多,因为前者对二次空气的温度没有什么

影响。用现有的测量仪器要在大多数窑上测定二者热耗的差别是不可能的,即使采用最新的技术也是极其困难的。

    然而,对于水蒸汽能积极地改善燃烧效率,从其它部门的燃烧技术可以找到相当的根据。为改善重油的燃烧,已发展了一种向重油中添加5%(重量)水的技术。英国生物质利用协会在六十年代就致力干这个专题的一些工作,并证明向火焰中的气体添加水蒸汽可以提高碳的氧化速度。这种加快反应速度的机理还不完全清楚,但人们相信水蒸汽的分解会提高碳的氧化速度,否则它是一个非常缓慢的反应。

    目前,还不能证明水蒸汽是否对烧生物质火焰中的碳烧尽有促进作用,从而因减少了尾气中的一氧化碳而提高了效率J也不能证明是否水蒸汽对增加热耗有作用。对这些根据进行权衡比较有利于赞成在火焰中保持水蒸汽的论点。有趣的是,用水分大的生物质(如20%)进行直接燃烧的窑,其火焰和废气中所含的水蒸汽比重油或天然气火焰中包含的水蒸汽要少得多。

    生物质的浓相输送

    生物质的浓相输送具有显著的优点。将粉生物质与一一次空气分别输送对于降低一次空气鼓风机的功率和减少一次空气输送管道的磨损都有值得注意的优点。用滴洁的一次空气,管道几乎有无限寿命。而且,爆炸的危险性从一次空气系统中完全地消除了,允许采用更轻的输送管道,从而节约了设备和维护的费用。然而,这种浓相输送系统本身的投资较多,而且在粉生物质计量和向生物质颗粒燃烧机稳定供生物质等方面都存在问题。

    生物质颗粒燃烧机的点火

    喷油嘴点火系统是现代化烧生物质水泥窑的必要部分。烧油点火系统可以按窑全产量设计成烧油的,或者设计成在生物质粉燃烧以前进行烘窑所必需的能量。对前者,一般总是使用重·油,而对后者,使用如汽油之类的轻质油常是经济的,因为窑的点火频繁程度很低,而且为重油管道系统增加加热和保温系统的额外投资回转窑废气的湿法净化

    回转窑废气因其所含固态物质和气态物质组分的质量与数量,因其体积、温度和含水量之不同而各异。在水泥企业中,现时使用的既有先进的yr型和YrT型电收尘器,也有结构陈旧的设备,但不总能保证贴地大气层的空气遵守质量规范。在55 1台供回转窑废气收尘及熟料冷却机抽气收尘用的电收尘器中,净化程度在99%以上的设备为50台,即8.7%。

    苏联国家气体工业和卫生净化科学研究所与全苏国家水泥工业科学研究设计院的研究证实,对收尘器工作来说,湿法回转窑窑废气的最佳温度为150 -190℃。但由于各类窑的规格和生产方式以及热交换装置结构不同,出窑废气温度波动于110-- 385℃之间。干法回转窑韵废气温度极高,湿法短窑也如此。

    为确保电收尘器有效地工作,净化用气体的含尘率不得超过10 ---15克/米s。而实际上,湿法生产时,其波动范围为10~66克/米s,千法生产时为40~99克/米s。

    除此之外,氧化氮、硫和二氧化碳亦均随同废气逸人大气中,而目前未作捕集。按所用燃料种类及化学成分的不同,氧化氮浓度波动范围为0.04~0.27克/米3,硫为0.05 --1.2克/米8,二氧化碳为2.5~10克/米a。

    幽窑窑灰与原来的生料不同,碱性氧化物的含量,主要是氧化钾和硫酸酐含量较高。研究表明,在某些工厂中,窑灰含碱量高达40%,而硫酸酐为22%,并且水溶性碱的含量占窑灰总碱量的60~70%。

    对于把电收尘器捕获的窑灰重新喂入窑内的工厂来说,其特征是Rz0和S03含量高。向窑内喂入窑灰时,碱的循环量增加,也就使烧成熟料中的碱含量增大,而降低了熟料的活性。当熟料中的含碱量达到允许极限时,就不能将捕获的窑灰重返入窑。

    高碱窑灰在电极上不易振落,结块快,流动性能不佳,因此会降低电收尘器的工作效率。

    大量的热还随同废气经电收尘器后进入大气中,在干法生产时,其热损失不低于熟料煅烧热耗的20~25%,而在湿法生产时为40~509~。

    用电气方法净化窑废气所暴露出来的缺点,致使有必要深入研究净化废气的其它工艺方式。

    按照我们的意见,解决这一课题的途径之是不值得的。

    对烧油点火系统采用一定的必要安全措施是重要的。在烘窑阶段,火焰熄灭常会导致危险的情况。因此,建议在烘窑阶段在烧油点火系统上配置适宜的火焰探测系统。经验证明,紫外线火焰扫描系统在这方面常常不太令人满意,而先进的红外线闪烁装置,如Digiscan IR3则为人们所政迎,它给燃油系统提供可靠的、无故障的操作条件。

    结论

假如要得到高的燃烧效率,窑的生物质颗粒燃烧机应作为窑总体部分来考虑。在火焰中存在水蒸汽是有益或有害还未得到证明,将水从火焰中去除本身并不是采用间接燃烧系统从而增加投资的充分理由

    对冷却机上风管道和窑罩以及燃烧系统进行水/空气模型试验对于生物质颗粒燃烧机设计和生物质颗粒燃烧机与窑系统的匹配时是不可缺少的条件。对于现代窑,带有适宜的火焰安全系统的烧油点火系统是必需的。


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点击次数:  更新时间:2017-04-22 20:49:00  【打印此页】  【关闭