悬浮预热闪速焙烧装置的技术改造
2014-03-23□□
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(陕西省建筑材料工业设计研究院,陕西 西安 710032)
引言
管道悬浮换热、旋风分离及炉内分解这3个过程的组合简称悬浮预分解,是现代新型干法水泥生产的核心技术。由于炉内发生的主要反应是CaCO3分解为CaO和CO2,故习惯将反应炉称为分解炉,悬浮预分解也因此而得名,实质上应该是管道悬浮换热、旋风分离及炉内快速反应的组合,所以,称其为“悬浮预热闪速焙烧装置”更为贴切。
河南省灵宝金源科技开发中心闪速焙烧实验厂以金尾矿为原料,利用悬浮预热闪速焙烧装置,采用一氧化碳还原技术提取金尾矿中的铁。该厂悬浮预热闪速焙烧装置建成于2010年5月,系统经过1年多时间的调试仍不能正常生产。应企业之邀,我院承接了悬浮预热闪速焙烧装置的技术改造设计任务,现就技改方案谈一些体会。
1 原设计概况
该实验厂的金尾矿为粉状料,细度在75 μm左右,湿度较大。原设计工艺流程如图1所示,具体为:尾矿进厂后储存于堆棚内,经喂料系统进入回转式烘干机烘干,出烘干机的干尾矿粉储存于钢板库内待用。悬浮预热闪速焙烧装置采用四级旋风预热器带喷腾式还原炉,煤气热风炉提供热源及还原气氛,出一级筒的废气经3-Φ800 mm旋风除尘器处理后经高温风机,一部分循环使用,另一部分送至烘干车间。钢板库内的尾矿粉经喂料提升设备,从一级旋风筒的进风管进入悬浮预热闪速焙烧装置,经三级预热后进入喷腾式还原炉,在炉内发生化学反应:3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2,生成的Fe3O4被废气带入四级筒,从四级筒排出后经冷却机冷却,再由输送设备送入选矿车间。悬浮预热闪速焙烧装置中各设备的基本工作参数见表1。系统设计处理能力为150 t/d,按年运转率300 d计算,全年处理能力为4.5万t。
图1 改造前工艺流程图
C1C2C3C4Φ/mm1 5001 6001 7001 9001 500670/℃350450550700800
2 存在的问题及原因分析
预热还原系统原采用3-Φ800 mm旋风除尘器除尘,由于其收尘效率较低,仅为80%,致使废气中20%的细尘进入高温风机,经高温风机后部分返回系统,容易引起系统热源炉膛集尘堵塞、还原炉进风管粘壁堵塞等故障,长时间运转还会造成高温风机叶轮的严重磨损。另外,3-Φ800 mm旋风除尘器的正常处理风量为17 820 m3/h,系统风量大于该风量值,运行阻力按2次方倍数增加。这从另一个角度说明3-Φ800 mm旋风除尘器规格偏小,致使整个系统通风阻力增大,风量达不到要求,风量小导致预热器截面风速、还原炉截面风速、还原炉缩口风速均偏小,物料所受的悬浮力偏弱,最终易导致预热器及还原炉塌料。
由表1可以看出,各级旋风筒几何尺寸的设计较合理,但由于尾矿粉受热后黏度增大,所以在各级旋风筒的锥体内会形成“料拱”、产生棚料而堵塞,这是旋风筒锥体堵塞的主要原因。该系统中的设备均属于小型设备,风管直径较小,所以在风管内使用撒料器是不合理的,它会使粉料进入风管时由于水平段过长而形成堆料,最后导致上一级旋风筒的下料管堵塞。另外,各级旋风筒内的物料温度均高于200 ℃,高温尾矿粉经过普通锁风刚性叶轮时,会使该设备由于温度升高引起机械公差配合变化而抱死,甚至烧坏电机,这是出现下料管堵塞及锁风刚性叶轮抱死的原因。在还原炉内安装撒料器也是不合理的,易导致三级旋风筒的下料管堵塞,同时破坏了还原炉内的流场。
3 悬浮预热闪速焙烧装置参数的分析验算
3.1 各级旋风筒的通风能力
根据表1中的数据,截面风速取3~5 m/s,计算各级旋风筒的通风能力,结果见表2。
表2 各级旋风筒的通风能力
3.2 高温风机验算
该系统选用W9-19№16.3D型高温风机,风机工作参数为:转速1 450 r/min,工作温度350 ℃,全压6 389~7 560 Pa,流量27 889~66 933 m3/h,电机功率132 kW。经过验算,我们认为风机全压6 389~7 560 Pa是可信的;而流量范围太大,不可信,按功率计算公式返算风机流量应在37 279~48 011 m3/h。设定一级旋风筒的工况风量为31 000 m3/h,换算为350 ℃状态时风机的工况风量应为28 697 m3/h,风机风量储备系数1.299,风机运行点的参数是合理的。
3.3 载尘量验算
按照一级旋风筒的设定通风量31 000 m3/h,系统处理能力按150 t/d计,计算得一级旋风筒表观载尘量为201.6 g/m3(按350 ℃校正后为217.8 g/m3)。载尘量符合旋风预热系统的运行要求,原设计系统处理能力150 t/d是合理的。
3.4 按截面风速分析还原炉参数
根据颗粒悬浮理论,垂直上升气流中颗粒的悬浮速度为:
V=[(4gdrs)/(3Csrg)]0.5
(1)
式中:V——颗粒的悬浮速度,m/s;g——重力加速度,m/s2;d——颗粒直径,m;rs——颗粒密度,kg/m3;rg——气体密度,kg/m3;Cs——与流体雷诺数有关的阻力系数。
当喷腾式还原炉垂直段风速大于颗粒的悬浮速度时,还原后的尾矿颗粒方可被带入四级筒。所以,在工程上还原炉垂直段风速取v=KV,即:
v=K[(4gdrs)/(3Csrg)]0.5
(2)
式中:v——还原炉垂直段风速,m/s;K——经验常数,K>1。
尾矿粉细度为75 μm,可以认为最大颗粒直径与水泥生料相当,流体场其他参数也基本相同,则还原炉垂直段风速只与颗粒密度的0.5次方成正比。按水泥行业截面风速5~6 m/s、生料粉密度约2 700 kg/m3、生料中石灰石占78%、石灰石中CaCO3含量96%校正后,截面上升颗粒密度约1 900 kg/m3;尾矿密度约3 360 kg/m3、尾矿中Fe2O3含量50.08%,按还原成Fe3O4校正后,截面上升颗粒密度约3 300 kg/m3。计算喷腾式还原炉垂直段气体风速为:
v1=(3 300/1 900)0.5×(5~6)=6.589 m/s~7.910 m/s
按照企业提供的还原炉内风温850 ℃,设定一级筒实际风量31 000 m3/h,考虑原料有2%左右的水分蒸发及漏风,各级风量增加5%。尾矿粉在系统中由于反应前后气体的物质的量(摩尔数)不变,所以化学反应不影响系统的风量。换算后,还原炉截面工况风量为42 560 m3/h,则有效内径Φ计算值为1 379~1511 mm,取还原炉截面有效内径Φ为1 500 mm,而原设计有效内径Φ2 200 mm偏大,还原后的尾矿颗粒无法被带走,积累一定量后就会出现塌料现象。
3.5 按缩口风速分析还原炉参数
还原炉缩口上方涡流区的尾矿粉可认为是紧密集中的,可按容重校正。生料容重约为1 000~1 100 kg/m3,尾矿容重约1 200 kg/m3计算,水泥行业分解炉缩口风速25~30 m/s,喷腾式还原炉缩口风速为:
v2=[1 200/(1 000~1 100)]0.5×(25~30)=26 m/s~33 m/s
还原炉缩口工况风量为42 560 m3/h,取缩口风速26~33 m/s,则计算得缩口有效内径Φ值为675~761 mm,取内径Φ670 mm较合理。
3.6 预热还原综合能力验算
设定一级筒实际风量为31 000 m3/h,系统预热还原综合能力验算结果见表3。
表3 系统预热还原综合能力表
4 技改方案
(1)将现有的3-Φ800 mm旋风除尘器更换为2-Φ1 300 mm旋风除尘器。
(2)在高温风机前增加间接换热式风冷器调节风温,风冷器的冷风源采用轴流风机鼓入空气,在高温风机后增加FFD48-2×3型正压反吹风玻纤袋除尘器。考虑到增加袋除尘器及风冷器后系统阻力会增大,故在除尘器后增加Y4-73№10D引风机1台,实现双风机操作,以保证除尘器内呈负压状态,保证系统的还原气氛。
(3)加大还原炉内的耐火衬料厚度,确保有效内径达到1.5 m。
(4)拆除各级旋风筒下料管的锁风刚性叶轮,更换为带轴承的耐高温锁风翻板阀。拆除各级旋风筒下料管末端的撒料器,使下料管排料畅通。
(5)恢复各级旋风筒的锥部环形吹堵管及吹堵气源。
改造后工艺流程如图2所示。
图1 改造后工艺流程图
5 改造效果
悬浮预热闪速焙烧装置经过改造后,管道悬浮换热能力、旋风筒的分离能力及炉内还原能力得到了平衡,通风量、喂料量及燃气量得到了平衡,系统设备更加匹配,从而实现了悬浮预热闪速焙烧装置的长期安全稳定运行,保证了正常生产。
悬浮预热闪速焙烧装置是将现代水泥生产中的管道悬浮换热、旋风分离及炉内快速反应技术应用于尾矿处理领域,实现了尾矿的综合利用,符合国家发展循环经济、实现可持续发展的方针政策,有推广价值。该装置的改造成功,对于其他行业及类似项目具有一定的参考价值。