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(陜西省建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院，陜西 西安 710032)

引言

管道懸浮換熱、旋風(fēng)分離及爐內(nèi)分解這3個過程的組合簡稱懸浮預(yù)分解，是現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)的核心技術(shù)。由于爐內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)是CaCO3分解為CaO和CO2，故習(xí)慣將反應(yīng)爐稱為分解爐，懸浮預(yù)分解也因此而得名，實質(zhì)上應(yīng)該是管道懸浮換熱、旋風(fēng)分離及爐內(nèi)快速反應(yīng)的組合，所以，稱其為“懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置”更為貼切。

河南省靈寶金源科技開發(fā)中心閃速焙燒實驗廠以金尾礦為原料，利用懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置，采用一氧化碳還原技術(shù)提取金尾礦中的鐵。該廠懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置建成于2010年5月，系統(tǒng)經(jīng)過1年多時間的調(diào)試仍不能正常生產(chǎn)。應(yīng)企業(yè)之邀，我院承接了懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置的技術(shù)改造設(shè)計任務(wù)，現(xiàn)就技改方案談一些體會。

1 原設(shè)計概況

該實驗廠的金尾礦為粉狀料，細(xì)度在75 μm左右，濕度較大。原設(shè)計工藝流程如圖1所示，具體為：尾礦進(jìn)廠后儲存于堆棚內(nèi)，經(jīng)喂料系統(tǒng)進(jìn)入回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)烘干，出烘干機(jī)的干尾礦粉儲存于鋼板庫內(nèi)待用。懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置采用四級旋風(fēng)預(yù)熱器帶噴騰式還原爐，煤氣熱風(fēng)爐提供熱源及還原氣氛，出一級筒的廢氣經(jīng)3-Φ800 mm旋風(fēng)除塵器處理后經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)，一部分循環(huán)使用，另一部分送至烘干車間。鋼板庫內(nèi)的尾礦粉經(jīng)喂料提升設(shè)備，從一級旋風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置，經(jīng)三級預(yù)熱后進(jìn)入噴騰式還原爐，在爐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2，生成的Fe3O4被廢氣帶入四級筒，從四級筒排出后經(jīng)冷卻機(jī)冷卻，再由輸送設(shè)備送入選礦車間。懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置中各設(shè)備的基本工作參數(shù)見表1。系統(tǒng)設(shè)計處理能力為150 t/d，按年運轉(zhuǎn)率300 d計算，全年處理能力為4.5萬t。

圖1 改造前工藝流程圖

C1C2C3C4Φ/mm1 5001 6001 7001 9001 500670/℃350450550700800

2 存在的問題及原因分析

預(yù)熱還原系統(tǒng)原采用3-Φ800 mm旋風(fēng)除塵器除塵，由于其收塵效率較低，僅為80%，致使廢氣中20%的細(xì)塵進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)，經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)后部分返回系統(tǒng)，容易引起系統(tǒng)熱源爐膛集塵堵塞、還原爐進(jìn)風(fēng)管粘壁堵塞等故障，長時間運轉(zhuǎn)還會造成高溫風(fēng)機(jī)葉輪的嚴(yán)重磨損。另外，3-Φ800 mm旋風(fēng)除塵器的正常處理風(fēng)量為17 820 m3/h，系統(tǒng)風(fēng)量大于該風(fēng)量值，運行阻力按2次方倍數(shù)增加。這從另一個角度說明3-Φ800 mm旋風(fēng)除塵器規(guī)格偏小，致使整個系統(tǒng)通風(fēng)阻力增大，風(fēng)量達(dá)不到要求，風(fēng)量小導(dǎo)致預(yù)熱器截面風(fēng)速、還原爐截面風(fēng)速、還原爐縮口風(fēng)速均偏小，物料所受的懸浮力偏弱，最終易導(dǎo)致預(yù)熱器及還原爐塌料。

由表1可以看出，各級旋風(fēng)筒幾何尺寸的設(shè)計較合理，但由于尾礦粉受熱后黏度增大，所以在各級旋風(fēng)筒的錐體內(nèi)會形成“料拱”、產(chǎn)生棚料而堵塞，這是旋風(fēng)筒錐體堵塞的主要原因。該系統(tǒng)中的設(shè)備均屬于小型設(shè)備，風(fēng)管直徑較小，所以在風(fēng)管內(nèi)使用撒料器是不合理的，它會使粉料進(jìn)入風(fēng)管時由于水平段過長而形成堆料，最后導(dǎo)致上一級旋風(fēng)筒的下料管堵塞。另外，各級旋風(fēng)筒內(nèi)的物料溫度均高于200 ℃，高溫尾礦粉經(jīng)過普通鎖風(fēng)剛性葉輪時，會使該設(shè)備由于溫度升高引起機(jī)械公差配合變化而抱死，甚至燒壞電機(jī)，這是出現(xiàn)下料管堵塞及鎖風(fēng)剛性葉輪抱死的原因。在還原爐內(nèi)安裝撒料器也是不合理的，易導(dǎo)致三級旋風(fēng)筒的下料管堵塞，同時破壞了還原爐內(nèi)的流場。

3 懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置參數(shù)的分析驗算

3.1 各級旋風(fēng)筒的通風(fēng)能力

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，截面風(fēng)速取3～5 m/s，計算各級旋風(fēng)筒的通風(fēng)能力，結(jié)果見表2。

表2 各級旋風(fēng)筒的通風(fēng)能力

3.2 高溫風(fēng)機(jī)驗算

該系統(tǒng)選用W9-19№16.3D型高溫風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)工作參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 450 r/min，工作溫度350 ℃，全壓6 389～7 560 Pa，流量27 889～66 933 m3/h，電機(jī)功率132 kW。經(jīng)過驗算，我們認(rèn)為風(fēng)機(jī)全壓6 389～7 560 Pa是可信的；而流量范圍太大，不可信，按功率計算公式返算風(fēng)機(jī)流量應(yīng)在37 279～48 011 m3/h。設(shè)定一級旋風(fēng)筒的工況風(fēng)量為31 000 m3/h，換算為350 ℃狀態(tài)時風(fēng)機(jī)的工況風(fēng)量應(yīng)為28 697 m3/h，風(fēng)機(jī)風(fēng)量儲備系數(shù)1.299，風(fēng)機(jī)運行點的參數(shù)是合理的。

3.3 載塵量驗算

按照一級旋風(fēng)筒的設(shè)定通風(fēng)量31 000 m3/h，系統(tǒng)處理能力按150 t/d計，計算得一級旋風(fēng)筒表觀載塵量為201.6 g/m3(按350 ℃校正后為217.8 g/m3)。載塵量符合旋風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)的運行要求，原設(shè)計系統(tǒng)處理能力150 t/d是合理的。

3.4 按截面風(fēng)速分析還原爐參數(shù)

根據(jù)顆粒懸浮理論，垂直上升氣流中顆粒的懸浮速度為：

V=[(4gdrs)/(3Csrg)]0.5

(1)

式中：V——顆粒的懸浮速度，m/s；g——重力加速度，m/s2；d——顆粒直徑，m；rs——顆粒密度，kg/m3；rg——氣體密度，kg/m3；Cs——與流體雷諾數(shù)有關(guān)的阻力系數(shù)。

當(dāng)噴騰式還原爐垂直段風(fēng)速大于顆粒的懸浮速度時，還原后的尾礦顆粒方可被帶入四級筒。所以，在工程上還原爐垂直段風(fēng)速取v=KV，即：

v=K[(4gdrs)/(3Csrg)]0.5

(2)

式中：v——還原爐垂直段風(fēng)速，m/s；K——經(jīng)驗常數(shù)，K>1。

尾礦粉細(xì)度為75 μm，可以認(rèn)為最大顆粒直徑與水泥生料相當(dāng)，流體場其他參數(shù)也基本相同，則還原爐垂直段風(fēng)速只與顆粒密度的0.5次方成正比。按水泥行業(yè)截面風(fēng)速5～6 m/s、生料粉密度約2 700 kg/m3、生料中石灰石占78%、石灰石中CaCO3含量96%校正后，截面上升顆粒密度約1 900 kg/m3；尾礦密度約3 360 kg/m3、尾礦中Fe2O3含量50.08%，按還原成Fe3O4校正后，截面上升顆粒密度約3 300 kg/m3。計算噴騰式還原爐垂直段氣體風(fēng)速為：

v1=(3 300/1 900)0.5×(5～6)=6.589 m/s～7.910 m/s

按照企業(yè)提供的還原爐內(nèi)風(fēng)溫850 ℃，設(shè)定一級筒實際風(fēng)量31 000 m3/h，考慮原料有2%左右的水分蒸發(fā)及漏風(fēng)，各級風(fēng)量增加5%。尾礦粉在系統(tǒng)中由于反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量(摩爾數(shù))不變，所以化學(xué)反應(yīng)不影響系統(tǒng)的風(fēng)量。換算后，還原爐截面工況風(fēng)量為42 560 m3/h，則有效內(nèi)徑Φ計算值為1 379～1511 mm，取還原爐截面有效內(nèi)徑Φ為1 500 mm，而原設(shè)計有效內(nèi)徑Φ2 200 mm偏大，還原后的尾礦顆粒無法被帶走，積累一定量后就會出現(xiàn)塌料現(xiàn)象。

3.5 按縮口風(fēng)速分析還原爐參數(shù)

還原爐縮口上方渦流區(qū)的尾礦粉可認(rèn)為是緊密集中的，可按容重校正。生料容重約為1 000～1 100 kg/m3，尾礦容重約1 200 kg/m3計算，水泥行業(yè)分解爐縮口風(fēng)速25～30 m/s，噴騰式還原爐縮口風(fēng)速為：

v2=[1 200/(1 000～1 100)]0.5×(25～30)=26 m/s～33 m/s

還原爐縮口工況風(fēng)量為42 560 m3/h，取縮口風(fēng)速26～33 m/s，則計算得縮口有效內(nèi)徑Φ值為675～761 mm，取內(nèi)徑Φ670 mm較合理。

3.6 預(yù)熱還原綜合能力驗算

設(shè)定一級筒實際風(fēng)量為31 000 m3/h，系統(tǒng)預(yù)熱還原綜合能力驗算結(jié)果見表3。

表3 系統(tǒng)預(yù)熱還原綜合能力表

4 技改方案

(1)將現(xiàn)有的3-Φ800 mm旋風(fēng)除塵器更換為2-Φ1 300 mm旋風(fēng)除塵器。

(2)在高溫風(fēng)機(jī)前增加間接換熱式風(fēng)冷器調(diào)節(jié)風(fēng)溫，風(fēng)冷器的冷風(fēng)源采用軸流風(fēng)機(jī)鼓入空氣，在高溫風(fēng)機(jī)后增加FFD48-2×3型正壓反吹風(fēng)玻纖袋除塵器?？紤]到增加袋除塵器及風(fēng)冷器后系統(tǒng)阻力會增大，故在除塵器后增加Y4-73№10D引風(fēng)機(jī)1臺，實現(xiàn)雙風(fēng)機(jī)操作，以保證除塵器內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)，保證系統(tǒng)的還原氣氛。

(3)加大還原爐內(nèi)的耐火襯料厚度，確保有效內(nèi)徑達(dá)到1.5 m。

(4)拆除各級旋風(fēng)筒下料管的鎖風(fēng)剛性葉輪，更換為帶軸承的耐高溫鎖風(fēng)翻板閥。拆除各級旋風(fēng)筒下料管末端的撒料器，使下料管排料暢通。

(5)恢復(fù)各級旋風(fēng)筒的錐部環(huán)形吹堵管及吹堵氣源。

改造后工藝流程如圖2所示。

圖1 改造后工藝流程圖

5 改造效果

懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置經(jīng)過改造后，管道懸浮換熱能力、旋風(fēng)筒的分離能力及爐內(nèi)還原能力得到了平衡，通風(fēng)量、喂料量及燃?xì)饬康玫搅似胶猓到y(tǒng)設(shè)備更加匹配，從而實現(xiàn)了懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置的長期安全穩(wěn)定運行，保證了正常生產(chǎn)。

懸浮預(yù)熱閃速焙燒裝置是將現(xiàn)代水泥生產(chǎn)中的管道懸浮換熱、旋風(fēng)分離及爐內(nèi)快速反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于尾礦處理領(lǐng)域，實現(xiàn)了尾礦的綜合利用，符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的方針政策，有推廣價值。該裝置的改造成功，對于其他行業(yè)及類似項目具有一定的參考價值。