劉仁德

（銅陵上峰水泥股份有限公司，安徽銅陵 244171）

0 引 言

熟料煅燒是水泥生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在水泥生產(chǎn)中，燃煤耗用費(fèi)用已占熟料生產(chǎn)成本的60%以上。熟料煅燒是一個(gè)高溫?zé)崃W(xué)過(guò)程。熟料的生成需要在窯爐中燃燒大量煤粉以提供所必需的熱量。這不僅要消耗大量能源，而且導(dǎo)致污染物的大量排放。在世界能源日趨緊張的今天，降低熟料煅燒能耗，減少污染物排量，是節(jié)能減排的一個(gè)重要途徑，也是水泥行業(yè)推進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)的必然選擇。為進(jìn)一步節(jié)能降耗，TLSF水泥公司經(jīng)反復(fù)推敲論證，對(duì)回轉(zhuǎn)窯及分解爐燃燒系統(tǒng)成功地進(jìn)行節(jié)能煅燒技術(shù)改造，現(xiàn)將情況簡(jiǎn)單介紹，供同類企業(yè)借鑒參考。

1 燃燒系統(tǒng)的設(shè)備配置與工況條件

TLSF水泥公司擁有五條Φ4.8×74m預(yù)分解窯生產(chǎn)線。其中一、二線于2006年前投產(chǎn)。投產(chǎn)后產(chǎn)能達(dá)到5800t/d左右，年平均臺(tái)時(shí)產(chǎn)量可達(dá)245.5t/h。為繼續(xù)挖掘回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)潛能，公司在后三條線建設(shè)時(shí)，有意識(shí)地加大了筒、管、爐、機(jī)的設(shè)備規(guī)格、同時(shí)加大了窯尾廢氣及燃燒系統(tǒng)的設(shè)備配置。

1.1 燃燒系統(tǒng)的設(shè)備配置

各生產(chǎn)線燃燒系統(tǒng)的設(shè)備配置情況見表1。

表1 燃燒系統(tǒng)的設(shè)備配置

TLSF公司的三線和下屬HNSF公司的兩條生產(chǎn)線，在燒成系統(tǒng)工藝設(shè)備的配置加大之后，回轉(zhuǎn)窯臺(tái)時(shí)產(chǎn)量有了較大幅度提高。年均臺(tái)時(shí)產(chǎn)量達(dá)260t/h左右。TLSF公司三線平均日產(chǎn)量達(dá)到6000t/d以上，HNSF公司的兩條生產(chǎn)線年平均日產(chǎn)量已達(dá)到6200t/d。但是，由表1可以看出，為了提高回轉(zhuǎn)窯臺(tái)時(shí)產(chǎn)量，上述三條生產(chǎn)線，除燒成系統(tǒng)工藝設(shè)備的規(guī)格普遍加大之外，燃燒系統(tǒng)的設(shè)備配置也大幅度增加，對(duì)比HNSF公司兩線與TLSF公司兩線可以看出，窯頭喂煤秤：風(fēng)機(jī)風(fēng)量加大28.8m3/min、風(fēng)壓增加9.8kPa、導(dǎo)致風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率增大了70kW。窯尾喂煤秤風(fēng)機(jī)：風(fēng)量加大55.7m3/min、風(fēng)壓平均增加15.4kPa、導(dǎo)致風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率平均增大了112.5kW。

1.2 窯內(nèi)工況條件及熱工參數(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，TLSF水泥公司的五條生產(chǎn)線，熟料平均熱耗波動(dòng)于780～800kcal/kg之間。設(shè)定窯內(nèi)工況條件為：熱耗800kcal/kg.k，煤粉熱值 Qnet,ar=5000 kcal/kg.m，頭煤喂煤比例35%，計(jì)算各項(xiàng)熱工參數(shù)見表2。

表2 窯內(nèi)工況條件及熱工參數(shù)

2 燃燒條件對(duì)節(jié)能減排的影響

2.1 窯頭喂煤系統(tǒng)存在的問(wèn)題

在窯頭煤粉燃燒系統(tǒng)中，喂煤風(fēng)機(jī)的作用，是在保證煤粉輸送用風(fēng)量的同時(shí)，還與凈風(fēng)機(jī)共同承擔(dān)著供給煤粉中揮發(fā)分燃燒所需氧氣的責(zé)任。窯頭凈風(fēng)的功能，除了保證煤粉中揮發(fā)分燃燒的氧氣供應(yīng)外，還要保證能夠及時(shí)迅速地與二次風(fēng)混合，為煤粉中固定碳充分燃燒提供優(yōu)越條件。因此，新型干法回轉(zhuǎn)窯都普遍采用了多通道煤粉燃燒器，各種類型燃燒器雖然形式不盡相同，結(jié)構(gòu)存在差異，但大都朝著強(qiáng)湍流、強(qiáng)回流、強(qiáng)旋流、濃縮燃燒、大推力方向發(fā)展。達(dá)到強(qiáng)化燃料與空氣的混合，提高燃燒帶熱力強(qiáng)度，并降低NOX排放量的目的。

但由于一次風(fēng)是冷風(fēng)，入窯后要被加熱到熱氣流溫度1450℃以上。一次風(fēng)量的增加，勢(shì)必增加熟料燒成熱耗。相關(guān)資料表明，當(dāng)一次風(fēng)量增加到總空氣量的10%時(shí)，燃燒氣體溫度將需要上升4℃，相應(yīng)熱耗增加58.5kJ/kg熟料。當(dāng)一次風(fēng)率從15%增加到30%時(shí)，著火所需熱量要增加41.3%。燃燒氣體溫度將繼續(xù)攀升，并且會(huì)導(dǎo)致高溫NOX的大幅增加。

現(xiàn)計(jì)算TLSF水泥公司五條生產(chǎn)線技術(shù)改造前一次風(fēng)占用比例，見表3。

表3 TLSF水泥公司五條生產(chǎn)線技改前一次風(fēng)占用比例

由表3可見，TLSF水泥公司原先采用的燃燒器，一次風(fēng)用量基本都在窯頭供風(fēng)量的15%以上。而且，送煤風(fēng)的煤粉輸送濃度僅維持在2.7～3.9 kg/m3左右的水平。這不僅對(duì)降低燃料和電能消耗、提高熟料質(zhì)量、減少有害氣體排放都有顯著影響，而且還要影響回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化操作和穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2.2 分解爐喂煤系統(tǒng)存在的問(wèn)題

在分解爐內(nèi)，燃料的燃燒屬于低溫?zé)o焰燃燒，其燃燒溫度大約在850～900℃左右。由于經(jīng)窯尾入爐的熱氣流，主要成分是窯內(nèi)煤粉燃燒和部分碳酸鹽分解產(chǎn)生的高溫廢氣；分解爐內(nèi)煤粉燃燒所需要的氧氣，是由三次風(fēng)供給的。因此，煤粉的燃燒速度隨三次風(fēng)提供的熱空氣溫度的升高而增加，而受氣流速度的影響較小。入爐三次風(fēng)溫度越高，分解爐燃燒區(qū)域溫度越高，對(duì)煤粉燃燒越是有利。

由于入分解爐煤粉輸送風(fēng)量的大小，會(huì)直接影響到入爐三次風(fēng)溫度；因此，在保證煤粉輸送量穩(wěn)定的前提下，盡量減少煤粉輸送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，不僅能夠節(jié)煤節(jié)電，而且對(duì)促進(jìn)煤粉燃燒，改善分解爐溫度流場(chǎng)都是有利措施。

TLSF水泥公司分解爐喂煤風(fēng)機(jī)改造前工作情況見表4。

表4 分解爐喂煤風(fēng)機(jī)改造前工作情況

由表4可見，在燃燒系統(tǒng)改造前，TLSF公司三線和下屬HNSF公司的一、二線，分解爐喂煤風(fēng)機(jī)供風(fēng)量占三次風(fēng)總風(fēng)量的6%以上，而煤粉輸送濃度僅處于2.7kg/m3以下的水平。

3 技術(shù)改造的措施

3.1 對(duì)窯頭喂煤系統(tǒng)的技術(shù)改造

目前，各企業(yè)采用的燃燒器，一次風(fēng)用量大多在10%以上，有的甚至高達(dá)20%，對(duì)減少NOX排放，降低燃料消耗都有顯著影響，因此，改造現(xiàn)有燃燒器勢(shì)在必行。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯煅燒的要求及煤粉的燃燒特性，對(duì)原有的煤粉燃燒器進(jìn)行改造，新型燃燒器必須達(dá)到下述要求：既能采用盡可能小的一次風(fēng)量，達(dá)到節(jié)能減排的目的；又要能夠進(jìn)一步提高燃燒器相對(duì)推力和旋流強(qiáng)度，強(qiáng)化煤風(fēng)混合、調(diào)節(jié)靈活、優(yōu)化火焰形狀。

隨著科技進(jìn)步和制造技術(shù)的提高，我國(guó)現(xiàn)在已成功制造出了能夠滿足上述要求的新型燃燒器。這種燃燒器的結(jié)構(gòu)，是以滿足回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)能為前提，確保燃燒器能夠?qū)崿F(xiàn)合理的相對(duì)動(dòng)量值。保證合理控制一次風(fēng)速，內(nèi)、外風(fēng)風(fēng)速和平均風(fēng)速；使燃燒器處于最佳工作狀態(tài)。新型燃燒器具備下述特點(diǎn)：

（1）高一次風(fēng)速：內(nèi)外風(fēng)平均風(fēng)速可以在185.0～375.0m/s的范圍內(nèi)進(jìn)行較大幅度調(diào)節(jié)。保證取得最佳風(fēng)速配合。

（2）低一次風(fēng)量：內(nèi)外風(fēng)量合計(jì)僅在4.9%～5.3%范圍內(nèi)，一次風(fēng)占總風(fēng)量的7.0%～8.0%左右。

（3）強(qiáng)旋流：旋流風(fēng)可采用調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行風(fēng)量、風(fēng)速及內(nèi)外風(fēng)比例調(diào)節(jié)，旋流葉片旋角和截面積可自由調(diào)整，以調(diào)整火焰的形狀和長(zhǎng)度。進(jìn)一步強(qiáng)化風(fēng)煤混合。

（4）大速差：外軸風(fēng)出口風(fēng)速最高可達(dá)到超音速＞400m/s。外旋風(fēng)出口風(fēng)速最高可達(dá)＞300m/s。與≤25m/s的煤風(fēng)形成大速差配合，強(qiáng)熱回流，使高溫二次風(fēng)迅速卷入，大大縮短了煤粉預(yù)熱時(shí)間。

（5）相對(duì)動(dòng)量合理：新型燃燒器具有的多項(xiàng)調(diào)節(jié)功能，保證了相對(duì)動(dòng)量的準(zhǔn)確定位，能夠保證低熱值、低揮發(fā)份、劣質(zhì)煤或無(wú)煙煤煤粉的充分燃燒。

TLSF水泥公司窯頭煤粉燃燒系統(tǒng)改造前后，供風(fēng)設(shè)備配置情況和各項(xiàng)性能指標(biāo)見表5。

煤粉燃燒系統(tǒng)改造后，在不同的回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量下，一次風(fēng)占用比例和煤粉輸送濃度情況見表6。

表5 煤粉燃燒系統(tǒng)改造前后供風(fēng)設(shè)備配置及性能指標(biāo)對(duì)比

表6 煤粉燃燒系統(tǒng)改造后一次風(fēng)占用比例和煤粉輸送濃度

由表6可見，TLSF公司窯頭煤粉燃燒系統(tǒng)改造后，比改造前一次風(fēng)平均占用比例的＞15%降低了7%以上，一次風(fēng)占用總風(fēng)量比例下降到7.7%左右。送煤風(fēng)煤粉輸送濃度由改造前的2.7～3.9 kg/m3，提高到近6.0kg/m3的水平。

3.2 針對(duì)分解爐喂煤系統(tǒng)的技術(shù)改造

分解爐喂煤系統(tǒng)煤粉輸送濃度（料風(fēng)比），不僅影響到系統(tǒng)的電能消耗，而且多余冷風(fēng)的加熱導(dǎo)致分解爐的熱耗增加，必須引起重視。被輸送物料濃度與物料的性質(zhì)、輸送距離以及系統(tǒng)的阻力相關(guān)。不同的喂煤設(shè)備要求被輸送物料的濃度也不相同。采用盡可能小的輸送風(fēng)量，把為滿足物料分解所需要的煤粉穩(wěn)定地輸送到分解爐，就必須選擇合理的供風(fēng)設(shè)備、恰當(dāng)?shù)妮斔凸艿?，以控制物料的流速、系統(tǒng)的阻力、風(fēng)量的消耗；并優(yōu)化被輸送物料的比例范圍等重要技術(shù)參數(shù)。

TLSF水泥公司回轉(zhuǎn)窯的喂煤系統(tǒng)，全部采用了菲斯特秤為計(jì)量供煤設(shè)備，針對(duì)TLSF公司三線和HNSF公司的兩條生產(chǎn)線存在的問(wèn)題，公司經(jīng)多方數(shù)據(jù)采集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并征求設(shè)備制造商的意見，對(duì)分解爐喂煤系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改造后設(shè)備配置情況和各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)見表7。

表7 分解爐喂煤系統(tǒng)改造前后設(shè)備配置和技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比

由表7可以看出,三條生產(chǎn)線改造后,分解爐喂煤風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量降低了120kW以上,送煤風(fēng)占用三次風(fēng)比例降低了2%～3%，煤粉輸送濃度提高到4 kg/m3以上。

4 經(jīng)濟(jì)效益

4.1 年節(jié)電量

窯頭喂煤系統(tǒng)：公司對(duì)五條生產(chǎn)線全部進(jìn)行了技術(shù)改造，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電241.2萬(wàn)度。

分解爐喂煤系統(tǒng)：僅對(duì)效益明顯的三條生產(chǎn)線進(jìn)行了技改，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電232.8萬(wàn)度。技改后可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量：474萬(wàn)度，節(jié)約資金280余萬(wàn)元。

4.2 節(jié)煤量

窯頭喂煤系統(tǒng)五條生產(chǎn)線：平均單位熟料節(jié)約原煤量：2.61kg/t-k。

分解爐喂煤系統(tǒng)三條生產(chǎn)線：平均單位熟料節(jié)約原煤量：1.71kg/t-k。

TLSF公司三線和HNSF公司的兩條生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)合計(jì)平均節(jié)煤量：4.32 kg/t-k。

技改后可實(shí)現(xiàn)年節(jié)煤量：2.45萬(wàn)噸，可降低生產(chǎn)成本近2000萬(wàn)元。

5 結(jié) 論

（1）降低一次冷風(fēng)入窯量，是降低熟料燒成煤耗的一條重要途徑。TLSF公司采用的新型燃燒器的結(jié)構(gòu)，是以滿足回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)能為前提，確保燃燒器能夠達(dá)到合理的相對(duì)動(dòng)量值。能夠保證合理控制一次風(fēng)速，內(nèi)、外風(fēng)風(fēng)速和平均風(fēng)速。使一次風(fēng)量由原來(lái)的入窯總風(fēng)量的15%以上降低到7%～8%。

（2）由于新型噴煤管具有較低的一次風(fēng)率和高速氣流引射熱氣流回流功能，縮短了煤粉預(yù)熱時(shí)間，改善了火焰根部的燃燒環(huán)境和溫度，可以有效地降低NOX的排放，相對(duì)于以前低動(dòng)量的三通道燃燒器可降低NOX：20%～30%。

（3）選擇合理的供風(fēng)設(shè)備、恰當(dāng)?shù)妮斔凸艿溃?000t/d預(yù)分解窯的分解爐喂煤系統(tǒng)在輸送距離≤100m的情況下，送煤風(fēng)占用三次風(fēng)比例降低到4%以下，煤粉輸送濃度提高到4 kg/m3以上，送煤羅茨風(fēng)機(jī)采用風(fēng)壓≈58.8kPa，是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。

（4）TLSF水泥公司的技改經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)回轉(zhuǎn)窯及分解爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能煅燒技術(shù)改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。