王景平

（內(nèi)蒙古建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

20 世紀(jì)70 年代，預(yù)分解窯問世。90 年代，在國(guó)家建材局的指導(dǎo)下，我國(guó)水泥工業(yè)大力發(fā)展“低投資、國(guó)產(chǎn)化”預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線，天津、南京和成都三大甲級(jí)設(shè)計(jì)院分別負(fù)責(zé)4000t/d、2000t/d、1000t/d 熟料規(guī)模生產(chǎn)線低投資國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)方案。進(jìn)入21 世紀(jì)，我國(guó)水泥工業(yè)進(jìn)入以“裝備大型化、工藝節(jié)能化、管理自動(dòng)化、環(huán)保生態(tài)化”[1]為特征的快速發(fā)展期，與此同時(shí)，我國(guó)在國(guó)際上承攬的水泥工程項(xiàng)目數(shù)量也越來(lái)越多。

21 世紀(jì)初期，我國(guó)建設(shè)了多條預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線，運(yùn)行到2010 年前后，技術(shù)指標(biāo)上就開始出現(xiàn)明顯的落后，再加上低碳背景下，能源消耗指標(biāo)和諸多環(huán)境保護(hù)指標(biāo)的升級(jí)，這些生產(chǎn)線要么選擇關(guān)閉淘汰，要么選擇技術(shù)改造優(yōu)化升級(jí)。

2015 年前后，工業(yè)技術(shù)的飛速進(jìn)步將預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線“降成本”和“補(bǔ)短板”的空間暴露出來(lái)，我國(guó)水泥工業(yè)從此進(jìn)入了存量生產(chǎn)線技術(shù)升級(jí)優(yōu)化改造的密集時(shí)期，很多水泥企業(yè)集團(tuán)和科研院所紛紛行動(dòng)起來(lái)，并創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)意想不到的業(yè)績(jī)，為水泥生產(chǎn)能耗指標(biāo)的進(jìn)一步降低作出了貢獻(xiàn)。這些生產(chǎn)線的改造主要集中在燒成系統(tǒng)（預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、煤粉燃燒系統(tǒng)及熟料冷卻機(jī)）、粉磨系統(tǒng)（立式輥磨、輥壓機(jī)、管磨機(jī)等設(shè)備及配套工藝）、環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)（廢氣排放治理、噪聲、礦山植被恢復(fù)等）和自動(dòng)化智能化系統(tǒng)等方面。鑒于預(yù)熱預(yù)分解技術(shù)是新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的核心，是生產(chǎn)管理關(guān)注的重點(diǎn)之一，本文僅就燒成系統(tǒng)之預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)常見技術(shù)問題及升級(jí)改造措施進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)最新指標(biāo)要求

我國(guó)目前擁有預(yù)分解窯水泥熟料生產(chǎn)線1600 余條，較多生產(chǎn)線的能耗水平處于2000～2010 年時(shí)期。在2010 年前后，一條總承包建設(shè)的5000t/d 熟料新型干法水泥生產(chǎn)線，其性能保證指標(biāo)之一熟料燒成熱耗≤750×4.18kJ/kg，熟料綜合電耗≤54kWh/t，粉塵排放濃度≤50mg/Nm3[2]。到了2020 年，一條新建5000t/d 熟料新型干法水泥生產(chǎn)線的業(yè)主提出的性能指標(biāo)要求（按六級(jí)預(yù)熱器工作,余熱發(fā)電在線,脫硝系統(tǒng)在線狀態(tài)進(jìn)行考核）如表1 所示。

表1 2020 年新建5000t/d 熟料預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)業(yè)主要求性能指標(biāo)

從表1 可知，對(duì)熟料燒成熱耗的要求已從10 年前的750×4.18kJ/kg 降到658×4.18kJ/kg，對(duì)熟料綜合電耗的要求已從54kWh/t 降到46kWh/t。不僅如此，對(duì)廢氣排放提出了更為苛刻的要求。這些要求，離不開技術(shù)的進(jìn)步，也離不開天時(shí)、地利、人和的支撐。當(dāng)然，前兩個(gè)指標(biāo)要求是不是偏高，還有待于實(shí)踐驗(yàn)證；而環(huán)保指標(biāo)，如果不計(jì)投入和考慮科學(xué)合理性，應(yīng)該能夠達(dá)到。

2 既有預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)常見問題

預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)主要由預(yù)熱器和分解爐構(gòu)成，附屬設(shè)備或裝置有撒料板、撒料盒（箱）、下料管道、翻板閥、預(yù)熱器內(nèi)筒、鵝頸管、燃燒器等。其任務(wù)就是完成生料的預(yù)熱和分解。具體地講，預(yù)熱器系統(tǒng)就是利用來(lái)自回轉(zhuǎn)窯及分解爐的高溫氣流加熱生料，使生料的溫度從幾十度上升到800℃左右，實(shí)現(xiàn)部分碳酸鈣等鹽類的分解；分解爐的任務(wù)，不僅要完成燃料燃燒，還要完成碳酸鹽的深度分解，前者用出爐燃料的燃盡率來(lái)考核，后者用入窯物料分解率來(lái)考核。

對(duì)諸多早期建設(shè)的預(yù)分解窯進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并與近期建設(shè)或者技改投產(chǎn)的生產(chǎn)線相比，不難發(fā)現(xiàn)，這類窯的預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)總體上表現(xiàn)為系統(tǒng)換熱效率不夠高，旋風(fēng)筒料氣分離效率不夠高，系統(tǒng)阻力高，C4、C5 預(yù)熱器下料管及分解爐存在結(jié)皮，生料在分解爐停留時(shí)間不足，NOx、SO2排放控制難度加大等等。這些問題會(huì)直接導(dǎo)致燒成系統(tǒng)熟料熱耗高、系統(tǒng)運(yùn)行電耗高、廢氣排放指標(biāo)不達(dá)標(biāo)等問題。

2.1 系統(tǒng)換熱效率不夠高

生料和煙氣在預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)的換熱效率不高，一般來(lái)說(shuō)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不完美引起的生料分散不均，生料無(wú)法與氣流充分接觸并進(jìn)行充分換熱。生料和煙氣在預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)的換熱效率一般以C1 預(yù)熱器出口的溫度和廢氣量來(lái)衡量。熱工專家陶從喜先生對(duì)我國(guó)早期建設(shè)的預(yù)分解窯C1 預(yù)熱器出口的溫度有一個(gè)統(tǒng)計(jì)，入表2 所示。

表2 C1 預(yù)熱器出口溫度及廢氣量的比較[3]

從表1 來(lái)看，對(duì)于早期建設(shè)的五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)，C1 預(yù)熱器出口廢氣溫度的國(guó)內(nèi)水平是大于300℃的，系統(tǒng)換熱當(dāng)屬較差。之所以要用C1 預(yù)熱器出口的溫度和廢氣量來(lái)衡量，是因?yàn)橄到y(tǒng)漏風(fēng)和用風(fēng)偏大都可以使C1 預(yù)熱器出口廢氣溫度表現(xiàn)為低，這一點(diǎn)筆者稱之為虛低。C1 預(yù)熱器出口溫度虛低，也有可能是預(yù)熱器系統(tǒng)保溫出了問題，表面散熱太多造成的。

2.2 預(yù)熱器旋風(fēng)筒料氣分離效率不夠高

預(yù)熱器旋風(fēng)筒料氣分離效率不夠高，會(huì)影響料氣換熱效率，導(dǎo)致C1 預(yù)熱器出口廢氣溫度偏高，浪費(fèi)燃煤，而且還會(huì)增加系統(tǒng)阻力，增加窯尾收塵器的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行電耗偏高。如果煤粉制備所用熱風(fēng)來(lái)自預(yù)熱器系統(tǒng)出口廢氣，廢氣中高濃度物料會(huì)引起燃煤熱值貧化。

2.3 系統(tǒng)阻力高

從生產(chǎn)一線來(lái)看，C1 預(yù)熱器出口負(fù)壓超過(guò)6000kPa的不在少數(shù)。引起系統(tǒng)阻力高的原因，除了預(yù)熱器結(jié)構(gòu)、連接形式外，還與C4、C5 預(yù)熱器下料管及分解爐存在結(jié)皮，煙室結(jié)皮以及分解爐結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外，系統(tǒng)漏風(fēng)也會(huì)影響到系統(tǒng)的阻力。

2.4 生料在分解爐和鵝頸管內(nèi)的停留時(shí)間不足

早期設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線，在稍微提產(chǎn)的情況下，生料在分解區(qū)（分解爐和鵝頸管）停留的時(shí)間就顯得不足，暴露出新的產(chǎn)能下分解區(qū)結(jié)構(gòu)不合理或者是空間不足。這種情況會(huì)致使整個(gè)系統(tǒng)的阻力增大，料氣流場(chǎng)不順暢；甚至?xí)?dǎo)致C1 預(yù)熱器出口廢氣溫度CO 濃度升高；C5 預(yù)熱器出口溫度和其它各級(jí)預(yù)熱器出口溫度偏高；分解爐出口與C5 預(yù)熱器出口和下料管溫度存在倒掛現(xiàn)象；相關(guān)位置結(jié)皮。在生產(chǎn)線實(shí)施技改時(shí)，就常常會(huì)遇到這種問題：分解爐爐容偏小，難以滿足生料分解所需的停留時(shí)間，也難以滿足煤粉完全燃燒的要求，這不僅會(huì)造成熟料煤耗偏高，還會(huì)導(dǎo)致C1 預(yù)熱器出口溫度偏高，還會(huì)帶來(lái)燒成系統(tǒng)工況不穩(wěn)定。

2.5 NOx、SO2 排放控制要求高

2013 年，水泥行業(yè)頒發(fā)了（GB4915-2013）《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中對(duì)燒成系統(tǒng)的要求如表3 所示。

表3 現(xiàn)有與新建燒成系統(tǒng)大氣污染物排放限值(單位：mg/Nm3)

將表3 與表1 對(duì)比，不難看出表1 所列業(yè)主的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這是一些地區(qū)出臺(tái)“嚴(yán)控標(biāo)準(zhǔn)”和“超低排放標(biāo)準(zhǔn)”[5]的一個(gè)表現(xiàn),加重了當(dāng)前水泥企業(yè)治理NOx、SO2排放的難度。

3 常用的改造措施

水泥工業(yè)技術(shù)工作者追求資源低消耗的努力從來(lái)就沒有停止過(guò)，2015 年以后，許多優(yōu)化創(chuàng)新成果用在新建水泥生產(chǎn)線和既有水泥生產(chǎn)線的技改上，都表現(xiàn)出令人比較滿意的效果，不僅降低了熟料單位煤耗，還降低了系統(tǒng)電耗，減少了CO2、SO2以及NOx的排放。對(duì)于預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)存在的問題，本文結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)就常用的改造措施進(jìn)行簡(jiǎn)略地介紹。

3.1 提高系統(tǒng)換熱效率的措施

預(yù)分解窯配置五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)，其C1 預(yù)熱器出口廢氣理論溫度為278℃[4]，從表1 可知，大多數(shù)窯C1 預(yù)熱器出口溫度都在320℃左右，系統(tǒng)換熱效果不理想。眾所周知，下一級(jí)預(yù)熱器氣體出口與上一級(jí)預(yù)熱器料氣進(jìn)口之間的連接管道就是換熱管道，物料經(jīng)下料管流出進(jìn)入換熱管道，必須選擇一個(gè)合適的位置，選擇一個(gè)合適的撒料裝置，才能保證物料在換熱管內(nèi)的均勻狀態(tài)、分散程度和濃度大小。西南科技大學(xué)齊硯勇教授指出，如果物料在進(jìn)入換熱管之前便通過(guò)合理布置的下料管和撒料裝置，由簡(jiǎn)單的機(jī)械碰撞的方式使其充分分散，料團(tuán)尺寸顯著減小，物料濃度的空間分布更加均勻，不但可顯著減小預(yù)熱器換熱管內(nèi)的壓力損失，同時(shí)可使物料同高溫氣流之間的換熱、傳質(zhì)過(guò)程在懸浮態(tài)下完成的更加迅速、高效，防止物料發(fā)生沖料現(xiàn)象，有效地提高懸浮預(yù)熱系統(tǒng)的熱效率[4]。

基于此，筆者認(rèn)為，提高預(yù)熱器系統(tǒng)換熱效率的措施有：（1）改進(jìn)物料進(jìn)入換熱管道的位置和撒料裝置的結(jié)構(gòu)；（2）優(yōu)化各級(jí)預(yù)熱器下料管的角度；（3）優(yōu)化換熱管道的直徑與長(zhǎng)度，保證有適宜的風(fēng)速與必要的停留時(shí)間；（4）增加預(yù)熱器系統(tǒng)旋風(fēng)筒級(jí)數(shù)，比如表1 所列熱耗指標(biāo)就是基于六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)提出的，這是目前備受關(guān)注的熱點(diǎn)。

3.2 提高旋風(fēng)筒料氣分離效率的措施

預(yù)熱器旋風(fēng)筒料氣分離效率不夠高，主要是旋風(fēng)筒結(jié)構(gòu)不合理。設(shè)計(jì)單位在不改變風(fēng)速的前提下力求提高料氣分離效率，一方面優(yōu)化旋風(fēng)筒內(nèi)筒的直徑與高度，另一方面還對(duì)旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口徑的大小與形狀進(jìn)行改進(jìn)。近年來(lái)，設(shè)計(jì)院十分注重C1 預(yù)熱器的料氣分離效率。在具體改造項(xiàng)目中，不只是將C1 換成新型高效低阻預(yù)熱器，還將C2～C5 預(yù)熱器的進(jìn)口擴(kuò)大。

預(yù)熱器旋風(fēng)筒料氣分離效率不夠高，也與翻板閥關(guān)閉不嚴(yán)或料柱不足以鎖風(fēng)有關(guān)。在模擬流場(chǎng)中，當(dāng)翻板閥關(guān)閉不嚴(yán)或料柱不足以鎖風(fēng)時(shí)，旋風(fēng)筒負(fù)壓將風(fēng)從撒料箱、下料管吸入，引起物料飛揚(yáng)，使本應(yīng)進(jìn)入下料管的物料被帶入內(nèi)筒，嚴(yán)重降低料氣分離效率。因此，優(yōu)化翻板閥也能在一定程度上提高旋風(fēng)筒料氣分離的效率。

3.3 降低系統(tǒng)阻力的措施

在理論研究中，可利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用CFD 進(jìn)行分析，對(duì)分解爐的認(rèn)識(shí)就會(huì)越來(lái)越深入，包括分解爐錐體角度的變化，三次風(fēng)入爐位置的變化，對(duì)窯風(fēng)、三次風(fēng)、生料和煤粉混合的影響是什么樣的，效果如何。很多方面與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，一方面印證了這種結(jié)果的推理，另一方面也啟發(fā)了新的技改方法。

近年來(lái)，不管是設(shè)計(jì)院還是生產(chǎn)企業(yè)，在降低系統(tǒng)阻力上都取得了不少經(jīng)驗(yàn)。除了以上在提高系統(tǒng)換熱效率和料氣分離效率上的措施有利于優(yōu)化流場(chǎng)降低阻力外，在分解爐、C4 和C5 下料管以及煙室上面的優(yōu)化改造也大大地降低了系統(tǒng)阻力。

對(duì)分解爐進(jìn)行改造，不只是某一個(gè)目的，有可能會(huì)帶來(lái)諸多效果。比如優(yōu)化C4 下料管與分解爐之間的撒料盒，優(yōu)化三次風(fēng)管進(jìn)爐的方向，優(yōu)化燃燒器在分解爐中的位置、角度。這些優(yōu)化的結(jié)果，不僅會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)阻力的降低，還能改善物料在分解爐內(nèi)的分布狀態(tài)，改善生料的分解效率，減少關(guān)鍵位置的結(jié)皮等。

預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)漏風(fēng)，不僅增加系統(tǒng)阻力，還會(huì)增加熟料燒成煤耗，引起下料管、分解爐和煙室結(jié)皮。對(duì)此，一般會(huì)對(duì)煙室清灰孔、翻板閥、預(yù)熱器人孔門等處進(jìn)行清查，尤其是變形的要維修，要更新，確保密封效果。

對(duì)于下料管、分解爐和煙室的結(jié)皮，為了便于清理，在技改中可選用微晶板，甚至選用內(nèi)表面鋪微晶板的預(yù)制結(jié)構(gòu)。

3.4 延長(zhǎng)生料在分解爐及鵝頸管停留時(shí)間的辦法

為了延長(zhǎng)生料在分解爐及鵝頸管停留時(shí)間，最常用的方法就是不改變分解爐的直徑，直接利用預(yù)熱塔架的空間將分解爐和鵝頸管向上延伸，達(dá)到擴(kuò)容的目的即可。鵝頸管的轉(zhuǎn)彎處要注意結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，防止物料堆積。

3.5 降低NOx、SO2 排放的措施

水泥企業(yè)面對(duì)更高要求的NOx、SO2排放控制要求，水泥企業(yè)不得不投入資金對(duì)預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)進(jìn)行治理。

面對(duì)嚴(yán)格的要求，在降低NOx 排放方面，大多數(shù)企業(yè)采取分級(jí)燃燒+SNCR 組合脫氮技術(shù)，也有的采取分級(jí)燃燒+SNCR+SCR 組合脫氮技術(shù)，后者投入很大。鑒于此，有專業(yè)隊(duì)伍在分級(jí)燃燒技術(shù)上下功夫，原理上就是給予煙室更大的空間（包括采用管道延伸），合適的缺氧用煤，制造更好的還原空間，使來(lái)自燒成帶的NOx 降到最低，為后續(xù)的SNCR 系統(tǒng)減輕負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)行費(fèi)用。

在降低SO2排放方面，只有部分企業(yè)有壓力。主要原因在于預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)排除SO2的量多取決于原料中硫的含量。目前在業(yè)內(nèi)探討的關(guān)于燒成系統(tǒng)脫硫的技術(shù)很多，比如齊硯勇的預(yù)分解窯內(nèi)循環(huán)煙氣脫硫技術(shù)，其不需購(gòu)買脫硫劑，封閉運(yùn)行，無(wú)廢氣排放，不增加窯系統(tǒng)能耗[6]；還有干粉脫硫、濕法脫硫、超聲波霧化脫硫、復(fù)合脫硫等技術(shù)。這些技術(shù)各有特點(diǎn)，企業(yè)技改時(shí)要充分結(jié)合自身的情況，科學(xué)合理地選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在過(guò)去的10 多年里，預(yù)分解窯熟料燒成指標(biāo)和綜合電耗指標(biāo)有了很大的進(jìn)步。存量生產(chǎn)線與新建生產(chǎn)線或者近期已改造的生產(chǎn)線相比，存在能耗高、能效低、排放高等問題。這些企業(yè)要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)，可通過(guò)技術(shù)改造升級(jí)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)，技術(shù)上一定要考察系統(tǒng)換熱效率、旋風(fēng)筒料氣分離效率、系統(tǒng)阻力等工況，要看看C4、C5 預(yù)熱器下料管及分解爐是否存在結(jié)皮，生料在分解爐內(nèi)（分解空間）停留時(shí)間是否充足，NOx、SO2排放是否滿足要求，要根據(jù)實(shí)際情況，選擇學(xué)合理的技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的能效指標(biāo)和最低排放指標(biāo)。