悬浮预热闪速焙烧装置的技术改造

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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。