（材料学专业论文）大颗粒流化床熟料煅烧系统工作特性研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 大颗粒流化床熟料煅烧系统工作特性研究 专业：材料学 硕士生；薛军鹏 指导教师：徐德龙劳 士、教授 范海宏讲师 李晓光讲师 摘要 为了解决传统水泥熟料煅烧工艺中所存在的问题，西安建筑科技大学粉体工程研究所经 过理论计算和试验研究，开发了工艺简单的大颗粒流态化煅烧工艺，将堆积态煅烧改进为流 态化煅烧。本文即是在实验室冷模和热模装置上，开展系统的工作特性研究。 为了确定工艺的操作参数，首先进行了冷态试验。结果表明，大颗粒气固流化床的稳定 性与零压面的位置、物料静床层高度和操作风速有密切关系。零压面的位置在o 0 8 5 0 3 15 m 范围调整时，压力信号自相关函数呈周期性波动，流化床较为稳定；流化床中合适的加料量 为hn 2 d ：当操作风速范围在1 0 9 1 7 6 m s 时，流化床流化状态较为稳定。 在热态试验装置上，进行了高温蛾豁式验。结果表明：本工艺流程布置合理，装置各部 分的衔接基本能够保证整个系统的稳定运行，并在适宜的操作参数下，煅烧出了具有较高强 度的水泥熟料；适宜的建床温度为6 0 0 c 左右；平均粒径为4 4 t u r n 的物料在1 3 5 0 下临界流 化风速大于7 0 9 m s ，流化床床层压降在4 5 0 0 6 5 0 0 p a 范围内波动；系统稳定运行时，流化 床操作风速的调节范围为1 1 2 1 6 o r n s ：相对于其它位置处。零压面控制在距流化床底部o 5 0 0 m 的高度内，床内物料流化状态更为稳定。 本研究可以为下一步热模试验提供基本的工艺和操作参数。 关键词：大颗粒；流化床；稳定性：零压面；熟料煅烧 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士学位沦文 a n e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni n t o t h e o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fa f l u i d i z e db e do fc o a r s eg r a n u l e sf o rc l i n k e rc a l c i n a t i o n s s p e c i a l t y ： s c i e n c eo f m a t e r i a l n a m e ：x u e j u n p e n g i n s t r u c t o r ：p r o f x ud e l o n g l e c t u e rf a nh a i l i o n g l e c t u e rl ix i a o g u a n g a b s t r a c t i na ne f f o r tt oo v e r c o m et h ep r o b l e m sp r e s e n ti nt r a d i t i o n a lp r o c e s s e sf o rc e m e n tf i r i n g ， i n s t i t u t eo fp o w d e re n g i n e e r i n gh a su n d e r t a k e ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf o ry e a r sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i si nd e p t h o nt h i sb a s i s t h ec o a r s eg r a n u l e sf l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e df o r c l i n k e rf i r i n g t h er e l a t i v e l ys i m p l ep r o c e s sc a s t sa s i d er a wm e a lf i r i n gi ni o m p e ds t a t ea n d c o n v e r t si ti nas u s p e n d i n gs t a t e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h el a b o r a t o r yf a c i l i t i e sf o rc o a r s e g r a n u l e sf l u i d i z a t i o no fc o l d s t a t ea n do b s e r v a t i o n sa n dm e a s u r e m e n t ss e c u r e d ，f r o mt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，o p e r a t i n gp a r a m e t e r so fc o a r s eg r a n u l e sf l u i d i z e db e da r ep u tf o r w a r da n d i m p r o v e m e n t si nt h ef a c i l i t yc o n f i g u r a t i o na r es u g g e s t e d i no r d e rt oe x p l o r et h eo p e r a t i o nc o d e so fc o a r s eg r a n u l e sf l u i d i z e db e d ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c hw a si n v e s t i g a t e du 1 1 d e rr o o mt e m p e r a t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c o t e dt h a tt h e o p e r a t i n gs t 曲订i t yo fc o a r s eg r a n u l e sf l u i d i z e db e dr e l a t et ot h eb e dh e i g h t s u p e r f i c i a lg a s v e l o c i t ya n dl o c a t i o no fz e r op r e s s u r el e v e l w i t ht h ez e r op r e s s u r el e v e l ，m e a s u r e df r o mt h e g a sd i s t r i b u t o ri nt h er a n g eo f0 0 8 5 0 3 1 5m ，t h es t a t i ch e i g h to fm a t e r i a l so f0 2 d ( d _ t h e d i a m e t e ro ff l u i d i z e db e d ) 。t h es u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y r a n g eo f1 1 7 6l f l s ，t h ec o a r s e p a r t i c l ef l u i d i z e db e dw a so p e r a t e dp r o p e r l y a n o t h e re x p e r i m e n t a lp r o j e c to fc li n k e rc a l c i n a t i o n sw a sc a r r i e do u tb yu s i n gah i g h - t e m p e r a t u r e f l u i d i z e de x p e r i m e n td e v i c e t h eh o t s t a t ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e s s a r r a n g e m e n tp r o v e dr e a s o n a b l e ，a n dt h e i n d i v i d u a lu n i t sw e r ec o n n e c t e d p r o p e r l y t h e 2 8 d - c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc l i n k e rw h i c hw a sp r o d u c e di nt h ep r o j e c tw a sh i g h t h er a w m e a lg r a n u l e s w e r eg r a d u a l l ya d d i n gi n t ot h eh o tg a ss t r e a mo f6 0 0 ，a t1 3 5 0 t h ef l u i d i z a t i o nv e l o c it y w a si nt h er a n g eo f1 1 2 1 6m s t h e p r e s s u r ed r o pa c r o s st h eb e dw a si nt h er a n g eo f4 5 0 0 - - 6 5 0 0p aa n dt h ez e r op r e s s u r el e v e lw a so b s e r v e dt oo c c u ra b o v et h eg a sd i s t r i b u t o rw i t hd i s t a n c e i i 西安建筑科技大学硕士学位论文 o fo 5 0 0mi nt h ee x p e r i m e n tt h ec r i t i c a lg a sv e l o c i t yo ff l u i d i z a t i o nw a sr e c o g n i z e dt ob e h i 曲l yt h a n7 0 9m s a t1 3 5 0 f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h eo p e r a t i o nc o d e sw e r er e c o n n e n d e df o rc a l c i a n i n ge l i n k e rb y t h ec o a r s eg r a n u l e sf l u i d i z a t i o nt e c h n i q u e k e y w o r d s ：c o a = r s eg r a n u l e ，f l u i d i z e db e d ，s t a b i l i t y ，z e r op r e s s u r el e v e l ，c l i n k e rf i r i n g s t y l ep a p e r ：f o u n d a t i o na m i c a t i o n 声明 y 6 16 9 9 4 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 薜宰礁 关于论文使用授权的说明 日期：抛忆 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：解融导师签名：f 场豸日期：乒彬， 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 符号表 流化床的截面面积，m 2 阿基米德数 流化床内的受热面积，m 2 气体通过预热带的截面积，m 2 生料球中煤粉的比热，k j ( k g ) 流化床内高温气体的比热，k j ( m 3 ) 流化床的断面直径，m 流化床内气泡直径，m 颗粒调和平均粒径，m m 颗粒受到的曳力，n 流化床内气泡频率，h z 流化床内高温气体的风量，r n 3 h 重力加速度，m s 2 流化床高度，m 临界流化风速下床层物料高度，m 流化后床层物料高度，m 流化床中物料静床层高度，m 零压面的位置，m 压力测点的位置，m 喷动床中物料静床层高度，m 传热系数，w ( m 2 、 综合阻力系数 气体横向通过预热带物料层的厚度，m 床内颗粒的质量，k g 生料球中煤粉的质量，k g 液相量， 床层压降，p a 压力信号协方差估计值，p a 时刻t 采集的压力信号，p a v 爿4“勺9 d仇讳蹦吩g h如如如如“。b m m p舯n只 诬安建筑科技大学硕士学位论文 压力信号均值，p a 气体流量，m 3 s 床料从热烟气中吸收的热量，k j h 生料球中煤粉燃烧放出的热量，k j h 受热面的吸收热量，k j h 生料球发生包氏和郝氏反应吸收的热量，k j h 生料球中发生固相反应所放出的热量，k j h 加入生料球质量，k g m i n 卸出熟料质量，k g m i n 煤粉单位质量单元体燃烧反应的热量，k j k g 临界雷诺数 生料球中煤粉单位面积的反应速度，k g ( m 3 s 1 压力信号自相关函数估计值 生料球表面积，s = 6 ( pd p ) ，m 2 流化床床层温度， 热烟气进入流化床的温度， 热烟气离开流化床的温度， 流化床床层壁温， 时间，s 床层表观风速，m s 气体真实速度( 气体线速度) ，m s 颗粒物料速度，m s 气固相对滑移速度，m s 最大颗粒速度，m s 临界流化风速，m s 流化床内气泡的体积，i n 3 煅烧前生料球体积，m 3 煅烧后熟料体积，m 3 颗粒物料质量，奴 流化气体质量。妇 * ， j i ， ， ， ， ，p p q 9 q 9函函卧啦。，s r r r 凡， 。 町咋咐哳啪n h 吁 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i i i i ；i i i i ；i ；i ；i i i i ；i ；i i ；i j 床层膨胀比 床层孔隙率 i 临界流化时床层颗粒的孔隙率 气体粘度，k g m ，s 气体运动粘度系数，m 2 s 流化气体的密度，k g m 3 床内颗粒的密度，k g m 3 床层颗粒的球形度 沿程阻力系数 局部阻力系数 气体容重，n m 3 v 1 l i 口 f 射 何竹 历印识 f r 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 流态化技术在催化、裂化生产中获得巨大成功后，作为- - f 基础技术学科已渗透到化工、 石油、能源、材料、轻工、机械、环保等领域，为国民经济的发展做出了卓越贡献。 流态化是研究流固两相之间相对运动、混合、离析、传热、传质、反应的强化和优化操 作的科学，与生产过程的节能、降耗和开发新工艺过程密切相关。由于实际生产中所面对的 物料特性以及各相操作范围的显著不同，所以随着新的化学过程和物理过程的开发，针对不 同物料特| 生和操作范围的流态化技术研究领域将不断扩展。再加上其内在规律的复杂性，许 多问题尚待解决，因此不论是现在还是将来，流态化工程研究都是化学工程学科最活跃的研 究课题之一。 在水泥工业中，流态化技术己成功用于水泥生料的预热预分解过程，诞生了水泥干法悬 浮预热预分解技术，堪称水泥生产工艺中的一次革命。但在熟料煅烧领域颗粒仍呈堆积态 换热与煅烧，流态化技术并没有得到应用。探索和发展传热和传质效率更高的流态化煅烧技 术引人瞩目。 传统的水泥熟料煅烧装备主要有回转窑和立窑两类。这两种生产工艺各自有其不同的特 点。 回转窑水泥熟料煅烧工艺具有热耗低，适于大规模生产，熟料质量优等特点，业已成为 现代水泥烧成工艺的主导技术i l l o 但是，从换热角度来考虑，回转窑内物料呈堆积态，换热 效率最高仅为6 0 左右。另外，回转窑 p - 蹯只d e x ，占地面积大，消耗钢材多，表面散热大， 阻碍了窑热耗进一步降低：立窑水泥熟料煅烧工艺所用的煅烧设备为直筒结构，内部充满料 球，在煅烧过程中沿窑体断面通风不均。致使立窑内部不同位置处的煅烧情况不同，熟料质 量很不稳定，大大限制了立窑水泥的应用。 因而水泥生产工艺仍有很大的潜力可挖。据统计，目前我国拥有大约6 0 0 0 条立窑以及为 数众多的回转窑水泥熟料煅烧的生产设备，其中立窑水泥的产量占行业总产量的7 0 ，水泥 煤耗和电耗般比国外高4 7 和2 1 ，远远落后于世界先进水平。解决我国水泥工业大而不 强的落后局面的方法，不但要引进、消化、吸收各国先进的技术，缩短与国际先进水平的差 距，更要依靠原始性的技术创新，率领世界潮流之先，占据一些制高点，为世界水泥工业的 科技进步和发展做出贡献。 结合水泥工业的发展特点，开发具有原创性的水泥熟料煅烧的专有技术已迫在眉睫。在 这一背景下，西安建筑科技大学粉体工程研究所将水泥熟料煅烧理论以及流态化理论相结合， 提出了一种全新的水泥煅烧工艺，即大颗粒流态化水泥熟料煅烧工艺。通过大量的前期试验 】 西安建筑科技大学硕士学位论文 研究，已证明这种工艺有可能替代传统的水泥煅烧技术【3 l 。 1 2 流态化技术的特点 流化床内气固两相运动比较复杂。同一截面各处的气体流速不完全相同，近壁面处受到 壁面的滞止作用较小，中心相对较大，气体流速大的地方固体颗粒被托举上升，气体流速小 的地方固体颗粒下落。上升至上表面的颗粒又会因气体流速下降而下落。气泡的形成也会夹 带固体颗粒向上运动。因此，匿l 体颗粒总处在不断的上下往复循环运动中。同时，颗粒又处 在杂乱无章的的不规则运动中。这样各种运动都造成固体颗粒的不断混合，固体颗粒的混合 又造成部分气体的混合。因此，流化床内处在不断的搅拌、混合状态。这种混合使得床内各 处温度或浓度均匀一致，避免局部过热，促进反应进行。 流化床、固定床、移动床相比有显著的不同，其自身的特点在于 4 1 ： ( 1 ) 有一个明显的流化点，相应地存在临界流化速度u 1 1 1 r ，当流速达到t i m e 时，床层颗粒开 始流化。 ( 2 ) 一旦形成稳定的流化床，在一定的速度范围内，相应的压降为常数，将不再随气速 变化。 ( 3 ) 密相流化床内存在气泡相和颗粒密相，流化床颗粒大部分存在于密相，颗粒的不断运 动减少了床层中滞止区的形成，确保了气固的有效接触，处于流态化状态的颗粒较易控制。 ( 4 ) 出于密相流化床中存在颗粒床层的结构不均匀性以及由颗粒表面特性所引起的内聚现 象，同时由于气泡的聚并等原因，常造成沟流、腾涌等不正常流化。 ( 5 ) 作为化学反应器，流化床具有物料可流动性、相对均匀的温度分布以及较好的传热特 性等优点，床层中颗粒的迅速环流提供了几乎恒温的环境和最好的传热特性。同时，有气体 短路、固体返混、颗粒扬析和磨损等缺点。 ( 6 ) 流态化床在机械方面简单且适于大规模操作，流态化床较其它气固接触设备更加紧凑。 总之，流化床是一种高效、稳定、均匀的传热系统。 1 3 国内乡i 哆课喇翻窥态仳戡术的硼靖溉况 流态化技术在现代化学工业生产中得到了广泛的应用。通过对流态化床的研究表明，提 高流化颗粒的细度，可使得床层的反应眭能大大改善，因此在大量的工业反应器中，针对细 颗粒流态化床的研究及相关技术的开发和应用得到了长足的发展，流态化床诸多的研究成果 均来自于此。经过几十年的努力，对中小细颗粒( 小于5 0 0 卜m ) 的流态化床研究的定性描述 和定量表达日趋成熟，现有的流态化床模型能很好地描述该反应器的行为。但对于大颗粒流 态化床的研究，只能给出少量定性的描述。 近年来，由于流态化技术所涉及的工业应用范围不断得到拓展 5 1 ，可供流态化床使用的 2 西安建筑科技大学硕士学位沦文 颗粒尺寸范围不断加大嘲，特别是在煤的流态化床燃烧及水泥熟料的流态化煅烧等领域，有 关大颗粒流态化床的基础理论及其应用研究日益得到了关注。许多学者开始关注大颗粒流态 化的研究工作。但在相当多的问题上，如该种类型流态化床的流型转变、流化相图的建立、 稳定性分析、气固流动规律、气固流动模型的建立、气固混合及停留时问分布、空隙率分布、 颗粒间相互作用、大颗粒流态化床的放大设计等问题上，并没有深入的相关研究i i i 现。目前 对大颗粒流态化床为数不多的研究表明，大颗粒流态化床与细颗粒流态化床相比有其不同的 特点，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 大颗粒物料的终端速度与临界流化速度之比在7 8 之间，而细颗粒的比值在6 4 9 2 之 间，可见大颗粒流态化床的操作范围明显地小于细颗粒流态化床。 ( 2 ) 细颗粒流态化床的流速自零增加至临界流化速度时，床层静止不动，仅稍有膨胀。当 流速高于临界流化速度时，床层开始流化，并急剧膨胀，但不出现气泡或出现小气泡，呈现 或接近散式流态化状态。而大颗粒流态化床与之相反，有大气泡出现和明显的床层不均匀性。 ( 3 )r r c r a n f i e l d 及d c o e l d a r t 对颗粒粒度在1 - 2 r a m 之间的大颗粒研究表明，大颗粒流态 化床中的气泡形成于分布板上方几个厘米处，其形状类似于两端凸起中间凹陷的长条形空 隙，在气泡的上升过程中，气泡并没有湍流尾涡形成。这种情况仅在大颗粒流态化系统才会 出现，并将导致床表面的较大幅度的上下波动。 ( 4 ) 细颗粒流态化床中气泡结构，如o e l d a r ta 类和大部分b 类颗粒床层中的气泡存在明 显的晕层，属有晕气泡，也称快气泡。这是由于这类气泡的上升速度大于乳相的粒隙气速， 从而在气泡与气泡周围的乳相之间造成循环流动的气体晕层。而对于大颗粒流态化床，乳相 粒隙速度大于气泡的上升速度，乳相中的气流将会穿过气泡，而不是在气泡与周围乳相之间 循环，所以气泡外面没有晕层包围，属无晕气泡，也称慢气泡。 ( 5 ) 具有一定高度的细颗粒流态化床中气泡的直径一般可达到最大稳定气泡直径。而对于 大颗粒流态化床，由于其运动粘度很大，气泡尺寸总是在轴向逐渐增大，甚至对于很大的d 类颗粒，气泡尺寸的增大速率将高于气泡的上升速度，所以有观点认为大颗粒流态化床并不 存在最大稳定气泡尺寸。 ( 6 ) 细颗粒流态化床中的气泡爆裂后，颗粒获得很高的初速度，且这些速度有着很高的向 上分量。而大颗粒流态化床中的气泡爆裂后，颗粒所获得的速度相当低，向上的分速度更低， 所以大颗粒的抛掷高度也是很低的。 ( 7 ) 大颗粒流态化床由于其内部的气泡尺寸较大，与细颗粒流态化床相比，更容易发生节 涌现象，影响床层稳定性的因素更多。 以上是目前大颗粒流态化床研究的概况，可以说，在相当长的时期内，大颗粒流态化床 的理论及实验研究并没有得到充分的重视和进一步的发展，致使当新的生产工艺、新的工业 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 设各出现时，与之相关的流态化方面的科学理论明显滞后，阻碍了研究与开发工作的顺利进 行。 1 4 流态化水泥熟料煅烧国内外研究概况 蝌流化床反应器取代宠大而热效率低的回转窑来煅烧水泥熟料是近5 0 年来国际竞相研 究的一大课题。德国、日本、丹麦、法国、中国等国家为此作了多年的努力，提出了许多方 案，但至今仍都处于实验阶段。 1 4 1 国外流蔼刑臻鞑粒j ( _ 泥投济：进展 早在1 9 4 4 年，比塞尔( p y z e l ) 就开始研究用流化床煅烧水泥熟料的技术，主要特点是 一部分粒径较小的熟料颗粒返回流化床层作为进一步煅烧的核粒，1 3 0 0 的高温生料粉末裹 覆其上，熔结反应立即进行。此生产系统虽未得到工业应用，但它为水泥煅烧技术的发展提 供了一个新的途径。日本国井大藏和美国的0 列文斯比尔早在7 0 年代曾预言：生产水泥熟 料的p y z e l 法将对水泥工业有潜在的影响【刀 8 】。 流化床熟料煅烧反应器系1 9 5 8 年日本k o n o 所提出。它的特点是流化床分布板呈锥形， 使用气速选择排出颗粒，熟料排出流化床后通过流态化床冷却机冷却到较低温度。流化床煅 烧反应器排出的高温气体还需通过热回收系统。 日本佐成俊清 9 】于七十年代开发的一种大颗粒流态化煅烧装置。该工艺分为两段式和一 段式两种类型。该装置采用填充式分布器。试验料球粒径为5 8 m m ，烧成温度为1 4 0 0 1 4 4 0 。试验结果表明：熟料中f - c a o 小于】所需的烧成时间，一段式为3 5 分钟，两段式为2 5 2 6 分钟。 1 9 8 3 年日本秩父公司【1 0 l 在熊谷水泥厂建成了日产5 0 吨的流态化煅烧水泥熟料的试验装 置。在此基础上该公司设计了日产3 3 0 吨的流化床烧成法工艺线。整个系统由四级旋风预热 器、分解炉、流化床反应器、分级器和两级熟料冷却机组成。生料粉经预热预分解后在流化 床反应器内迅速与床内物料混合流化，瞬间即达到烧成温度，同时，高温生料粉由于产生液 相而粘附在己烧成的细小熟料颗粒的表面上发生烧成反应。熟料在约1 3 2 0 的烧成温度下长 成球形，在长大过程中由分离器控制在o 5 至5 m m 之问。熟料烧成后先进入流化床冷却机， 保证红热熟料有效骤冷。随后继续进入填充床冷却机，冷却合格后从冷却机排除窑外。 1 9 8 4 年，日本川崎公司【l l 】【2 1 1 1 3 1 开始流化床煅烧水泥试验。他们先后进行了2 9 d 小试、2 0 们 中试和2 0 0 扩大中试，取得了较大进展。其2 0 0 咐工艺流程如图1 1 所示。该工艺两窑系 统由悬浮预热器( s p ) 、造粒窑( s b k ) 、烧结窑( ( f b k ) 、流化床淬冷器( f b q ) 和移动床冷却器 ( p b c ) 组成。 该系统与n s p 窑相比具有以下特点： 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 煤种选择有很大的灵活性，可使用各种劣质煤； ( 2 ) 流化床换热性能好，系统表面散热少，冷却机热效率高( 8 0 呦，热耗降低1 0 2 5 ； ( 3 ) c 0 2 排放量减少1 0 - - 2 5 ，n o x 排放量减少4 0 以上。 ( 4 ) 可生产多种水泥。利用流化床的燃烧特点，造粒和烧结温度能精确控制，因此，转换 生产水泥品种容易。 ( 5 ) 建厂成本、运转成本和维修成本低。与回转窑比，该系统设备占用面积减少7 0 ，建 厂投资减少1 0 - - 3 0 。因为无回转窑和蓖冷机等活动部件，该系统机械设备和耐火材料寿命 增长。 该系统的关键技术是高温自造粒技术。在煅烧普通波特兰水泥时，1 2 5 0 产生液相，之 后随着温度升高，液相量增多，熟料呈部分熔融状态，易出现结块和粘聚问题，严重时会破 坏流化状态。要避免这情况，必须严格控带荆棘的平均尺寸和粒度分布。为了实现自造粒 技术，造粒窑中粒种产生的比例应维持稳定，而且必须严格控制流化床温度，防止产生大料 粒，以免熟料在窑壁粘附结皮。 l t g l ，为了进一步利氐能耗，川崎公司又开发了窑系统，即取消了烧结窑，将造粒和 熟料烧结在造粒窑中同时进行。 一窑系统与两窑系统结构比较如图| - 1 所示： ( - ) 爵盘蒹堍 ( b ) 一窑摹鲤 图1 - 1 一窑系统与两窑系统结构比较】【1 2 l 【1 3 1 此外，据报道【1 4 1 ，还有丹麦f l s m i d t h 公司、日本石川岛公司、日本住友公司等都进行 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 了流念化煅烧水泥研究与试验。 1 4 2 国内流岙讯姨黠如繁泥授爿溉 国内水泥研究人员在流态化煅烧水泥新工艺方面做了大量的研究工作，1 9 8 1 年，中国建 树院汪宜光【”i 等发明了“悬浮预热喷胤盘粒沸腾烧成”水泥熟料煅烧新工艺。该喷腾炉 试验温度在l l o o 1 2 7 0 之间，晶核为小于3 m m 的煤矸石、生料、熟料或其它无机矿物， 掺量为3 5 。由于烧成温度低、时间短，熟料晶体尺寸较小且结构疏松多孔，熟料中c 3 s 含量为1 5 ，c 2 s 含量达5 5 ，f - c a o 含量3 5 。 武汉工业大学的黄文州”肄1 9 8 4 年研究开发出悬浮沸腾法煅烧装置，该工艺的最大优 点是物料的分解反应、气固反应都在物料处于高活性下完成其反应速度及转化效率明显高 于传统的水泥熟料煅烧设备回转窑和立窑。虽然此装置能够烧出合格的熟料，但是因为稳 定性的问题最终而没有得到工业推广。 1 9 8 5 年，天滓市建材研究所李向远等1 t l 研究设计出一种悬浮法煅烧水泥熟料的工艺方 案，该工艺创新之处在于使用生料球，发挥了黑生料球接触内燃热效率高的优点，避免了粉 料粘壁堵塞。但没有解决好燃料充分燃烧和流态化正常运行所需风量的矛盾，也未见试验结 果的报道。 1 9 9 0 年，中国矿业大学曹海滨旧以煤矸石为主要原料，采用沸腾炉煅烧工艺，外加沸渣、 生石灰、晶种、石膏、明矾石等，料球经常压蒸养后入炉，炉内温度控制在8 0 0 左右，煅 烧出了低钙水泥熟料。 中国建材院傅子诚【1 9 研究开发的流化床锅炉煅烧水泥并发电工艺，该工艺利用了流化床 高皴传热传质的优点，使碳酸盐完全分解，减轻了回转窑的热负荷。此法烧成的熟料质量优 良。由于发电量自给有余，该工艺单位产量投资比n s p 窑低得多。在使用劣质煤的同时可有 效的脱硫，解决了环保问题。 1 5国内外流态化煅蝴熟科研究中存在的问题 虽经过长期试验，流态化煅烧水泥取得了一定的进展，在小型热态试验装置中获得合格 的水泥熟料。但是，由于流态化技术本身还不成熟，正处于不断发展之中，在研究工作中， 不可避免地会遇到一些问题。因此，目前对这一课题的研究，绝大多数仅处于实验室研究阶 段，并未实现工业化。主要原因有： ( 1 ) 长期运转有困难，操作条件要求严格，液相生成量不易控制，容易造成结块、死床； ( 2 ) 技术经济指标尚未达到预期要求； ( 3 ) 大型化困难较大： ( 4 ) 自动化控制水平要求过高。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 6 大颗粒流态化床水泥熟料煅烧研究进展 为了降低能耗、减小污染，同时开发新型熟料煅烧工艺，西安建筑科技大学粉体工程研 究所从上世纪8 0 年代开始就致力于大颗粒流态化煅烧水泥熟料的理论和实验研究，相继建成 冷态模型试验装置以及半工业化的热态模型试验装置，并且取得了一定的研究成果。大致分 为两个阶段。 1 6 1 第阶段冷、热态试验研究 ( 1 ) 冷态模型的特点 图1 2 为第阶段冷态模型试验装置示意1 蛩1 2 0 l 。该装置的主体由三部分组成，即预热带、 煅烧带和冷却带。预热带和冷却带由移动床组成，煅烧带为流化床。预热带的主要构件是篦 板和料钟，煅烧带包括流化床分布器、流化床床体及其上部的自由空域。冷却带包括进风管 和移动床冷却器。 通过对该模型的试验，研究人员得出了大颗粒流化床熟料煅烧装置的稳定运行规律；研 究了如何及时检测装置内物料流化状态的方法，以便有效地控制各参数的动态变化规律：找 到了检测装置内物料流化状态的方法：掌握了如何及时判断装置内出现棚料问题以及排除故 障的措施。 1 料钟调节转盘 2 一进料口 3 一支烟口 4 一预热带 5 一烧成带 6 一冷却带 7 一进风口 8 一卸料口 图i - 2 第一阶段冷态试验装置示意图【加】 ( 2 ) 热态模型的特点 在冷态模型试验的基础上，建成热态模型装置口“，如图1 0 所示。该装置的结构同第 一阶段冷态模型试验的构成基本相同。 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 i 一卸料管 2 - - 冷却带 3 一煅烧带( 流化床) 4 - - 预热带 5 一废气管 f i - 一料斗 ? - - 观察孔 8 - - 冷却风管 9 一料钟 l o 一篦板 图i - 3 第一阶段热态模型试验装置示意图口1 f i z z 在热模装置上经过反复试验并配合试验室冷态试验及电炉煅烧对比试验，研究了大颗粒 流态化煅烧水泥工艺的结构及操作参数，初步探明了大颗粒流态化高温稳定运行的规律，总 结出了一套操作要领，探讨得出了大颗粒流态化煅烧水泥熟料的合理工艺及操作参数控制范 围。并在试验过程中对工艺进行了优化。 但试验中还存在一些问题： 1 ) 结构装置方面 i 预热带高度太低，限制了物料的高度。同时，篦板上的通风孔小，易于被物料堵塞。操 作时料钟开度的变化对流化床物料的流化状态影响很大： i i 流化床容量小，8 甚嶷填的物料量有限。每一次加料明显改变流化床内的温度分布，严重 影响装置的稳定运行。同时，用石油液化汽补燃时，火焰会冲至预热带，造成预热带温度偏 高，篦板处物料大量粘结，无法顺利卸料； i i i 预热带通风篦板孔太小，篦板通风阻力很大。这样从流化床向上流动的高温废气只从直 径仅中1 0 0 蚰的预热带卸料口进入预热带，卸料口处的高速气流使预热带中部物料呈喷腾状 运动。大量物料由于剧烈运动而碰碎，最后随废气排出窑外。 2 ) 操作方面 i 由于采甩人工操作和控制，无法保证操作参数的精确控制，因此，流化床温度及稳定运 行较难控制； i i 向流化床加料是通过料钟的上下运动来实现，而料钟的上下运动使系统阻力发生很大变 r 塑窒垄丝型垫奎兰堡圭兰堡垒兰 ； 化，给操作带来麻烦。 3 1 选用原料及设备方面 i 试验所用黑生料球在预热带易结块而堵塞篦板卸料口，严重影响到向流化床的喂料； i i为系统提供动力的离心引风机的风量随系统阻力的变化而变化很大，对装置的稳定运行 影响较大。 1 6 2 第二阶段冷态试验研究 针对热模试验中发现的问题，对试验装置进行了改进，并进行了冷态模型试验，试验装 置如图1 - 4 所示。 卜卸料斗 2 _ 卅e 风管 3 一预热带 4 _ 预热带内篦板 5 一预热带外链板 6 - 料钟 7 - - 预煅烧带 8 _ 一自由空域 9 _ 一煅烧带 1 0 一冷却带 1 i - - 卸料管 图1 _ 4 第二阶段冷态模型试验裟置示意图l 该冷态模型圆的特点在于试验装置采用了“移动床预热一内循环床分解预煅烧流化床 煅烧移动床冷却”的四段床方式。系统由预热带、预煅烧带、煅烧带和冷却带组成，预热 带和冷却带出移动床构成，预煅烧带为内循环床，煅烧带则由流化床构成。装置的三个部分 能够较为准确的衔接与匹配，即移动床预热带向内循环床卸料、内循环床向流化床煅烧带卸 料、移动床冷却带物料卸料。由于移动床预热带和冷却带的自动卸料通过自动控制系统可以 实现稳定控制，使得物料在反应器中能够平稳运行。预热带采用双层与气流方向垂直的篦板 结构，保证系统阻力相对稳定。内循环床和流化床煅烧带之间采用料钟系统作为过渡，既实 现了向流化床的连续加料，同时保证了出流化床的热烟气通过它进入预热带，并且分布均匀。 动力供风系统采用了离心风机引风、罗茨风机鼓风的方式，通过调节两个风机的阀门，来调 节零压面的位置，以保证流化床稳定流化。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 7 本课题的研究目的 本研究课题的1 7 1 的是在总结粉体工程研究所前期“大颗粒流态化煅烧水泥熟4 4 - 4 5 f f 究”的 冷模和热模试验的基础上，优化装置结构，解决以前冷、热模试验中所遇到的问题，探索大 颗粒流态化煅烧水泥熟料工艺的工作特眭，实现该装置在高温下的稳定、连续运行。 1 8 本课题的研究内容 粉体所在第一阶段冷态模型和热态模型试验中，探索了工艺参数、结构参数及操作参数 对流化床稳定性的影响，得到了很有价值的结论。在第二阶段冷态试验研究中，仅用离心引 风机提供动力，研究了系统运行时，内循环床和流化床中物料的运动特性。但是，对于系统， 尤其是在罗茨鼓风讥和离心引风机共同提供动力的隋况下，并没有进行全面的研究。本课题 则是在前期试验的基础上，对系统的工作特性进行研究。同时，在第二阶段热模试验装置上， 进行热态试验研究。 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 冷态试验研究 1 ) 研究系统稳定运行时操作风速、物料高度和零压面位置对内循环床压力和压降的影响； 2 ) 研究系统稳定运行时操作风速、物料高度和零压面位置对流化床压力和压降、床层膨胀 比和流化床流化状态的影响： 3 ) 研究系统稳定运行时操作风速、物料高度和零压面位置对预热带、冷却带和缩口带压降 的影响。 ( 2 ) 热态试验研究 1 ) 研究高温流化床合理的建床方式； 2 ) 研究系统稳定运行时合理的热工制度； 3 ) 结合冷模试验结果，确定采用双风机稳定运行时合理的零压面的位置： 4 ) 研究分析高、温流化床运行时出现的问题和解决的途径，并对下一步热模实验进行预测和 展望。 1 9 栩f 究的i g , t 潞t t 大颗粒流态化煅烧水泥熟料技术的研究，实质上是- ；l b 新生产工艺的开发和优化研究。 必须以试验研究和理论分析为基础。采用逐级放大和数学模型的方法，开发和优化出合理的 水泥熟料煅烧工艺。 本课题是以流态化理论和水泥熟料煅烧理论为指导，结合理论分析、试验验证、检测和 操作参数的优化，在前期冷、热态试验研究的基础上，通过实验室进一步冷态试验，研究和 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 讨论3 v n 粒流化床连续、稳定运行时。系统工作特性的影响因素，并在此基础上进行第二阶 段热态试验，优化装置，确定出更加合理的工艺装置，并获得高温下大颗粒流态化稳定运行 的适宜工艺条件和操作方法。 具体技术路线为： ( 1 ) 通过冷态试验，研究系统稳定运行时零压面的位置、物料高度和操作风速等操作参 数对系统工作特l 生的影响。 ( 2 ) 在热态试验装置上，通过大量试验，优化出高温下大颗粒流化床稳定运行的基本操 作参数和工艺条件，解决出现的问题，为下一步热模试验提供参考。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 冷态试验研究 本章使用离心引风机和罗茨鼓风机提供动力，研究系统稳定运行时零压面的位置、流化 床中物料量以及操作风速等对系统工作特性的影响。 2 1 试验装置及测试方法 本研究采用大颗粒流态化煅烧水泥熟料第二阶段冷模装置，测试系统包括：多通道数据 采集系统，斜管微压计，标准毕托管等组成，如图2 一l 所示。 计算机 a i d 转换器 标准毕特管 离心引风机 阀门 移动床预热带 内循环床预热预分解带 料钟 流化床煅烧带 0 移动床冷却带 1 罗茨鼓风机 图2 1 第二阶段冷态模型试验装置图 流化床为内径1 2 7 m m 的有机玻璃管，高为7 5 0 r a m 。底部为冷却带，其中的黄豆、绿豆 混合组成流化床分布板，以使气体尽可能均匀分布。试验中使用一台离心引风机和一台罗茨 鼓风机分别或同时向床层提供风量。分别调节离心引风机以及罗茨鼓风机阀f a p m 以改变入 床风量和零压面位置。物料量通过调节预热带加料辊子转速和冷却带的振动卸料机来配合实 现。在不同的零压面位置、不同物料高度、不同操作, a t 速时，测量并记录系统连续、稳定运 行时的压力及压降变化，分析并获得系统整体运行的规律。 测点的分布如图2 1 所示。零压面的位置通过u 型管压力计标定。各测点的压力信号由 压力传感器采集，经a d 数据采集系统处理后，以数据文件形式储存在微机中。压降信号通 过u 型管压力计、斜管微压计测量，其中风速可由测量的压降值换算获得。 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 本章试验中零压面的位置，以及流化床床层压力测点的位置，均以流化床底部为高度基 准( o m ) ，内循环床的压力测点位置以内循环床的底部为高度基准( o m ) ，风速均以系统中 流化床的操作风速为准。 2 2 试验研究用物料、流化介质特性 ( 1 ) 试验物料特性参数 在本试验中，选用黄豆和绿豆作为试验物料是考虑到其接近水泥生料球的密度及粒度。 且流动性、重复睦好。选用的物料粒径范围为2 8 7o n w a ，试验表明该粒径范围内颗粒的扬 析量较小，从而能使床内的物料总量基本保持不变。试验物料特性参数见表2 1 。 表2 - 1 试验物料特性参数 注：试验物料的平均粒径采用调和平均粒径 ( 2 ) 流化介质特性 本试验中使用的流态化介质为空气，常温( 2 0 ) 常压( 西安0 9 5 a r m ) 下空气的物性参 数为pr = 1 1 4 6 k g i 亍，= 1 9 1 x 1 0 4 p a s 。罗茨鼓风机的额定轴功率为3 7 k w ，出口压力为 1 4 0 5 k p a ，最大流量为4 0m 3 m i n ，额定转速为1 4 5 0 r p m 。离心引风机的型号为9 - 1 2 0 4 ，全压 为8 7 5 m m 水柱，最大流量为1 0 1 7 m 1 h ，主轴转速为2 8 0 0 r p m ，电机功率为2 2 k w 。 2 3 零压面位置移动对系统工作特性的影响 零压面在系统中所处的位置不同，系统各部分的压力场也会相应地发生变化，进而系统 各个部分的工作特性也会发生变化。本节主要研究零压面位置在系统中移动时，系统工作特 性( 如系统各部分阻力、流化床稳定性、内循环床床层的压力分布和压力脉动等) 的变化。 2 3 1 零压面位置移动对内循环床床层压力分布和压力脉动的影响 图2 2 为零压面在不同位置时，内循环床床层的压力分布情况。可以看出，随着零压面 位置的上移，床层内各点的压力值增加。 图2 3 为零压面在不同位置时，内循环床床层的压力脉动情况。可以看出，随着零压面 位置的上移其相应的压力脉动标准差减小。说明内循环床中压力越大，内循环床越稳定。 1 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 轴向高度肺 图2 2 不同零压面时内循环床压力分布 巴 榭 幢 穴 崮 轴向高度m 图2 - 3 不同零压面时内循环床压力脉动标准差 2 3 2 零压面位置移动对系统中各部分阻力的影响 零