| 水泥窯生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì) |
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鄭州達(dá)冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司
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水泥窯生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì) 生物質(zhì)是現(xiàn)在水泥生產(chǎn)中成本的燃料。然而，與油和天然氣比較，生物質(zhì)是一種多變的燃料，它包含許多雜質(zhì)，如灰分、硫和氯。作為固體燃料，處理生物質(zhì)的燃燒系統(tǒng)比起用油或天然氣的類似系統(tǒng)復(fù)雜得多，此外，生物質(zhì)和原料的化學(xué)性質(zhì)也許對(duì)窯的操作和產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)限制，這在其它燃料是不會(huì)發(fā)生的。 任何生物質(zhì)的燃燒系統(tǒng)必須對(duì)生物質(zhì)多變的性質(zhì)予以充分的考慮！镔|(zhì)也許來(lái)自幾個(gè)來(lái)源，要保證對(duì)燃料選擇的靈活性。對(duì)于設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)和燃燒器，保證穩(wěn)定的操作條件，以便以較小的窯耐火砌層的損耗獲得始終如一的高質(zhì)量產(chǎn)品從而取得的窯大修間隔時(shí)間。 本文涉及到生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)及生物質(zhì)燃燒機(jī)、窯以及窯的燃燒系統(tǒng)之間的關(guān)系。關(guān)于直接和間接燃燒系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)將不作詳細(xì)的討論。 生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)燃燒效率的影響 生物質(zhì)燃燒機(jī)是窯系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件之一。意到它的設(shè)計(jì)的真正重要性只是近幾年的事情。甚至今天，也常常不把生物質(zhì)燃燒機(jī)作為窯和冷卻系統(tǒng)的一個(gè)主要部分來(lái)考慮，而重視生物質(zhì)燃燒機(jī)，對(duì)于水泥窯的運(yùn)行是必需的。 過(guò)量空氣對(duì)窯熱效率的影響是非常重要的，、這一點(diǎn)已得到證實(shí)。圖1為氧氣量和所測(cè)得的半千法窯的日平均熱耗的關(guān)系。顯然，有一個(gè)很清楚的趨向，當(dāng)把窯內(nèi)的氧氣量從1%捉高到5%時(shí)，熱耗將提高lo%以上。 盡管過(guò)量空氣在熱工過(guò)程中對(duì)于總熱效率的影響已為人們所知多年了，可人們對(duì)這點(diǎn)所給予的注意之少卻是令人吃驚的。氧氣量增加引起熱效率降低，是由于首先需要加熱這些過(guò)量的，通過(guò)窯內(nèi)的氧和氮使其升高到火焰溫度，最后又降低到窯尾溫度。 在水泥窯里，增加空氣流過(guò)冷卻機(jī)的量會(huì)使二次空氣溫度下降，從而導(dǎo)致了火焰溫度的下降。因此，需要更多的燃料使窯內(nèi)物料達(dá)到所需的燒結(jié)溫度。所增加的燃料量大大多于僅僅加熱過(guò)量空氣達(dá)到窯尾溫度所必需的。 假如火焰中的過(guò)量空氣少于一定量，則會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。這樣又會(huì)因碳的不完全燃燒導(dǎo)致燃料消耗的增加。 生物質(zhì)里產(chǎn)生熱的成分是碳和氫，這些成分被氧化后釋放出熱。這種氧化過(guò)程的化學(xué)性質(zhì)是一種非常復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 碳的不完全氧化 在燃料／空氣混合不良構(gòu)狀態(tài)下，燃料中的碳不能完全氧化生成二氧化碳，一部分將形成一氧化碳。產(chǎn)生一氧化碳的主要影響在于減少了從燃料中放出的熱，這是因?yàn)樘佳趸優(yōu)橐谎趸紩r(shí)放出的熱比起變成二氧化碳要少得多。 可以看到，與產(chǎn)生二氧化碳相比，產(chǎn)生一氧化碳時(shí)僅僅得到一半多一點(diǎn)的熱量，于是，何由于燃料／空氣的混合不良而產(chǎn)生一氧化碳的生物質(zhì)燃燒機(jī)，都會(huì)使燃燒效率顯著下降和窯的熱耗增加。 燃燒階段 事實(shí)上，甚至在看來(lái)是瞬時(shí)的爆炸，也并非剎那間發(fā)生的。所有燃燒過(guò)程都按下面幾個(gè)階段進(jìn)行： 混合——點(diǎn)火——化學(xué)反應(yīng)。 燃燒速度取決于上面幾個(gè)階段中最慢的一個(gè)。在多數(shù)工業(yè)燃燒系統(tǒng)中，混合較慢，而點(diǎn)火和化學(xué)反應(yīng)非？臁Ｒ蚨，燃燒的速度和完成是由燃料／空氣混合的速度和完成所控制的。 圖2所示為過(guò)量空氣與煙氣中熱損失的關(guān)系。當(dāng)過(guò)量空氣減少時(shí)，煙氣中的熱損失也減少直至達(dá)到一個(gè)點(diǎn)。再減少過(guò)量空氣，則因?yàn)榭赡軐?dǎo)致碳的不完全燃燒而使熱損失增 圖2 窯廢氣熱損失受氧的影響加。生物質(zhì)燃燒機(jī)的效率越高，達(dá)到這一點(diǎn)的過(guò)量空氣越少。這個(gè)點(diǎn)的位置幾乎完全是燃燒器系統(tǒng)燃料／空氣混合效率的函數(shù)。而且，點(diǎn)的位置愈靠近過(guò)量空氣為零的位置，在最小過(guò)量空氣條伴下的熱損失量就越小。 窯生物質(zhì)燃燒機(jī)的工藝設(shè)計(jì)常常與窯系統(tǒng)本身相脫離，僅僅考慮了如燃料流量、一次空氣這些因素。然而，實(shí)際上它應(yīng)包括生物質(zhì)燃燒機(jī)本身、一次空氣系統(tǒng)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)和二次空氣。因?yàn)槿紵諝庵饕菑睦鋮s機(jī)直接供給窯的二次空氣，窯的空氣動(dòng)力學(xué)在燃料／空氣混合和燃燒的全部工作中起著關(guān)鍵性作用。因此，在設(shè)計(jì)水泥窯燃燒系統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒機(jī)時(shí)，保證它與相應(yīng)的窯的空氣動(dòng)力學(xué)正確匹配，這是絕對(duì)必要的。 冷卻機(jī)水泥窯生物質(zhì)燃燒機(jī)的布置簡(jiǎn)圖如圖3所示。一次空氣從帶渦流或不帶渦流生物質(zhì)燃燒機(jī)中以單射流或多射流噴出。這些一次空氣射流通常為燃燒所需空氣量的8～30%。從窯密封圈等處漏入的空氣約為另外的2～10%。為了獲得完全燃燒，這些空氣和其余的，即二次空氣，必須與燃料均勻地混合。 ’ 控制燃料／空氣混合的因素 燃料／空氣混合是噴射滲透的結(jié)果。圖顯示了快速運(yùn)動(dòng)的一次氣流和較慢的二次空氣在邊界上發(fā)生摩擦的情況。摩擦的結(jié)果，靠近射流邊緣的二次空氣被加速到射流的速度，而射流則因?yàn)閯?dòng)量轉(zhuǎn)移而使速度略有下降。射流由于滲入空氣量的增加而擴(kuò)大。這個(gè)過(guò)程一直繼續(xù)，直至射流速度與周圍氣流速度相等。假如一次氣流具有足夠的動(dòng)能來(lái)帶動(dòng)所有的二次空氣，并且仍然比它周圍的空氣具有較大的速度，這些過(guò)量的動(dòng)能將帶人窯深處的燃燒氣體。這種現(xiàn)象稱為“循環(huán)”（見圖5）。循環(huán)是否出現(xiàn)對(duì)火焰特性有很大影響。適度的循環(huán)，對(duì)完成燃料／空氣混合是積極的跡象。而沒(méi)有循環(huán)，則清楚志著并非所有的二次空氣都被帶進(jìn)一次空氣流。此外，缺乏循環(huán)時(shí)，一次氣流有擴(kuò)展到碰撞耐火磚砌層為止的趨勢(shì)。圖6所示為2000噸／日多筒冷卻機(jī)窯的一次射流。射流擴(kuò)展的理論碰撞點(diǎn)在，點(diǎn)。在A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的磚砌層就會(huì)迅速磨損，并導(dǎo)致窯砌層的過(guò)早損壞和重砌。軸向流動(dòng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的循環(huán)開始點(diǎn)。 一次射流中渦流的效果是使一次射流開放并提高滲入速度。這樣就發(fā)生內(nèi)部循環(huán)，但是射流碰撞窯砌磚層的危險(xiǎn)大大地增加了。比起軸流式生物質(zhì)燃燒機(jī)來(lái)，計(jì)算帶有渦流生物質(zhì)燃燒機(jī)的循環(huán)開始點(diǎn)要困難得多。通常用Tbring-Newburg參數(shù)來(lái)計(jì)算帶渦流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的渦流開始點(diǎn)。然而這個(gè)參數(shù)，并不適用干水泥窯。事實(shí)上，在水泥窯的情況下，渦流的好處比之于鍋爐或石油化工加熱器要少得多。近年來(lái)，用渦流來(lái)增強(qiáng)燃料／空氣混合已變得很不流行，高效率的燃燒是采用軸流式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)給以細(xì)致的考慮而獲得的。 生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與窯空氣動(dòng)力學(xué)相匹配 二次空氣流大大受冷卻機(jī)的上風(fēng)管道和窯罩系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，在用多筒冷卻機(jī)的情況下，則受到冷卻機(jī)彎管的影響。為了使任何窯能獲得可能的性能，當(dāng)設(shè)計(jì)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)時(shí)，對(duì)窯的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行充分的考慮是絕對(duì)必要的。Surrey大學(xué)的燃料和能量研究組已用水／空氣模型試驗(yàn)和真實(shí)尺寸研究對(duì)窖的空氣動(dòng)力學(xué)做了廣泛的試驗(yàn)。篦式冷卻機(jī)窯的典型空氣動(dòng)力學(xué)如圖7所示，它顯示了水和空氣在高動(dòng)量噴射和低動(dòng)量噴射時(shí)的流動(dòng)型式？梢郧宄乜吹，在兩種情況下，二次空氣流有顯著的不同，尤其是循環(huán)帶的大小和強(qiáng)度隨噴射動(dòng)量的降低而降低，以及最后消失的情況。 噴射動(dòng)量和二次空氣速度的關(guān)系對(duì)火焰長(zhǎng)度和熱傳遞有顯著的影響。具有很低的噴射動(dòng)量的窯會(huì)使燃料／空氣混合不良和長(zhǎng)火焰及燃燒效率不高，導(dǎo)致燃料消耗的增加。 任何特殊窯系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)可以在燃燒器設(shè)計(jì)階段用水／空氣模型來(lái)研究。用這種技術(shù)來(lái)相當(dāng)精確地確定窯內(nèi)的流動(dòng)方式是可能的，從而保證了最適宜的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)設(shè)計(jì)。 水蒸汽 水蒸汽在燃燒中所起的作用并未完全為人所理解，因而常有許多不同意見。為了從火焰中去除水蒸汽，許多工程師主張使用間接燃燒系統(tǒng)，他們的根據(jù)是去除水蒸汽可以提高窯的燃燒效率，并減少燃料消耗。然而，支持這種論點(diǎn)的根據(jù)是非常脆弱的。火焰帶或不帶來(lái)自生物質(zhì)的水蒸汽在熱損失上之所以有差別是因?yàn)樾枰脽崃堪阉羝臏囟忍岣叩綗煹罍囟，?duì)于千法窯，最多等于5千卡／千克熟科。由水蒸汽引起的熱損失要比等量的過(guò)量空氣引起的少得多，因?yàn)榍罢邔?duì)二次空氣的溫度沒(méi)有什么 影響。用現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器要在大多數(shù)窯上測(cè)定二者熱耗的差別是不可能的，即使采用最新的技術(shù)也是極其困難的。 然而，對(duì)于水蒸汽能積極地改善燃燒效率，從其它部門的燃燒技術(shù)可以找到相當(dāng)?shù)母鶕?jù)。為改善重油的燃燒，已發(fā)展了一種向重油中添加5%（重量）水的技術(shù)。英國(guó)生物質(zhì)利用協(xié)會(huì)在六十年代就致力干這個(gè)專題的一些工作，并證明向火焰中的氣體添加水蒸汽可以提高碳的氧化速度。這種加快反應(yīng)速度的機(jī)理還不完全清楚，但人們相信水蒸汽的分解會(huì)提高碳的氧化速度，否則它是一個(gè)非常緩慢的反應(yīng)。 目前，還不能證明水蒸汽是否對(duì)燒生物質(zhì)火焰中的碳燒盡有促進(jìn)作用，從而因減少了尾氣中的一氧化碳而提高了效率J也不能證明是否水蒸汽對(duì)增加熱耗有作用。對(duì)這些根據(jù)進(jìn)行權(quán)衡比較有利于贊成在火焰中保持水蒸汽的論點(diǎn)。有趣的是，用水分大的生物質(zhì)（如20%）進(jìn)行直接燃燒的窯，其火焰和廢氣中所含的水蒸汽比重油或天然氣火焰中包含的水蒸汽要少得多。 生物質(zhì)的濃相輸送 生物質(zhì)的濃相輸送具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。將粉生物質(zhì)與一一次空氣分別輸送對(duì)于降低一次空氣鼓風(fēng)機(jī)的功率和減少一次空氣輸送管道的磨損都有值得注意的優(yōu)點(diǎn)。用滴潔的一次空氣，管道幾乎有無(wú)限壽命。而且，爆炸的危險(xiǎn)性從一次空氣系統(tǒng)中完全地消除了，允許采用更輕的輸送管道，從而節(jié)約了設(shè)備和維護(hù)的費(fèi)用。然而，這種濃相輸送系統(tǒng)本身的投資較多，而且在粉生物質(zhì)計(jì)量和向生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)穩(wěn)定供生物質(zhì)等方面都存在問(wèn)題。 生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的點(diǎn)火 噴油嘴點(diǎn)火系統(tǒng)是現(xiàn)代化燒生物質(zhì)水泥窯的必要部分。燒油點(diǎn)火系統(tǒng)可以按窯全產(chǎn)量設(shè)計(jì)成燒油的，或者設(shè)計(jì)成在生物質(zhì)粉燃燒以前進(jìn)行烘窯所必需的能量。對(duì)前者，一般總是使用重·油，而對(duì)后者，使用如汽油之類的輕質(zhì)油常是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)楦G的點(diǎn)火頻繁程度很低，而且為重油管道系統(tǒng)增加加熱和保溫系統(tǒng)的額外投資回轉(zhuǎn)窯廢氣的濕法凈化 回轉(zhuǎn)窯廢氣因其所含固態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)組分的質(zhì)量與數(shù)量，因其體積、溫度和含水量之不同而各異。在水泥企業(yè)中，現(xiàn)時(shí)使用的既有先進(jìn)的yr型和YrT型電收塵器，也有結(jié)構(gòu)陳舊的設(shè)備，但不總能保證貼地大氣層的空氣遵守質(zhì)量規(guī)范。在55 1臺(tái)供回轉(zhuǎn)窯廢氣收塵及熟料冷卻機(jī)抽氣收塵用的電收塵器中，凈化程度在99%以上的設(shè)備為50臺(tái)，即8.7%。 蘇聯(lián)氣體工業(yè)和衛(wèi)生凈化科學(xué)研究所與全蘇水泥工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院的研究證實(shí)，對(duì)收塵器工作來(lái)說(shuō)，濕法回轉(zhuǎn)窯窯廢氣的溫度為150 -190℃。但由于各類窯的規(guī)格和生產(chǎn)方式以及熱交換裝置結(jié)構(gòu)不同，出窯廢氣溫度波動(dòng)于110-- 385℃之間。干法回轉(zhuǎn)窯韻廢氣溫度極高，濕法短窯也如此。 為確保電收塵器有效地工作，凈化用氣體的含塵率不得超過(guò)10 ---15克／米s。而實(shí)際上，濕法生產(chǎn)時(shí)，其波動(dòng)范圍為10～66克／米s，千法生產(chǎn)時(shí)為40～99克／米s。 除此之外，氧化氮、硫和二氧化碳亦均隨同廢氣逸人大氣中，而目前未作捕集。按所用燃料種類及化學(xué)成分的不同，氧化氮濃度波動(dòng)范圍為0.04～0.27克／米3，硫?yàn)?.05 --1.2克／米8，二氧化碳為2.5～10克／米a。 幽窯窯灰與原來(lái)的生料不同，堿性氧化物的含量，主要是氧化鉀和硫酸酐含量較高。研究表明，在某些工廠中，窯灰含堿量高達(dá)40%，而硫酸酐為22%，并且水溶性堿的含量占窯灰總堿量的60～70%。 對(duì)于把電收塵器捕獲的窯灰重新喂入窯內(nèi)的工廠來(lái)說(shuō)，其特征是Rz0和S03含量高。向窯內(nèi)喂入窯灰時(shí)，堿的循環(huán)量增加，也就使燒成熟料中的堿含量增大，而降低了熟料的活性。當(dāng)熟料中的含堿量達(dá)到允許極限時(shí)，就不能將捕獲的窯灰重返入窯。 高堿窯灰在電極上不易振落，結(jié)塊快，流動(dòng)性能不佳，因此會(huì)降低電收塵器的工作效率。 大量的熱還隨同廢氣經(jīng)電收塵器后進(jìn)入大氣中，在干法生產(chǎn)時(shí)，其熱損失不低于熟料煅燒熱耗的20～25%，而在濕法生產(chǎn)時(shí)為40～509~。 用電氣方法凈化窯廢氣所暴露出來(lái)的缺點(diǎn)，致使有必要深入研究?jī)艋瘡U氣的其它工藝 方式。 按照我們的意見，解決這一課題的途徑之是不值得的。 對(duì)燒油點(diǎn)火系統(tǒng)采用一定的必要安全措施是重要的。在烘窯階段，火焰熄滅常會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的情況。因此，建議在烘窯階段在燒油點(diǎn)火系統(tǒng)上配置適宜的火焰探測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證明，紫外線火焰掃描系統(tǒng)在這方面常常不太令人滿意，而先進(jìn)的紅外線閃爍裝置，如Digiscan IR3則為人們所政迎，它給燃油系統(tǒng)提供可靠的、無(wú)故障的操作條件。 結(jié)論 假如要得到高的燃燒效率，窯的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)應(yīng)作為窯總體部分來(lái)考慮。在火焰中存在水蒸汽是有益或有害還未得到證明，將水從火焰中去除本身并不是采用間接燃燒系統(tǒng)從而增加投資的充分理由。 對(duì)冷卻機(jī)上風(fēng)管道和窯罩以及燃燒系統(tǒng)進(jìn)行水／空氣模型試驗(yàn)對(duì)于生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)設(shè)計(jì)和生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與窯系統(tǒng)的匹配時(shí)是不可缺少的條件。對(duì)于現(xiàn)代窯，帶有適宜的火焰安全系統(tǒng)的燒油點(diǎn)火系統(tǒng)是必需的。 |
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