氧化铝熟料回转窑喷煤管密封失效分析与结构优化

李军

关键词:回转窑;喷煤管;密封失效;氧化铝熟料

回转窑是烧结法生产氧化铝熟料的关键设备，也是整个工艺流程中的耗能大户。在熟料烧结过程中为确保其品质，需要实时调整煤粉燃烧器的轴向与径向位置，因此窑头罩前墙与煤粉燃烧器喷煤管外壁面存在约20cm宽的环向间隙。回转窑为微负压操作设备，运行时，环向缝隙密封不严将会导致冷风进入窑内，影响燃烧效果，增加煤耗;同时煤粉爆燃瞬间产生高温高压气流，将携带悬浮于空气中的熟料粉尘经由环向缝隙喷出窑外，相比于铝土矿为原料的熟料烧结工艺，粉煤灰为原料生产熟料时，回转窑窑内部粉尘浓度较高，粉尘外喷现象更严重。不仅污染窑头操作环境，而且高温气流也威胁到周围巡检人员的人身安全。

一、密封结构失效分析

1.1密封结构分析

当前燃烧器的喷煤管与窑头罩前墙之间的密封结构为锥型喇叭形状，锥体部分有几十块钢制鳞片构成，鳞片通过法兰固定在窑头罩外墙上，分内外两层，两层之间填充高温岩棉等柔性耐火材料，每层相邻的鳞片之间有一部分相互重叠，彼此起到压紧与减少缝隙的目的。这种鳞片式密封结构适合于回转窑窑头罩与回转窑筒体之间的环向密封、以及窑尾立烟道与回转窑筒体之间的环向密封，但这种结构不适用于喷煤管与窑头罩前墙之间的环向密封，其原因为前两种位置的密封结构中只存在环向运动，而且爆燃气流对密封面产生的冲击力较小，而喷煤管与窑头罩前墙之间存在轴向运动与径向运动，同时煤粉爆燃冲击气流直接作用于密封面上，冲击力较大。这种鳞片式密封结构存在一些弊端:鳞片数量越多，密封失效的概率越大，一块鳞片失效将会成为整个密封系统失效的绝堤口，出现“木桶效应”。

1.2密封鳞片受力分析

一般爆燃火焰传播速度约为1120m/s，爆燃产生的最大理论压力值约为1.4MPa，如果煤粉爆燃前火焰聚集于距离火焰中心前后约2m的圆筒空间内，而火焰中心距离窑头罩前墙的距离为10m，则爆燃后气流将沿窑头、窑尾两个方向传播，由于传播速度较快，可以认为是绝热过程，当气流从爆燃中心传递到窑头罩前墙时，爆燃气流的体积将膨胀10倍，则作用于前墙与喷煤管环向缝隙截面上的最大压力为0.14MPa(绝对压力)由此可知，尽管作用于环向缝隙上的作用力只有0.4kgf/cm。

煤粉爆燃瞬间产生大量高温气流，气流夹杂粉尘以较高的速度向窑头罩与喷煤管之间的缝隙处运动，当气流撞击到鳞片时，会对鳞片产生作用力F，将力F在垂直于鳞片平面方向与沿着鳞片平面方向进行分解，得到力F1与力F2，这两个力的大小与鳞片的倾斜角度相关。其中垂直于鳞片的F1将会推着鳞片远离喷煤管，而力F2将会使相互覆盖、重叠布置的两个鳞片产生分离，同时也会迫使气流转向，使其流向鳞片与喷煤管之间的环形缝隙，由于煤粉的爆燃是断断续续，因而气流对鳞片的作用力也是不连续的，每次的作用力大小也不尽相同。与此同时，气流中夹杂的粉尘对鳞片存在一定的磨蚀，回转窑长周期运行时，密封鳞片在长期交变应力、摩擦腐蚀等多个因素影响下，鳞片将出现不同程度磨损、变形，以致于早期与喷煤管紧密贴合的鳞片也会脱离喷煤管。

二、密封结构优化与改进

针对上文分析出的问题，提出改造方案，其总体思路为:先分流，再卸压减速除尘，最后径向密封。该装置主要由外筒体、外挡板、径向密封机构、耐高温阻燃柔性填充料、耐高温耐磨损浇注涂层构成该装置的工作原理为:煤粉爆燃瞬间产生的高温气流夹杂大量的粉尘，冲击到密封装置外筒体的锥体段，作用到筒体上的大部分含尘气流被锥体段阻挡，改变运动方向，沿锥体面流向窑头罩前墙，仍然在窑内部流动;由于回转窑运行过程中，燃烧器的喷煤管需根据燃烧工况调整其轴向位置，因此喷煤管与密封装置在圆周方向存在2～5cm的环向缝隙，爆燃气流尽管大部分被分流，但仍然有小部分会流入环向缝隙中，这部分气流进入圆锥筒体内部后，由于腔体体积增大，气流膨胀，压力减少，腔体内部填充有大量的耐高温柔性阻燃材料，气流被这些材料阻挡，速度下降，同时夹杂在气流中的粉尘也被收集下来，积攒在筒体内部。紧邻锥体段的筒体上沿周向开有若干小孔，起到平衡密封腔体内外压差的作用，通过喷煤管缝隙进入的气流在经过减压、减速、除尘之后，穿过阻燃材料后，流经小孔，重新回到窑体内部。进入环隙的气流经过上述路径之后，不可避免仍然会有少量气流会沿喷煤管外表缝隙向回转窑外部流动，此时在密封装置直筒段设有可径向移动的柔性密封压紧机构，该机构有动力源、执行机构、密封件组成，动力机构带动执行机构及密封件沿喷煤管径向上下移动，实现压紧与松开的目的，当喷煤管需要轴向移动之前，动力源带动执行机构向上移动，密封件脱离喷煤管外表面，实现分离松开，当燃烧工况稳定时，喷煤管不需往复移动，此时执行机构向喷煤管外表面靠近，柔性密封件与喷煤管外表面贴合、压紧，从而实现径向密封目的，同时在径向执行机构上安装有弹簧，密封件在弹簧的作用下也可实现压紧功能。在俯视图中，动力源输出轴与齿轮通过键槽连接，带动齿轮转动，当齿轮顺时针转动时，齿条向两侧运动，传动机构带动压紧片上的密封件向远离喷煤管表面的方向运动，实现密封件与喷煤管的分离，当触碰到行程开关时，停止运动;当齿轮逆时针转动时，传动杆带动两侧压紧片上的密封件向喷煤管靠近，密封件与喷煤管接触、压紧，当触碰到行程开关时，停止运动。

三、结束语

本文分析了以粉煤灰为原料生产氧化铝熟料的湿法冶金回转窑燃烧器喷煤管密封失效的原因，在此基础上对其现有密封结构进行优化与改进，提出先分流，再卸压减速除尘，最后径向密封的设计思路，并重新设计一种密封装置，能有效阻止高温粉尘气流外喷，减少回转窑窑头的冷风吸入量。

参考文献：

[1]陈金荣.回转窑喷煤结圈机理及处理结圈技术的研究[J].耐火与石灰,2019(01)

[2]刘星岐.回转窑喷煤控制系统设计与实现[D].东北大学,2016