1、旁路放风系统的工艺设计成都建筑材料工业设计研究院 张程 彭一凡 胡恒阳摘要： 使用氯、硫、碱含量高的原料和燃料，将使系统较易发生结皮和堵塞等故障。旁路防风（通过技术手段将窑尾烟室至分解炉上升烟道的气体放出一部分）可有效缓解由于原料、燃料氯和硫偏高而引起的结皮问题。本文将以一实例说明旁路放风系统的计算，流程及主要设备。关键词： 旁路放风 氯、硫、碱含量 循环富集模型 生料有害成分临界浓度引言在预分解窑系统中，原燃料成分对系统的影响较大。使用氯、硫、碱含量高的原料和燃料，将使系统较易发生结皮和堵塞等故障。最容易发生结皮、堵塞的部位是在窑尾烟室、下料斜坡、缩口及最下一级旋风筒的锥体、最下两级旋风筒的
2、下料管等部位。随着环保要求的提高和燃料的日益紧张，预分解系统本身所具有的处理废弃物、二次燃料的优点也随之得到发展。但废弃物、低质燃料所含的氯和硫都偏高，这就给我们新的课题，即如何使预分解系统稳定运行，预防结皮和堵塞。旁路防风（通过技术手段将窑尾烟室至分解炉上升烟道的气体放出一部分）可有效缓解由于原料、燃料氯和硫偏高而引起的结皮问题。本文将以一实例说明旁路放风系统的计算，流程及主要设备。1结皮机理造成固体颗粒粘结在煅烧装置的内壁而形成结皮的原因，中外学者都有研究。比较一致的看法是，由于在窑尾和预热器内的结皮中硫酸盐和氯盐的含量都很高，而在硫酸钾、硫酸钙和氯化钾多组分系统中，最低熔点温度为 650
3、700，因此窑气中的硫酸盐和氯化钾凝聚时，会以熔态的形式沉降下来，并与入窑物料和窑内粉尘一起构成黏聚性物质。而这种在生料颗粒上形成的液相物质薄膜，会阻碍生料颗粒的流动，从而在预热器内造成黏结堵塞。结皮的主要矿物成分，一般认为是由于大量的粉尘循环和硫酸盐、氯化物的富集而生成的一种灰硅钙石。分子式为 Ca5(SiO4)2CO3，结构式为 2C2S.CaO.CaCO3。氯盐被认为是灰硅钙石形成的矿化剂。美国波特兰水泥协会（PCA）曾做过对比试验，用四种成分不同的窑灰加入到生料中，其掺合比为窑灰 15%，生料 85%，在同样的条件下加热，结果只有一个样本有灰硅钙石的形成。该样本的窑灰含氯高，为 6.2
4、4%。该试验在一定程度上支持了氯盐是灰硅钙石形成的矿化剂的观点。 12预分解窑的旁路放风系统为解决氯、硫、碱的循环富集所造成的结皮堵塞，首先应注重原燃料的选用。当原燃料资源受到限制，有害成分超过允许限度时，必须在设计及生产中采取相应的预防措施。国外部分公司对生料中氯、硫、碱的允许含量见下表，超过规定标准应采取旁路放风措施。表一 国外部分公司对生料有害成分含量规定 1公司 R2O（%） Cl-（%） S（%） 硫碱比丹麦史密斯 1.0 0.015 1德国洪堡 1.0 0.015 =3 德国伯力休斯 1.2 0.01 1.3 日本川崎 1.5 0.02 日本三菱 1.5 0.015 英国蓝圈 1.
5、0 0.02 2 罗马尼亚 1.0 0.015 0.8法国拉法基 0.015 1旁路系统设计依据如下：如果设计的旁路放风量为 B， k 为有害成分的循环富集系数，f 1,f2 为燃料中的有害成分与灼烧生料有害成分的比值，e 1 和 e2 为有害成分的挥发系数，则可用循环富集模型来描述有害成分的循环富集过程。图一 循环富集模型该系统表明:1) 生料流程从右至左，如果进入系统的灼烧生料的有害成分为单位 1，在预热器、生料磨、电收尘器中有害成分循环富集到生料中，挥发系数为 k，则进入分解炉的有害成分为 k。在分解炉中，有 e1k 的有害成分挥发，剩余 k-e1k，燃料带入废气的有害成分为 f1。进入
6、窑的生料的有害成分为 k-e1k，挥发系数为 e2，则有 e2(1-e1)k 的有害成分挥发，熟料中的有害成分残余为(1-e 2)(1-e1)k，燃料带入废气的有害成分为 f2。2) 废气流程从左到右，窑气中的有害成分为 e2(1-e1)k+f2，如果旁路放风量为 B，则放出的有害成分为e 2(1-e1)k+f2B，残余e 2(1-e1)k+f2（1-B） 。在分解炉中引入的有害成分为 e1k+f1，则出分解炉的有害成分为e 2(1-e1)k+f2（1-B）+e1k+f1。进入预热器、生料磨、电收尘器系统后，大部分有害成分被生料和窑灰吸收，只有系数为 V 的有害成分通过系统排出，废气中的有害成
7、分为e 2(1-e1)k+f2（1-B）+e 1k+f1V。通过建立进出系统的有害成分相等的方程，可得出 k 值。k = 1+f2(1-B)(1-V)+f1(1-V)/1-e2(1-e1)(1-B)(1-V)-e1(1-V)V 的取值见下表1Raw MaterialsPreheater +Raw Mill +EPCalcinerKilnClinkerFuel into kiln Fuel into calcinerBy-pass gasExhaust gaskf1f2 e1k(1-e1) ke2(1-e1)k(1-e2)(1-e1)ke2(1-e1)k+f2Be2(1-e1)k+f2(1-B)
8、+e1k+f1e2(1-e1)k+f2(1-B)+e1k+f1V表二 V 的取值K2O Na2O SO3 Cl-预热器 0.100 0.400 0.150 0.050 旋风筒 0.6 0.7 0.55 0.5生料磨 0.6 0.8 0.3 0.7电收尘器 0.4 0.7 0.45 0.3V（累计相乘） 0.014 0.157 0.011 0.005 关于 e1 和 e2 的取值如下：表三 e1,e2 的取值K2O Na2O SO3 Cle1 0.1 0.1 0.1 0.5e2 0.6 0.4 0.8 0.992.1 旁路放风实例国外某 4000t/d 熟料生产线工程（简称 A 工程）的原料成分
9、如下表：表四 A 工程原料成分物 料 LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 Cl- 合计%石灰石 43.10 1.60 0.12 0.07 54.50 0.020 0.01 0.01 0.12 0.005 99.56 粘土 6.90 67.85 16.54 6.16 0.34 0.120 0.12 0.2 0.47 0.093 98.79 铁矿石 0.34 2.54 0.18 91.64 1.40 3.030 0.01 0.02 0.08 0.009 99.25 原料配比为石灰石：78.8%，粘土： 19.18%，铁矿石：2.02%。由此计算得到的
10、生料和熟料成分如下： 表五 A 工程生、熟料成分物料 LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 Cl-生料 35.29 14.33 3.27 3.09 43.04 0.100 0.0311 0.0466 0.1863 0.0220 熟料 22.14 5.05 4.77 66.52 0.154 0.0481 0.0721 0.2880 0.0339由此可见，生料的 R2O 含量为 0.0777%, 在允许的范围内，但氯含量为 0.022%，大于上限值，应设置旁路放风系统。系统以重油作燃料，重油中 SO3 的含量为 7%。窑、炉的燃料比为 4：6。根据 A
11、 工程系统热平衡，理论上每增加 1%放风量增加的热耗为 10.9kJ/kg.cl，经计算，f 1、f 2 值如下。表六 A 工程 f1,f2 取值K2O Na2O SO3 Cl-f1 0 0 1.038 0f2 0 0 0.692 0旁路放风 B=10%时，k 值、进入分解炉的生料和进入窑的生料、熟料中有害成分残余如下表所示。表七 A 工程 B=10%时生熟料有害成分残余B=10% K2O Na2O SO3 Cl- Na2O_(Eq)k 2.37 1.56 10.15 16.82 进入窑的生料 0.10 0.10 2.63 0.29 0.168 进入分解炉的生料 0.074 0.073 1.8
12、92 0.369 0.121 熟料中残余 0.041 0.061 0.53 0.003 0.088 旁路放风 B=20%时，k 值、进入分解炉的生料和进入窑的生料、熟料中有害成分残余如下表。表八 A 工程 B=20%时生熟料有害成分残余B=20% K2O Na2O SO3 Cl- Na2O_(Eq)k 2.10 1.49 3.02 9.20 进入窑的生料 0.06 0.06 0.59 0.09 0.104 进入分解炉的生料 0.047 0.044 0.427 0.124 0.075 熟料中残余 0.026 0.037 0.12 0.001 0.054 与进入窑、炉生料中有害成分允许范围比较，可
13、以看出，10%的旁路放风量基本可以保证进入窑、炉生料的有害成分在允许的范围内。表九 生料有害成分临界浓度SO3 Cl- Na2O_(Eq)有害成分临界浓度 % 2.5 0.8 2.5最大允许浓度 % 5.0 2.0 4.0 因此，10%的旁路放风对该系统基本适用。但考虑到该系统以后需要燃烧石油焦等高硫燃料，设计时考虑最大放风量 20%。通过旁路放风后熟料有害成分与旁路放风前熟料成分比较可看出，在 10%旁路放风下，碱由 0.1202 降低到 0.102，氯由 0.0339 降低到0.003，而硫却由 0.288 增加到 0.53；在 20%旁路放风下，碱由 0.1202 降低到 0.063，氯
14、由0.0339 降低到 0.001，硫由 0.288 降到 0.12。10%旁路放风时，系统对氯效果明显，超过 10%后，由于氯已经很低，因此效果增加得不明显。对于碱，由于原料中本身含量较低，因此效果一般。对于硫，在 10%放风时反而升高了，在 20%的放风时含量才有明显的降低，一方面是由于表五中未考虑重油中的硫含量，另一方面，降低硫需要更多的放风量。2.2 旁路放风抽气点及急冷室旁路放风设施应设置在气流中粉尘浓度最小的部位，否则随着粉尘浓度的增加，在要求挥发组分沉降量不变的情况下，沉降的粉尘量增加。旁路放风的抽气点以窑尾烟室上部为宜。在放风量 25%以下时，抽气点的位置在靠窑一侧的烟室上部。
15、A 工程（放风量20%）生产线抽气点位置也在靠窑一侧的烟室上部，如下图所示。图二 放风点位置示意在取气点应设置急冷室(quenching chamber),以冷风作为冷却介质， 急冷室的设计应保证能将抽取的1100的热气体骤冷至 450或更低，以利于下步处理。日本 Taiheiyo 水泥协会研制出一种新型的抽吸管式急冷室，抽吸管是由两个同心管组成，新鲜冷气经内外管间隙进到抽吸管。窑尾吸入的废气与冷气在抽吸管圆锥头部混合、并冷却至 450后，经内管排出。图三 抽吸管式急冷室 2A 工程的急冷室相对较简单，由冷风进口，热风进口，混合风出口及室体组成，基本原理是，冷风以蜗旋方式与热风充分混合，通过出
16、口排出。急冷室及热风管应浇上耐火浇注料。下面是 A 工程的急冷室详图。图四 A 工程急冷室2.3 旁路放风流程旁路放风系统工艺流程，一般有 4 种形式：1) 带旋风收尘器及旁路气体返回主气流的旁路系统。适用于有害成分含量不高时采用。旁路气体从抽气点抽出，掺入冷风后，通过旋风收尘器将含碱粉尘分离。经过收尘后的气体再从 C1 筒的进风管道与主气流汇合后进入 C1。2) 带旋风收尘器及单独用于旁路气体电收尘器的旁路放风系统。旁路气体从抽气点抽出，掺入冷风后，先经旋风收尘器，再进入电收尘器收尘，经收尘后的气体通过排风机排出。3) 直接由电收尘器收尘的旁路系统。旁路气体从抽气点抽出，掺入冷风后，经过增湿
17、塔进入电收尘器收尘。4) 直接由袋收尘器收尘的旁路系统。旁路气体从抽气点抽出，掺入冷风后，直接进入袋收尘的旁路系统。 1由于流程 3 和流程 4 比较简单，因此运用较多。A 工程的流程如下：图五 A 工程旁路放风流程可看出 A 工程运用了流程 4。切断阀 1 的作用在于，当出现紧急情况或不需要旁路时切断旁路气体。正常情况下，冷却风机 1 运行，冷却风机 2 为备用风机。抽出的旁路气体与冷风混合，降低到 200左右，进入袋收尘器。由两个自控回路来控制系统，进收尘器的温度由冷却风机控制，而放风量由排风机的转速或入阀门开度控制。收尘器收下的窑灰进入窑灰仓，窑灰可丢弃或作为混合材掺入水泥。该系统的主机
18、设备如下表（4000t/d，最大 20%放风量） 。表十 A 工程旁路放风主机设备表序号 设备名称 规格 台数1 冷却风机 风量：175000m3/h压力：1500Pa功率：110kW22 袋收尘器 能力：290000m3/h入口气体温度200，最大:260入口含尘浓度：150g/Nm3出口含尘浓度：30mg/Nm313 排风机 风量：313000m3/h全压：-3800Pa功率：500kW （变频调速）1三结论旁路放风对于防止预热器系统的结皮和堵塞有比较明显的作用，但旁路放风要损失部分热值，增加系统热耗，因此旁路放风量并不是越多越好，需要通过计算确定。因此首先应研究原燃材料成分，根据原料成分
19、中碱、氯、硫的含量确定是否采用旁路放风。放风量的计算应根据循环富集模型来进行。其次应根据情况选择工艺流程，确定放风点位置，进行设备选型。当然，即使设置了旁路放风系统，也并不是就能彻底杜绝结皮和堵塞现象。对窑和预热器要精心操作，使各部份的温度、压力稳定及喂料量稳定；在容易结皮的地方设置空气炮及压缩空气清扫装置；勤巡检等措施都要到位，这样才能将结皮堵塞的风险控制到最小。近年对于预热器系统，出现了以垃圾，废旧轮胎作燃料的新趋势，这也要求加深对旁路放风的研究，特别是对高效急冷室的研究和适应高硫燃料系统的研究，使预热器在燃烧这些有害成分高的燃料时也能保持稳定的工况。参考书目： 1. 陈全德著 新型干法水泥技术原理与应用 中国建材工业出版社 ，2004.03，第一版2. 刘文静（编译） 旁路技术的发展
