| 水泥窯生物質(zhì)燃燒機的設計 |
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鄭州達冠節(jié)能環(huán)保設備有限公司
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水泥窯生物質(zhì)燃燒機的設計 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)復雜得多，此外，生物質(zhì)和原料的化學性質(zhì)也許對窯的操作和產(chǎn)品質(zhì)量帶來限制，這在其它燃料是不會發(fā)生的。 任何生物質(zhì)的燃燒系統(tǒng)必須對生物質(zhì)多變的性質(zhì)予以充分的考慮！镔|(zhì)也許來自幾個來源，要保證對燃料選擇的靈活性。對于設計燃燒系統(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間。 本文涉及到生物質(zhì)燃燒機設計及生物質(zhì)燃燒機、窯以及窯的燃燒系統(tǒng)之間的關系。關于直接和間接燃燒系統(tǒng)的優(yōu)、缺點將不作詳細的討論。 生物質(zhì)燃燒機的設計對燃燒效率的影響 生物質(zhì)燃燒機是窯系統(tǒng)最關鍵的部件之一。意到它的設計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)燃燒機作為窯和冷卻系統(tǒng)的一個主要部分來考慮，而重視生物質(zhì)燃燒機，對于水泥窯的運行是必需的。 過量空氣對窯熱效率的影響是非常重要的，、這一點已得到證實。圖1為氧氣量和所測得的半千法窯的日平均熱耗的關系。顯然，有一個很清楚的趨向，當把窯內(nèi)的氧氣量從1%捉高到5%時，熱耗將提高lo%以上。 盡管過量空氣在熱工過程中對于總熱效率的影響已為人們所知多年了，可人們對這點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量的，通過窯內(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，增加空氣流過冷卻機的量會使二次空氣溫度下降，從而導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量空氣達到窯尾溫度所必需的。 假如火焰中的過量空氣少于一定量，則會產(chǎn)生一氧化碳。這樣又會因碳的不完全燃燒導致燃料消耗的增加。 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。這種氧化過程的化學性質(zhì)是一種非常復雜的鏈式反應。 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，這是因為碳氧化變?yōu)橐谎趸紩r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)生一氧化碳時僅僅得到一半多一點的熱量，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，都會使燃燒效率顯著下降和窯的熱耗增加。 燃燒階段 事實上，甚至在看來是瞬時的爆炸，也并非剎那間發(fā)生的。所有燃燒過程都按下面幾個階段進行： 混合——點火——化學反應。 燃燒速度取決于上面幾個階段中最慢的一個。在多數(shù)工業(yè)燃燒系統(tǒng)中，混合較慢，而點火和化學反應非？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所示為過量空氣與煙氣中熱損失的關系。當過量空氣減少時，煙氣中的熱損失也減少直至達到一個點。再減少過量空氣，則因為可能導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)燃燒機的效率越高，達到這一點的過量空氣越少。這個點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，點的位置愈靠近過量空氣為零的位置，在最小過量空氣條伴下的熱損失量就越小。 窯生物質(zhì)燃燒機的工藝設計常常與窯系統(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，實際上它應包括生物質(zhì)燃燒機本身、一次空氣系統(tǒng)、燃料供應系統(tǒng)和二次空氣。因為燃燒空氣主要是從冷卻機直接供給窯的二次空氣，窯的空氣動力學在燃料／空氣混合和燃燒的全部工作中起著關鍵性作用。因此，在設計水泥窯燃燒系統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒機時，保證它與相應的窯的空氣動力學正確匹配，這是絕對必要的。 冷卻機水泥窯生物質(zhì)燃燒機的布置簡圖如圖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。圖顯示了快速運動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，而射流則因為動量轉(zhuǎn)移而使速度略有下降。射流由于滲入空氣量的增加而擴大。這個過程一直繼續(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能來帶動所有的二次空氣，并且仍然比它周圍的空氣具有較大的速度，這些過量的動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)對火焰特性有很大影響。適度的循環(huán)，對完成燃料／空氣混合是積極的跡象。而沒有循環(huán)，則清楚志著并非所有的二次空氣都被帶進一次空氣流。此外，缺乏循環(huán)時，一次氣流有擴展到碰撞耐火磚砌層為止的趨勢。圖6所示為2000噸／日多筒冷卻機窯的一次射流。射流擴展的理論碰撞點在，點。在A點與B點之間的磚砌層就會迅速磨損，并導致窯砌層的過早損壞和重砌。軸向流動生物質(zhì)燃燒機的循環(huán)開始點。 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大大地增加了。比起軸流式生物質(zhì)燃燒機來，計算帶有渦流生物質(zhì)燃燒機的循環(huán)開始點要困難得多。通常用Tbring-Newburg參數(shù)來計算帶渦流生物質(zhì)顆粒燃燒機的渦流開始點。然而這個參數(shù)，并不適用干水泥窯。事實上，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，用渦流來增強燃料／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)顆粒燃燒機和對整個系統(tǒng)的空氣動力學給以細致的考慮而獲得的。 生物質(zhì)顆粒燃燒機與窯空氣動力學相匹配 二次空氣流大大受冷卻機的上風管道和窯罩系統(tǒng)設計的影響，在用多筒冷卻機的情況下，則受到冷卻機彎管的影響。為了使任何窯能獲得可能的性能，當設計生物質(zhì)顆粒燃燒機時，對窯的空氣動力學特性進行充分的考慮是絕對必要的。Surrey大學的燃料和能量研究組已用水／空氣模型試驗和真實尺寸研究對窖的空氣動力學做了廣泛的試驗。篦式冷卻機窯的典型空氣動力學如圖7所示，它顯示了水和空氣在高動量噴射和低動量噴射時的流動型式？梢郧宄乜吹剑趦煞N情況下，二次空氣流有顯著的不同，尤其是循環(huán)帶的大小和強度隨噴射動量的降低而降低，以及最后消失的情況。 噴射動量和二次空氣速度的關系對火焰長度和熱傳遞有顯著的影響。具有很低的噴射動量的窯會使燃料／空氣混合不良和長火焰及燃燒效率不高，導致燃料消耗的增加。 任何特殊窯系統(tǒng)的空氣動力學可以在燃燒器設計階段用水／空氣模型來研究。用這種技術(shù)來相當精確地確定窯內(nèi)的流動方式是可能的，從而保證了最適宜的生物質(zhì)顆粒燃燒機設計。 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，支持這種論點的根據(jù)是非常脆弱的。火焰帶或不帶來自生物質(zhì)的水蒸汽在熱損失上之所以有差別是因為需要用熱量把水蒸汽的溫度提高到煙道溫度，對于千法窯，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量空氣引起的少得多，因為前者對二次空氣的溫度沒有什么 影響。用現(xiàn)有的測量儀器要在大多數(shù)窯上測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?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)。英國生物質(zhì)利用協(xié)會在六十年代就致力干這個專題的一些工作，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。這種加快反應速度的機理還不完全清楚，但人們相信水蒸汽的分解會提高碳的氧化速度，否則它是一個非常緩慢的反應。 目前，還不能證明水蒸汽是否對燒生物質(zhì)火焰中的碳燒盡有促進作用，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增加熱耗有作用。對這些根據(jù)進行權(quán)衡比較有利于贊成在火焰中保持水蒸汽的論點。有趣的是，用水分大的生物質(zhì)（如20%）進行直接燃燒的窯，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。將粉生物質(zhì)與一一次空氣分別輸送對于降低一次空氣鼓風機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。用滴潔的一次空氣，管道幾乎有無限壽命。而且，爆炸的危險性從一次空氣系統(tǒng)中完全地消除了，允許采用更輕的輸送管道，從而節(jié)約了設備和維護的費用。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)計量和向生物質(zhì)顆粒燃燒機穩(wěn)定供生物質(zhì)等方面都存在問題。 生物質(zhì)顆粒燃燒機的點火 噴油嘴點火系統(tǒng)是現(xiàn)代化燒生物質(zhì)水泥窯的必要部分。燒油點火系統(tǒng)可以按窯全產(chǎn)量設計成燒油的，或者設計成在生物質(zhì)粉燃燒以前進行烘窯所必需的能量。對前者，一般總是使用重·油，而對后者，使用如汽油之類的輕質(zhì)油常是經(jīng)濟的，因為窯的點火頻繁程度很低，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)時使用的既有先進的yr型和YrT型電收塵器，也有結(jié)構(gòu)陳舊的設備，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臺供回轉(zhuǎn)窯廢氣收塵及熟料冷卻機抽氣收塵用的電收塵器中，凈化程度在99%以上的設備為50臺，即8.7%。 蘇聯(lián)氣體工業(yè)和衛(wèi)生凈化科學研究所與全蘇水泥工業(yè)科學研究設計院的研究證實，對收塵器工作來說，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10 ---15克／米s。而實際上，濕法生產(chǎn)時，其波動范圍為10～66克／米s，千法生產(chǎn)時為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成分的不同，氧化氮濃度波動范圍為0.04～0.27克／米3，硫為0.05 --1.2克／米8，二氧化碳為2.5～10克／米a。 幽窯窯灰與原來的生料不同，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%。 對于把電收塵器捕獲的窯灰重新喂入窯內(nèi)的工廠來說，其特征是Rz0和S03含量高。向窯內(nèi)喂入窯灰時，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。當熟料中的含堿量達到允許極限時，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，流動性能不佳，因此會降低電收塵器的工作效率。 大量的熱還隨同廢氣經(jīng)電收塵器后進入大氣中，在干法生產(chǎn)時，其熱損失不低于熟料煅燒熱耗的20～25%，而在濕法生產(chǎn)時為40～509~。 用電氣方法凈化窯廢氣所暴露出來的缺點，致使有必要深入研究凈化廢氣的其它工藝 方式。 按照我們的意見，解決這一課題的途徑之是不值得的。 對燒油點火系統(tǒng)采用一定的必要安全措施是重要的。在烘窯階段，火焰熄滅常會導致危險的情況。因此，建議在烘窯階段在燒油點火系統(tǒng)上配置適宜的火焰探測系統(tǒng)。經(jīng)驗證明，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)顆粒燃燒機應作為窯總體部分來考慮。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。 對冷卻機上風管道和窯罩以及燃燒系統(tǒng)進行水／空氣模型試驗對于生物質(zhì)顆粒燃燒機設計和生物質(zhì)顆粒燃燒機與窯系統(tǒng)的匹配時是不可缺少的條件。對于現(xiàn)代窯，帶有適宜的火焰安全系統(tǒng)的燒油點火系統(tǒng)是必需的。 |
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