陶從喜

新型節(jié)能環(huán)保水泥熟料燒成技術的研發(fā)及應用（下）

Research and Application of New Energy-saving and Environment-friendly Clinker Sintering Technologies(Ⅱ)

陶從喜

(接上期)

（2）分解爐的環(huán)保效應

根據我院對國內多臺預分窯系統的測試表明，現行預分解窯系統氮氧化物排放值均大于中國的“水泥廠大氣污染排放標準”,為適應日益嚴格的環(huán)保要求，在我院科研項目“低NOx型分解爐的開發(fā)研究”研究成果的基礎上采取措施，以降低預分解系統的NOx排放。

降低NOx的技術思路是，首先采用與生產兼容的分級技術，以最小的操作成本，盡可能降低NOx。在此基礎上,留有廢氣脫硝的空間，必要時投入相應的系統，在廢氣中噴氨水進一步降低NOx，確保系統NOx＜500 mg/m3(標)，使總體技術經濟指標最優(yōu)化。

分解爐出口NOx含量與下列因素有關：

?入爐氣體中NOx含量；

?燃料種類、燃料揮發(fā)分含量及燃料N含量；

?過?？諝饬?；

?分解爐溫度，尤其是初始燃燒溫度。

在分解爐錐部還原區(qū)中噴入一定的燃料，由于燃料化學不完全燃燒繼而產生大量CO，形成還原氣氛，窯尾煙氣中的NOx與CO反應形成N2，從而達到脫NOx的目的，反應可簡單表示如下：

研究及工程實踐表明，分解爐分級燃燒技術能降低熟料燒成系統的NOx的排放，以燃料分級對系統的工藝操作影響最小。通過合理確定噴煤量、噴入位置，保證適宜的停留時間及空氣過剩系數，能達到降低NOx約30%的效果。

在分解爐的設計中，考慮還原區(qū)間氣體停留時間為～1.6 s，在分解爐錐體增設兩個脫除NOx的燃燒器，煤粉從窯尾輸送管的四路閥中引出，通過調節(jié)閥門開度，控制喂煤量。

以5500 t/d煙煤為例，分解爐總的設計氣體停留時間為5.8s，還原區(qū)的氣體停留時間為1.6s，氧化區(qū)的氣體停留時間為4.2s，完全能滿足后續(xù)煤粉燃燒及生料分解的需求。

通過采取以上措施，本項目所設計的分解爐完全能滿足煤粉燃燒、生料分解及低NOx的要求。

2.3 新型大推力的煤粉燃燒器

回轉窯燃燒器是燒成系統的重要工藝設備。它不僅影響窯系統的熱耗及操作性能，還對熟料質量和有害物質排放量產生影響。天津院有限公司通過大量的工程實踐、試驗及數值模擬研究，推出了新型大推力的煤粉燃燒器，結構為四通道型式，其主要特點如下：

?無磨損，使用壽命長；

?燃燒器推力大，可達1500 m/s.%以上，對各種煤質的適應性好；

?一次風用量少，凈風比例較老燃燒器減少3.5%～6.5%。

其結構特點如下：

（1）四風道結構。我院的原三風道結構+外部冷卻風道。

（2）風道由外至內為冷卻風、軸流風、煤風、旋流風。

（3）頭部出口面積不可調，風速的調整依靠各風道閥門的開度調節(jié)。

（4）冷卻風出口為環(huán)狀結構，設置攏焰罩，以提高使用性能及冷卻性能。攏焰罩“0”位時長度為25mm，軸向長度可調，有專門的膨脹節(jié)及調節(jié)絲杠用于攏焰罩長度的調節(jié)。

（5）軸流風出口為直口圓孔狀結構，周向布置，共16個。

（6）旋流風出口的旋向與回轉窯轉向相同,旋流角50°，周向共24個出風口。

試驗用新型煤粉燃燒器按2500t/d規(guī)模考慮，結構型式見圖11，設計參數見表10。

在試驗室對新型結構的煤粉燃燒器進行了不同軸流風、旋流風、不同冷卻風及帶彩焰模擬火焰狀態(tài)下試驗研究，通過試驗不斷對各通道結構型式進行優(yōu)化改進，得出了燃燒器使用的合理參數，見圖12～14。

圖11 新型煤粉燃燒器結構型式

表10 設計參數

通過試驗得到了設計風速下的各通道的阻力，實際使用中可通過調節(jié)風機轉速來實現燃燒器的調節(jié)，各通道風速的調節(jié)根據煤質具體情況進行。

2.4 行進式穩(wěn)流篦式冷卻機

天津院有限公司新型第四代篦冷機具有依料床變化自動敏感地恒定冷卻風量、無漏料等特點，應用了多項專利技術，采用先進的Walking floor行進式原理，通過模塊化設計等一系列優(yōu)化設計，使冷卻機真正實現了高效、低故障率。天津院有限公司的TCFC型第四代行進式篦式冷卻機的技術方案為：固定端結合第三代及國外第四代冷卻機的特點采用恒定流量閥供風的鑄造篦板，確保了熟料的淬冷效果，保證了篦板壽命；篦冷機采用水平行進式篦床、標準化模塊設計，通過液壓驅動的四聯桿機構實現篦冷機的高效穩(wěn)定運行，每塊篦板下設置衡定流量閥供風，確保了熟料的冷卻效果。

其主要結構特點如下：

（1）優(yōu)化的固定端(圖15)

早期開發(fā)設計的固定端為10塊篦板長度（0.3×10=3m），斜度為18°，在早期投產的江西圣塔3500t/d及華潤南寧5000t/d生產線上發(fā)現該型式的固定端易出現堆“雪人”現象，分析原因可能是篦床過長及角度偏大所致，角度過大致使篦冷機固定端不易存冷料，出窯紅熱熟料直接接觸篦板粘結而堆成“雪人”，而且角度偏大使篦下鼓風不能大，否則較少的熟料使二次風溫偏低，一則熟料冷卻效果差，二則二次風溫低，系統熱耗也高，不利于系統的節(jié)能減排。

通過對篦冷機固定端熱態(tài)熟料的分布研究分析，根據物理學原理優(yōu)化設計固定端，使得固定斜坡段熟料分布合理，既保護篦板不燒壞又保證冷卻效果，從而減少冷卻機入口堆“雪人”現象，也使得熟料在整個篦床上均勻分布，可提高入口段的熱交換效率。改進后的固定端為7塊篦板長度（0.3×7=2.1m），斜度為12°，圣塔3500t/d及之后投產的20多條生產線表明，該型式固定端幾乎沒有再發(fā)生堆雪人，二次風溫也由之前的900℃提高到1150℃。

（2）水平行進式篦床

圖12 軸流通道阻力系數

圖13 旋流通道阻力系數

篦床傳動段是水平的，通過四連桿機構組成步進式篦床，由液壓驅動，篦床由數列組成，每列有前后兩個液壓缸同步驅動，各列相對獨立。熟料冷卻輸送篦床由若干條平行的熟料槽型輸送單元組合而成，其運行方式（圖16）首先由篦床同時統一向熟料輸送方向移動（沖程向前），然后各單元單獨地或交替地進行反向移動。所有列一起向前運動，帶動料床向前運動，然后所有列分三次分批間隔后退，由于熟料間摩擦力的作用，前端熟料被卸在出料口。這樣，通過列間的交替往復運動達到輸送熟料的目的。

圖14 燃燒器模擬火焰

圖15 優(yōu)化改進前后的固定端圖

圖16 水平行進式篦床

圖17 模塊化結構

圖18 四連桿傳動機構

每條通道單元的移動速度可以調節(jié)，且單獨通冷風，保證了熟料的冷卻效果。在設備運行前篦板面上存留一層冷的不動熟料，以減緩篦板受高溫紅熱熟料的磨蝕。相鄰兩列模塊單元連接處采用迷宮式密封裝置密封，貫穿整個篦冷機的長度方向，確保相鄰兩列篦板往復運動過程中免受熟料和篦板間的磨損，且由于篦板的迷宮式設計，不再需要專門的粉塵清除裝置，熟料不會從輸送通道漏下，不再需要前三代冷卻機中的灰斗和拉鏈機等設備，設備整體高度大幅度降低，土建成本也隨之減少。

（3）標準化模塊設計

第四代篦冷機采用標準化模塊設計，TCFC冷卻機由新穎而緊湊的模塊組建而成，通過調節(jié)篦床模塊的數量，可以適應不同規(guī)模水泥生產線的需求。圖17是四連桿機構模塊。在此模塊的基礎上，不同型號的冷卻機在制造廠進一步集成，形成大的模塊，大大減少了業(yè)主的安裝時間和費用。

模塊化柔性結構可節(jié)省設計和工程設備安裝時間，提高維護效率，降低維護成本，同時也大大方便備品備件的供給。

（4）四連桿傳動機構

根據機械動力學中相應原理，四連桿傳動機構上部兩軸承軸心保持不變，與兩軸心鉸接的連桿靈活運動的同時，可以保持上部篦床絕對水平地往復運動。

四連桿傳動機構突破了以往冷卻機的傳動方式，巧妙通過三角架的旋擺運動產生篦床的往復直線運動。同時，自動潤滑系統保證每個軸承都能得到很好的潤滑，大大延長了四連桿機構的使用壽命(圖18)。

這種機構非常適合水平的物料輸送形式，在四連桿傳動機構的滑動軸承上完成循環(huán)往復運動，密封性能良好。同時由于為各個篦板提供動力的四連桿機構規(guī)格相同，維護簡單且費用低，在長時間運轉后僅需維護軸承，也易于后期的備品備件的準備。四連桿傳動機構已獲國家實用新型專利（專利名稱：冷卻設備篦床的運動支撐裝置，專利號：ZL200720098551.1）。

（5）流量自動控制調節(jié)裝置

流量自動控制調節(jié)裝置是我公司開發(fā)的具有創(chuàng)新專利權的系統,該系統具有高熱交換率、低電耗的優(yōu)點，更加符合國家提倡的節(jié)能降耗的要求。流量自動控制調節(jié)閥為純機械件，可以根據篦床上料層的厚度自動調節(jié)閥門的開閉調大調小，進而達到自動調節(jié)供風量的功能，提高單位風量冷卻效率，減少不必要的損耗。

為了實現篦冷機篦板流量的自動控制調節(jié)功能，我們進行了大量的理論和實踐研究，開發(fā)出了STAFF型和TC型流量自動控制調節(jié)閥——CF穩(wěn)流閥，尤其是CF閥的性能通過試驗對比，完全達到國際先進水平，該流量自動控制調節(jié)閥已獲國家實用新型專利（專利名稱：一種彈力-重力式自動流量調節(jié)閥，專利號:ZL200820141667.3）。

表11 生產線產質量月報表

表12 窯系統主要技術參數比較

表13 燒成系統表面散熱的比較，kJ/kg熟料

3 燒成系統運行狀況

以上結合燒成系統節(jié)能降耗的要求對天津院有限公司新型節(jié)能環(huán)保的燒成系統技術及裝備的研發(fā)方案作了詳細論述，該技術及裝備在河北燕趙水泥有限公司5000t/d生產線上得到了有效運行，燒成主機配置為：兩檔支撐短回轉窯，帶三噴騰型TTF分解爐的五級預熱器系統；第四代行進式穩(wěn)流篦式冷卻機；大推力煤粉燃燒器。河北燕趙水泥有限公司5000t/d水泥生產國家節(jié)能減排示范線于2008年4月破土動工，5月開始土建施工，7月份開始設備安裝，2009年4月竣工點火，建設總工期約1年。目前該示范線已投產運行1年多。天津院有限公司多次對其運行情況進行了測試分析，現結合現場測試情況將該生產線運行情況小結如下。

3.1 生產線總體情況

表11 為點火投產以來生產線運行產質量統計，由此可見，該示范線總體運行產質量均很好，熟料平均產量達5728t/d，熟料電耗基本在55kWh/t左右，3d熟料強度在30MPa以上。熱工標定期間熟料產量高達6210t/d，大大超過了設計指標，燒成熱耗為2948.7kJ/kg熟料，達到并優(yōu)于設計指標，各項技術經濟指標均為國際先進水平，起到了節(jié)能減排的示范作用。

3.2 熟料燒成系統

由表12可見，在標定期間，河北燕趙水泥有限公司5500t/d生產線窯系統熟料平均產量達6210t/d，大大超過了設計指標，兩檔窯單位容積產量達6.34t/m3·d，遠高于三檔窯的單位容積產量；燒成熱耗為2948.7kJ/kg熟料，達到并優(yōu)于設計指標，燒成電耗為20.34kWh/t，各項技術經濟指標均為國際先進水平。

表13 為生產線燒成系統表面散熱損失與國內相近規(guī)模生產線表面散熱損失的比較情況。從中可見，該生產線燒成系統總的表面散熱損失較低，尤其是采用兩檔短窯，回轉窯散熱表面積減小，使得其表面散熱損失相應減少。

表14 各級料管物料分解率

表15 分解爐脫硝結果

河北燕趙水泥有限公司5500 t/d生產線的分解爐采用天津院特色的三噴騰TTF型分解爐，該爐結構簡單，阻力系數低，具有三噴騰效應和碰頂效應、湍流回流作用強、固氣停留時間比大、溫度場及濃度場均勻、物料分散及換熱效果好等特點，有利于煤粉的充分燃燒和生料分解，特別是C4旋風筒入爐物料的靈活調節(jié)可以有效控制分解爐主燃燒區(qū)溫度，三次風脫氮風管的設置可以有效降低NOx的排放，分解爐喂煤采用對稱四點噴入能有效優(yōu)化分解爐的溫度場。該分解爐在6210t/d高產條件下，能穩(wěn)定入窯物料分解率在90%以上（各級料管物料分解率見表14），運行效果良好，這為回轉窯減輕負荷和提產提供了非常好的基礎。同時，分解爐與C5筒出口溫度不存在“倒掛”現象，分解爐出口基本未測出CO，表明只要風煤配合適當，分解爐內煤粉的完全燃燒是有充分保障的。

該示范線分解爐開發(fā)設計采用三次風分級燃燒的措施，目的是降低系統NOx的排放，燃料分級燃燒和燃燒空氣分級加入在于形成一個低于化學當量燃燒系數的還原燃燒區(qū)域，在這個區(qū)域里，一方面由于不完全燃燒形成了大量的一氧化碳，可以對已經形成的氮氧化物進行還原，另外一方面則可以抑制燃料中的氮元素向氮氧化物轉化。從現有的技術資料來看，就還原燃燒區(qū)域的風煤配合來看，還原燃燒區(qū)域的空氣過剩系數在0.7～0.9之間具有最好的還原效率。

我們在現場進行了不同三次風分風狀態(tài)下的NOx脫除率即脫硝率的測試，結果見表15。

采用三次風分風的方式可實現脫硝率10%以上，最高可達～36%，可見采用分級燃燒測試可有效降低系統NOx的排放濃度。

河北燕趙水泥有限公司5500t/d生產線的熟料冷卻機采用天津院的TCFC型第四代行進式穩(wěn)流篦冷機。測試表明該冷卻機的總鼓風量為1.7728m3（標）/kg熟料，小于第三代篦冷機的正常用風量（1.9～2.1 m3（標）/kg熟料），篦冷機的熱回收效率為74.07%。

4 結語

以上結合燒成系統節(jié)能降耗的要求，對天津院有限公司新型節(jié)能環(huán)保的水泥熟料燒成系統技術及裝備的研發(fā)、應用情況作了詳細論述，即燒成系統通過集成采用兩檔支撐短回轉窯、帶三噴騰型TTF分解爐的高效預熱器系統、第四代行進式穩(wěn)流篦式冷卻機及高效大推力的煤粉燃燒器等技術裝備，可有效實現燒成系統的節(jié)能環(huán)保的要求，從而實現整個水泥生產線的節(jié)能降耗，為水泥工業(yè)的節(jié)能減排起到關鍵的技術支撐作用。

[1]彭守正.兩檔支承短窯淺析與前途展望[J].水泥技術，1987；（2）.

[2]Geofrey H．Conroy．Two-tyre kiln technology[J]．World Cement，1995；(10）.

[3]陳全德，陳晶，崔素萍，等.水泥預分解技術與熱工系統工程[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，1998.

[4]黃文熙，錢光人，沈德勛，等．不同煅燒條件下新生態(tài)CaO活性的研究[C]．第四屆水泥學術會議論文選集.中國建材工業(yè)出版社，1992.

[5]陳全德.預分解短窯和多通道燃燒裝置[J].中國建材裝備，1992；(6)、1993；（1）.

[6]侯興遠.預分解窯最佳長徑比初探[J].水泥技術，1998；（1）.

[7]Tao Congxi et,al.A correlation between the combustion of fuels and the design of calciner[J].ZKG International，2009；（11）.

[8]陶從喜，等.第三代5500t/d預分解系統的研究開發(fā)及應用[J].水泥技術，2003；（3）.

TQ172.622.26

A

1001-6171（2011）02-0032-05

2010-10-20； 編輯：呂 光