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水泥熟料烧成系统煤粉计量中的锁风问题

水泥工业中的煤粉计量环节之后,是煤粉的气力输送。由于气力输送过程中风压的波动往往对煤粉计量产生影响,因而也使水泥行业中煤粉的计量,有别于一般的粉状物料计量。水泥行业通常用锁风的办法,即采用一定的工艺设备或一定的工艺环节,隔离输送环节与计量环节的风压影响,以保持粉状物料流量计量的稳定。若设备或工艺并不十分合理,造成锁风的失败,将会导致煤粉计量的失败。本文就水泥计量和输送中的锁风问题进行探讨。

1 煤粉的计量输送过程

图1是一个比较典型的煤粉计量输送系统的流程图。

图1 煤粉计量输送系统的流程

由于煤粉输送过程中,管道的阻力、竖直管道上物料势能的提高、管道弯头的压力损失、喷煤管的压力损失以及煤粉分送几个用煤点时,人为增加阻力,以保持几个供煤点的阻力平衡,使得罗茨风机的出口阻力往往达到30~50kPa;而煤粉出料口入风道处风压在0.5~10kPa左右(取决于煤粉管道的长度、高度、弯头个数和转弯半径等参数,也取决于管道中是否设置了旨在降低锁风设备出口风压的喷射管)。锁风设备锁风能力如不过关,往往造成大量的一定压力的空气作用在计量系统的出口,影响计量设备的稳定。为此,通常在工艺线计量系统的进出口,设置有排风管。通过泄压,使计量系统的上下料口处于基本平衡的风压条件下,从而保持了计量系统的正常工作状态。相当数量的系统因锁风状态并不十分完好,需要排除的风量很大,又往往因为除尘器工作状态的变化(正常的收尘状态和反吹风的状态等)造成计量系统的波动。即使锁风设备的功能良好,有效地隔离了漏风的影响,但因锁风设备传动轴密封作用失效可能性较大,或因风的泄漏带来煤粉对环境的严重污染,或因携带煤粉的风泄漏进锁风设备的轴承腔,而导致轴承早期损坏。锁风装置密封状况的恶化,往往破坏了计量系统的正常工作状况。因此必须对煤粉计量和输送系统在设备和工艺上考虑更为完善的方案。

2 平行平板中气体的间隙流动

平板间气体的间隙流动是研究设备密封中的漏风现象的理论基础。可以借用这一理论,分析锁风系统的漏风问题。如果不考虑平板速度对于漏风的影响,根据伯努利方程,两块相隔很近的平行布置的平板间的漏风量Q与平板间的缝隙宽度b的一次幂、与缝隙高度h的三次幂、与空气压力p的二次幂成正比,而与缝隙长度l的一次幂成反比,即,Q∝bh3p2/l。如何在工艺设计中,优化这几个参数,对于锁风系统的设备选择和设计有着重要意义。这一表达式在具体应用时,对于叶轮给料机和螺旋输送机等,由于形式、规格和参数上的差异,表达式的部分形式和参数系数会产生变化。对于刚性叶轮给料机而言,如缝隙的长度l可以表现为给料机各个叶片厚度的累计,缝隙的宽度b表现为给料机的宽度,缝隙的厚度h表现为刚性叶轮给料机的叶片与壳体之间的间隙。但无论是何种设备,漏风量与风压差之间、与设备形式和参数之间基本的函数关系已确定,这些是我们设计或选择锁风设备、确定锁风设备参数的主要原则,也是我们确定锁风工艺系统的基本原则。在设计和加工时,对于以上参数,应在价格和加工可以接受的条件下,尽量予以优化。

3 几种机械锁风设备

煤粉计量系统采用锁风的设备通常有刚性(弹性)叶轮给料机、螺旋泵和溢流螺旋输送机。

3。1 叶轮给料机

叶轮给料机是连续给料装置中最简单的设备。有的刚性叶轮给料机,在设计和制造加工时,轴承的游隙、壳体与叶片之间的间隙超出0。5~1mm,往往造成不可容忍的空气泄漏,导致计量系统正常状态的破坏。为了加强密封而采用刚性叶轮给料机,但除非采用特殊的密封材料(可以随着磨损而得到补偿),否则随着叶片和壳体的磨损,叶片与壳体之间的间隙将日渐变大,最终导致空气的大量泄漏,造成计量系统状态的恶化。80年代初期进口的水泥成套设备配置的刚性叶轮给料机,在设备现场总是放置1台备用,任何一次短暂的停窑,就会以抢修的速度更换刚性叶轮给料机。然后就是维修、减小间隙,再将备用设备运至生产设备旁边,准备第二次抢修。因此只有在锁风装置进出料口的压差比较小的条件下,也就是锁风装置的出料口的压力不超过500Pa时,才能考虑叶轮给料机的使用。在叶轮给料机的应用上,要保证在连续运转过程中,有较小的叶片与壳体的间隙,要适当增加叶片数量和采用端面封闭的叶轮,以及在不影响煤粉的进入和卸出时,加大叶片端部的宽度。对于采用密封材料的叶轮给料机,应采用调整装置,使密封材料磨损后,得以及时的补偿。

3。2 螺旋泵

螺旋泵和引进技术生产的富勒泵均属于依靠在出料口处增加阻尼,减缓粉体物料的流速,从而在输送机的叶片中形成一段料封的方式,实现螺旋泵进出料口空气的隔离。从原理上讲,螺旋泵应该有很强的锁风能力,但在煤粉计量系统实际使用中并不理想,常常存在以下问题:1)由于螺旋泵出口阀板的密封状况并不理想,而且随着阀板和阀板座的磨损,密封状况进一步恶化,对于煤粉这种流动性极好的物料,在料封没有形成之前,已经形成气流的“短路”,而且“短路”一旦形成,料封也就很难再形成了。2)工艺设计选型不当,螺旋泵的能力远远大于计量系统的流量使料封难于形成。由于以上原因,在出料口处风压过大的条件下,在螺旋泵内很难形成有效的料封,使锁风失败。在煤粉计量系统中,采用这种设备有成功的,但也有一定数量的设备因没有形成有效的锁风,使煤粉计量系统在较高风压的影响下,出现了振荡,甚至因风压过大,造成煤粉仓供煤的中断。

3.3 溢流螺旋输送机

溢流螺旋输送机是粉状物料气力输送系统中的锁风、输送专用设备。由于在溢流螺旋输送机中粉状物料是从端部上翻后卸出的,物料的输出,总是要依靠后续物料的挤压和推动而完成。为此料柱的形成是在煤粉进入管道,而导致管道和锁风设备出口压力上升之前。因此输送机内总是保持着一个稳定的料柱,形成有效的料封。这一料封的稳定性不因设备的输送能力和实际流量是否匹配而改变,也不会因螺旋叶片的磨损而降低,因而锁风的可靠性比较高。早期设计中为了提高其锁风的可靠性,在上方出料口上设置了阀板,但从多年使用的情况看,可做简化削减。这种溢流螺旋输送机,现在已经广泛的应用于增湿塔下部、气力提升泵和回转窑煤粉计量系统的锁风。但在早期的设备中,对于轴端的密封设计不够完善,导致了粉体的溢出和轴端轴承的污染。在以后的设计中,这种溢流螺旋输送机的出料端的轴承密封将作进一步的改进,会使锁风和设备的可靠性进一步提高。

3。4 喷射泵的研制和应用

中国建筑材料科学研究院从文丘里管的原理入手,经过试验和测试,优选参数,研制出系列喷射泵和与之相关的设计软件。采用喷射泵由于设置喷口加大了送煤系统阻力,根据输送管道的阻力和风机压力的情况,缩口阻力损失通常可设计为10~15kPa,但它的应用大大降低了锁风设备出料口的压力,从而降低了设备对锁风能力的要求,从另一个角度反应了入窑煤粉计量的成功。喷射泵缩口的断面应保证其风速为3~6倍的管道输送风速,其轴向应能进行必要的调节,以使锁风装置出料口的负压值可在一定范围内进行优选。

4 输送管道系统对于锁风的影响

由于我们现在所采用的锁风装置还不能完全解决风压对于计量系统的计量和正常输送的干扰问题,因此管道系统的设计是否合理,是否在锁风装置的出料口有超出锁风装置能力的压风作用,对于计量系统的锁风有着重要的影响。但这个重要的问题,又往往被人们所忽略。一旦由于过高的风压影响了计量和正常的输送,人们往往埋怨计量或锁风系统,而没有从系统中找原因,使管道系统趋向合理。

4.1 气力输送的几种状态

与粉状物料的垂直气力输送不同,煤粉输送管道中,由于有相当长度的水平管道,水平管道内粉状物料的浓度在垂直方向上的差异,使煤粉管道的气力输送有所不同。水平气力输送依照煤粉的浓度大致可以分为:稀相输送(又称为稳流输送)和双相输送。随着煤粉浓度的进一步加大(或风速的降低),水平煤粉输送管道底部的煤粉浓度将超出稀相输送的范围,形成上部为稀相,下部为浓相的双相输送。随着风速的进一步降低(或煤粉浓度的进一步加大),水平输送管道下部将出现断续的煤粉沉积,气体的阻力出现一定程度的振荡,输送将进而演变成脉冲输送和塞流输送。在这2种状态下,气体阻力将大幅度增加,并出现较大幅度的振荡(见图2)。

图2 气力输送几种状态

由于后2种状态下气体阻力的振荡之大,已经超出了煤粉输送对于稳定性的工艺要求,在具体实施中应避免这种状态出现。为保证正常输送状态,各个公司依据自己的试验,参数上略有出入,但基本趋近于煤粉质量与输送空气质量的比应不大于2。5∶1,管道的风速应为25~30m/s。在输送系统的设计过程中,应考虑海拔等对于空气密度的影响。在稀相输送阶段,煤粉管道的压降比较低,输送系统也比较稳定,但风料比较高,输送不十分经济。双相输送较稀相输送经济,风料比较低。因而在生产中,总是在稀相和双相输送的范围内,追求较低的风料比。但对于较长的水平输送的煤粉管道而言,在阻力增加或在部分管道工况风速降低的状况下,会产生煤粉的沉积。此时一旦煤粉计量系统在瞬时间有较多的煤粉注入输送系统,系统将转变为脉冲输送,在脉冲输送状态下,管道系统阻力将快速上升,并呈现一定幅度的振荡状态,如果风机的风压不足以克服阻力,输送能力将直线下降,甚至造成输送管道一定程度的堵塞。而且这种加大并振荡的气体阻力,将使锁风设备的出口出现较高的正压,加大锁风设备的压力,甚至导致系统计量的紊乱,严重时输送管道堵塞,干扰了计量系统正常的下料。从控制的稳定性和可靠性出发,煤粉的输送应该介于稀相和双相输送之间,以兼顾输送的可靠性和经济性。

4。2 管道系统对于输送浓度状态的影响

管道系统对于输送状态的影响并不仅仅是管道公称直径。某一段管道里煤粉的输送状态取决于这一段管道内的工况风速(不是标态风速)。工况风速较高时,煤粉浓度较稀。由于管道各处的静压不同,从整个煤粉的输送管道看,工况风速是有差别的。在气力输送管道的出口,工况风速最高;而在煤粉入口处,管道工况风速最低。要有效的控制煤粉的输送状态,应该优选工况风速值,使煤粉入口处,保持必要的工况风速,使输送维持在稀相与双相输送状态之间的临界状态。当然在实际操作时,为了保持控制的稳定性和抗干扰能力,应将实际浓度控制在稍低于临界状态的程度。在生产线的实际操作时,当然不必顾及每个状态的细微变化,但我们在输送水平管道距离长、弯道多的条件下,应注意静压变化给工况风速带来的影响,并注意以下几点:

1)选择合适的输送管道的管径,在保证输送前提下,尽量降低管道风速和减少弯头个数,应尽量加大管道的曲率半径,最大限度的降低管道阻力。

2)煤粉输送的风料比不应一成不变。在管道输送阻力较大的前提下,由于煤粉入口处工况风速下降,浓度提高,同时罗茨风机机内泄露也有所提高。因此对于输送管道阻力较大时,除提高罗茨风机风压外,应适当提高罗茨风机的输出风量(其修正系数应该为1。1上下),从而降低输送的风料比。

3)对于高海拔地区,应对通常在低海拔地区采用的每立方米空气输送多少千克煤粉的概念,根据空气密度的变化,做出修正。

4。3 分风问题的影响

随着分解炉的大型化,分解炉多点进煤的要求给气力输送系统的管道带来了新问题。为了平衡各个分管道之间不同的管道阻力,各个分管道上设置的阀门应精心调整,在各个分风道阻力尽可能平衡的前提下,应努力使管道系统的总阻力为最低。但要使各分管道处于基本相同的输送状态,并非易事。实际操作中结果往往是有的分管道处于双相甚至脉冲输送状态,而另一分管道则处于高于必要风速的稀相输送状态,而整个管道系统的阻力则大大高于理想的、状态单一的计算值,所需风量也将有所提高。在锁风装置的出口造成了很高的风压。从而给煤粉的锁风装置和计量系统的稳定运转造成了很大的压力。因此,对于两个以上的供煤点,为了保证各个管道基本相似的畅通输送状态,除需提高罗茨风机的风压,使其超出计算值约10%~20%外,风量也需适当加大,不均匀修正系数应约为1.2~1.3。

不考虑管道条件的不同,照搬其他生产线现成的风量风压配置(使用效果很好),也有可能造成锁风设备和计量系统的问题。而由此将问题归罪于计量系统和锁风装置,不但不能解决问题,显然也有失公允。

5 优选的煤粉计量系统的锁风系统

如图3所示,采用溢流螺旋输送机和喷射泵组成锁风系统,同时在溢流螺旋输送机的入口处(设备的出口处)和计量设备的进口处分别设置通风管道,并以阀门与收尘设备相连。这样既将计量设备的出口风压降低至零压或微正压,又平衡了计量设备的进出料口风压,从而确保了计量设备工作状态的稳定。使煤粉计量控制系统的工作保持稳定。

图3 一种煤粉计量系统配置

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