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      淺析回轉(zhuǎn)窯預熱器結(jié)皮原因及應對思路

      2023-01-07 07:15:08張金鐲隋善耘李付新王福宏賀敬軍
      居業(yè) 2022年7期
      關(guān)鍵詞:結(jié)皮生料預熱器

      李 強 張金鐲 廉 鋒 隋善耘 李付新 王福宏 賀敬軍

      (平邑中聯(lián)水泥有限公司,山東 臨沂 273300)

      1 預熱器結(jié)皮原因簡述

      預熱器結(jié)皮的原因有很多,從“人機料法環(huán)”等角度皆可闡述,但本質(zhì)原因只有一個,那就是由揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)富集造成,其他原因都是間接通過揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)富集來發(fā)揮作用的。

      水泥熟料的生產(chǎn)工藝中,生料中主要的揮發(fā)性物質(zhì)有硫、氯、堿三種,其中堿指鉀和鈉。這些揮發(fā)性組分在高于一定溫度后揮發(fā)成氣態(tài),并被氣流帶到溫度較低的區(qū)域,大部分(80%~90%)冷凝并被該區(qū)域的生料吸收,并隨著生料重新回到高溫區(qū),繼而再次揮發(fā),然后再次被吸收,如此循環(huán)往復,此過程稱為內(nèi)循環(huán);另一小部分(10%~20%)揮發(fā)性組分則附著在生料粉塵(窯灰)上,被氣流帶出預熱器,但最終會進入生料均化庫,然后再次隨生料喂入預熱器,此過程叫做外循環(huán)。

      水泥窯系統(tǒng)結(jié)皮是由硫、氯、堿形成的低溫共熔體,當有氯存在時,氯堿的最低共熔溫度為低于800℃,相當大的共熔溫度范圍在500℃~700℃,甚至低于500℃[1],碳酸堿和硫酸堿熔點范圍在800℃~1 100℃附近(硫酸堿的熔融溫度相對較高),硫酸鈣的最低分解溫度在1 200℃以下,還原性氣氛越強,分解溫度越低。揮發(fā)分物質(zhì)在揮發(fā)前的溫度范圍內(nèi)基本以熔融態(tài)存在,熔融的液相物質(zhì)粘結(jié)生料顆粒和飛灰形成結(jié)皮。

      根據(jù)不同揮發(fā)性成分的熔融和揮發(fā)特性,可以大體判斷不同位置結(jié)皮的主導元素,一般在窯尾過渡帶形成的結(jié)皮或結(jié)圈,以及窯尾煙室及上升煙道區(qū),主導元素為硫和堿,該位置結(jié)皮的化學成分硫含量相當高;五級和四級預熱器主要以鉀、鈉、氯為主導,從四級以上,氯元素的主導越來越高,在二、三級的疏松性結(jié)皮中氯含量相對高,因為氯堿受熱以直接揮發(fā)為主,可以簡單的認為完全由氯元素主導的結(jié)皮沒有大的粘結(jié)性,因此上幾級預熱器中正常的結(jié)皮都相當疏松,并且較薄。但這不能說明氯元素危害不大,相反,氯元素揮發(fā)不受其他元素的抑制,其揮發(fā)率最高,并且能明顯的促進堿和硫的揮發(fā)[1,2],因此氯堿循環(huán)是造成總體揮發(fā)率高的重要因素。

      隨著揮發(fā)性組分的往復循環(huán),揮發(fā)性成分在系統(tǒng)內(nèi)的濃度逐步增大,同時被熟料帶出窯外的揮發(fā)性成分越來越多,直至達到進入量(生料中含量)與排出量(熟料中含量)的平衡,系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性組分的濃度達到最大值。

      此時揮發(fā)性成分的濃度遠大于入窯生料內(nèi)的含量,這些揮發(fā)性組分既能冷凝在入窯生料的顆粒上,也容易冷凝在溫度較低的內(nèi)壁上,同時粘結(jié)部分生料顆粒形成結(jié)皮,并且結(jié)皮有不斷增厚的趨勢,同時物料對結(jié)皮的沖刷有降低結(jié)皮厚度的趨勢,二者相互作用,當燒制程度穩(wěn)定時可以形成動態(tài)的平衡,結(jié)皮厚度往往會穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),但實際生產(chǎn)中想要長時間保持這種平衡狀態(tài)是很難的,尤其是止料或投料等過程,會非常明顯的增大結(jié)皮的厚度和范圍,操作不當甚至會引起預熱器堵塞。所以往往隨著燒成系統(tǒng)運行時間的延長,結(jié)皮越來越厚,造成熟料的產(chǎn)量質(zhì)量都難以提高的困境。

      2 當前主流的解決思路及相應的機理

      為了解決預熱器結(jié)皮的問題,水泥行業(yè)和學術(shù)界做了許多相關(guān)的研究和實踐,形成了一些可行的解決思路,下面結(jié)合這些研究實踐的結(jié)論對相關(guān)的解決思路闡述如下。

      思路一:降低原材料及燃料中的堿含量、硫含量及氯離子含量,避免使用高硫煤、高灰分煤和低灰熔點的煤,熟悉原料的易燒性,并設計與之匹配的燒成工藝。減少原燃材料中的揮發(fā)性組分含量,相當于降低了系統(tǒng)氣相中揮發(fā)性物質(zhì)的濃度,也就是降低了循環(huán)量,這對減輕結(jié)皮堵塞現(xiàn)象有一定的效果,也是一個基礎操作。煤的灰熔點低容易在窯尾加重結(jié)皮結(jié)圈,同時原料的易燒性影響最低共熔點,因此要匹配合理的燒成制度。

      思路二:在循環(huán)富集區(qū)域設置旁路放風系統(tǒng)。該操作也是從降低揮發(fā)性成分循環(huán)量的角度出發(fā),其基本工藝是將部分富含揮發(fā)性組分的高溫氣流引出系統(tǒng)外經(jīng)冷卻、收塵、凈化后排入大氣中(放風量從3%~30%不等),同時將氣流中所攜帶的窯灰收集后廢棄掉(注意窯灰不能回到系統(tǒng)內(nèi))。通過旁路放風技術(shù),一定程度降低系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性組分的濃度,但是該方案的缺點也非常地明顯,首先是熱耗高,每排出10%的廢氣,熱耗增加40kca~50kcal/kg熟料[3],同時浪費掉1%的生料粉,廢氣的凈化難度大?,F(xiàn)在山東區(qū)域應用窯外放風技術(shù)的企業(yè)很少。

      思路三:調(diào)整合理的硫堿比。硫堿比理論的本質(zhì)是降低堿的揮發(fā)率,一定濃度范圍內(nèi)的SO2可抑止堿金屬化合物的揮發(fā),從而降低其揮發(fā)率,進而達到降低氣相中堿濃度的目的;適當?shù)奶岣吡蚝坑兄谏扇埸c較高的K2SO4或Na2SO4[4]。因此一般的企業(yè)都會根據(jù)實踐經(jīng)驗按照一定的硫堿比調(diào)整配料和燃煤。但是需要說明的是,硫堿比理論在學術(shù)界是有爭議的,不同的研究,不同的條件下,該方案的效果差異較大,同時一些專家不建議當堿含量升高時,為了調(diào)整硫堿比而人為的提高原料和燃料的硫含量[5]。

      還有研究表明:Al2O3和SiO2都能抑制堿金屬的揮發(fā)率,其中Al2O3和堿的產(chǎn)物熔點較高,對減輕結(jié)皮堵塞有利;SiO2和堿的產(chǎn)物熔點較低(1 100℃~1 200℃開始呈現(xiàn)為液態(tài)),可能會加重結(jié)皮,特別是在窯尾部分。因此利用Al2O3或SiO2調(diào)節(jié)結(jié)皮或有研究的價值,但是硅酸鹽熟料中硅、鋁的含量都不是微量組分,同時由于工藝的限制,調(diào)整的空間也很有限。目前還沒有在實踐中用“鋁堿比”或“硅堿比”來控制結(jié)皮的研究[6]。

      思路四:在線清理結(jié)皮。傳統(tǒng)的在線清理結(jié)皮方法主要是利用空氣炮循環(huán)吹打,同時定期利用鋼釬或高壓水槍清理煙室內(nèi)的結(jié)皮,這種方法固然有效,但是從安全、能耗、工藝穩(wěn)定的角度來考慮,不是理想的解決方案。目前比較好的方案有利用亞音頻裝置清理結(jié)皮、使用抗結(jié)皮的耐火材料、安裝不易與結(jié)皮粘附的微晶板和微晶筒,使結(jié)皮無法順利的粘結(jié),這些方法已發(fā)展成簡單有效、安全、穩(wěn)定、節(jié)約能耗的解決方案。

      思路五:控制揮發(fā)性組分的凝結(jié)位置。當系統(tǒng)各因素穩(wěn)定,形成的結(jié)皮往往會在一個相對穩(wěn)定的位置,并且達到一定的平衡后厚度保持不變。假如我們能控制系統(tǒng)各因素的相對穩(wěn)定,同時控制預熱器內(nèi)的溫度區(qū)間,就有可能使結(jié)皮的主要位置處在一個不易堵塞的區(qū)域,這個方案對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求非常高,從這個層面來講,生料在線分析儀及石灰石在線分析儀等儀器設備對穩(wěn)定生產(chǎn)以及控制結(jié)皮的意義非常重大。另外雖然目前能通過溫度、壓力等工藝參數(shù)間接的判斷結(jié)皮的狀態(tài),但是如果能在關(guān)鍵部位安裝一些探測儀器來實時測量內(nèi)部結(jié)皮的厚度,能更有利于結(jié)皮的控制。

      3 結(jié) 語

      揮發(fā)性組分的循環(huán)富集是與新型干法回轉(zhuǎn)窯工藝共存的特性,可以說是燒成工藝的一部分,因此在此工藝基礎上,結(jié)皮不能根本消除。制定合理的熱工制度,努力提高燒成系統(tǒng)穩(wěn)定性是一條穩(wěn)妥可行且一舉多得的方案。另外采用清理結(jié)皮先進技術(shù)和設備,研究和使用抗結(jié)皮材料是目前比較可靠的研究方向。

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