陳學(xué)勇，陳廷偉，錢偉，許龍旭，龐小平

1 概述

某5 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線于2009年投產(chǎn)，配置帶噴騰型分解爐的雙系列五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)。旋風(fēng)筒規(guī)格為C1：4-φ5.0m，C2：2-φ6.9m，C3：2-φ6.9m，C4：2-φ7.2m，C5：2-φ7.2m，分解爐規(guī)格為：φ7.5m×31.7m；回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為：φ5m×68m，三檔回轉(zhuǎn)窯，斜度為4%；篦冷機(jī)采用第三代往復(fù)推動(dòng)篦式冷卻機(jī)，生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)主機(jī)配置見表1。由于該生產(chǎn)線已投產(chǎn)十多年，產(chǎn)量和能耗等指標(biāo)均明顯落后于新建生產(chǎn)線。為提升生產(chǎn)線性能指標(biāo)，降低運(yùn)營(yíng)成本，廠方?jīng)Q定對(duì)該生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能降耗改造，2020年7月完成改造，改造效果顯著。

表1 5 500t/d生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)主機(jī)配置

2 改造前的基本情況

2.1 熟料產(chǎn)質(zhì)量及煤耗

回轉(zhuǎn)窯熟料產(chǎn)量約為6 300t/d，標(biāo)準(zhǔn)煤耗為103.5kg/t.cl，熟料3d抗壓強(qiáng)度約37.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度約57MPa。在同規(guī)模生產(chǎn)線中，該生產(chǎn)線熟料產(chǎn)量處于一般水平，標(biāo)準(zhǔn)煤耗處于中上水平，熟料強(qiáng)度正常。生產(chǎn)線熟料產(chǎn)質(zhì)量及煤耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 熟料產(chǎn)質(zhì)量及煤耗統(tǒng)計(jì)（2019年）

2.2 原燃料情況

采用石灰石、砂巖、頁(yè)巖和銅渣四種原料配料，生料中堿含量略高。采用無煙煤和煙煤的混合煤作為熟料燒成燃料。

水泥生料化學(xué)成分見表3。由表3可知，生料配料堿含量較高。根據(jù)實(shí)際情況，水泥廠對(duì)生料硫堿比進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后，生料SO3/R2O≈0.4，系統(tǒng)結(jié)皮情況并不嚴(yán)重。

表3 生料化學(xué)成分，%

熟料化學(xué)成分及率值見表4。由表4可知，熟料中的鎂含量、堿含量較高，在此情況下，為保證熟料強(qiáng)度，水泥廠采用了高飽和比、高硅酸率配料，造成熟料煅燒較為困難。

表4 熟料化學(xué)成分（%）及率值（2019年）

燃煤工業(yè)分析見表5。由表5可知，該生產(chǎn)線煤粉品質(zhì)較好，揮發(fā)分和熱值均較高，硫含量正常。但由于燃煤為混合煤，各煤種的燃燒特性相差很大，對(duì)燃燒放熱效果仍會(huì)造成一定影響。

表5 燃煤工業(yè)分析

2.3 窯尾煙氣情況

窯尾煙氣成分標(biāo)定數(shù)據(jù)見表6。由表6可知，在系統(tǒng)用風(fēng)正常的情況下，窯尾煤粉存在明顯的燃燒不完全現(xiàn)象，分解爐出口CO含量＞0.12%，同時(shí)CO含量波動(dòng)較大，說明存在燃燒不穩(wěn)定的情況。

表6 窯尾煙氣成分標(biāo)定數(shù)據(jù)

2.4 燒成系統(tǒng)存在的問題

（1）預(yù)熱器系統(tǒng)壓損高，C1旋風(fēng)筒出口負(fù)壓＞6 200Pa，壓損高影響高溫風(fēng)機(jī)拉風(fēng)，從而限制產(chǎn)量的提升，增加燒成系統(tǒng)電耗。

（2）分解爐與C5旋風(fēng)筒溫度存在倒掛的現(xiàn)象，分解爐爐內(nèi)燃燒情況不理想，導(dǎo)致煤耗增加，影響系統(tǒng)產(chǎn)量的提升。

（3）在控制NOX排放＜300mg/Nm3的前提下，脫硝氨水用量約3kg/t.cl，脫硝成本較高。

3 改造目標(biāo)及主要設(shè)備的改造方案

3.1 改造目標(biāo)

針對(duì)生產(chǎn)線存在的問題，確定如下改造目標(biāo)：

（1）C1旋風(fēng)筒出口負(fù)壓由當(dāng)前的6 200Pa降至5 500Pa。

（2）標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低1.5kg/t.cl以上。

（3）脫硝氨水用量＜2kg/t.cl。

（4）熟料出篦冷機(jī)溫度≤65℃+環(huán)境溫度。

（5）熱回收效率≥74%。

3.2 預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)的改造

3.2.1 擴(kuò)大分解爐容積

原分解爐整體容積為2 500m3，不能滿足產(chǎn)量提高后煤粉燃燒的需要，同時(shí)，分級(jí)燃燒脫硝改造需要利用一部分爐容作還原區(qū)。經(jīng)綜合考慮，決定對(duì)分解爐進(jìn)行擴(kuò)容改造。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布置條件，對(duì)比分析了塔架內(nèi)擴(kuò)容和塔架外擴(kuò)容兩個(gè)方案，并選定了塔架內(nèi)擴(kuò)容的方案，即對(duì)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在當(dāng)前分解爐的基礎(chǔ)上增高一層。改造后的爐容可達(dá)3 300m3，可同時(shí)兼顧煤粉充分燃燒與脫硝的需要。改造前后的分解爐示意如圖1所示。

圖1 改造前后的分解爐示意

3.2.2 實(shí)施C4旋風(fēng)筒上下分料

由于采用無煙煤和煙煤的混合煤作為燃料，為滿足混合煤的充分燃燒，應(yīng)盡可能提高主燃區(qū)溫度。此次改造將C4旋風(fēng)筒錐部整體更換為“歪錐”，實(shí)現(xiàn)了C4旋風(fēng)筒的上、下分料，可以靈活控制主燃區(qū)的溫度。

3.2.3 改造脫硝系統(tǒng)

將部分窯尾燃燒器布置在煙室縮口上方，并在燃燒器頭部加裝了新型旋流器，確保燃燒器噴出的煤粉能和貧氧的窯內(nèi)氣體迅速反應(yīng)，形成強(qiáng)還原氣氛，達(dá)到還原NOX、降低NOX濃度的目的。同時(shí)，將三次風(fēng)管入爐位置提高到分解爐柱體上，保證氮氧化物有較大的還原空間和較長(zhǎng)的還原反應(yīng)時(shí)間，使還原區(qū)具有深度自脫硝效果，減少后續(xù)脫硝系統(tǒng)氨水用量。

3.2.4 優(yōu)化撒料裝置

改造前，各級(jí)料管撒料盒內(nèi)物料分散效果不好，影響換熱，且撒料盒的底部高于旋風(fēng)筒頂蓋2 000～2 600mm，導(dǎo)致物料換熱時(shí)間較短。本次改造將撒料盒全部更換為分散效果更好的新型撒料盒，同時(shí)降低了各級(jí)撒料盒的安裝位置，使撒料盒底部高于旋風(fēng)筒頂蓋＜1 500mm，延長(zhǎng)了換熱時(shí)間，調(diào)整了料管的布置，料流更加順暢。

3.2.5 實(shí)施旋風(fēng)筒降阻改造

針對(duì)旋風(fēng)筒阻力高的問題，對(duì)各級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)行了降阻改造，確保提產(chǎn)后旋風(fēng)筒阻力在合理范圍內(nèi)，降低高溫風(fēng)機(jī)負(fù)荷。旋風(fēng)筒改造示意如圖2。

圖2 旋風(fēng)筒改造示意

（1）計(jì)算旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速等相關(guān)參數(shù)和內(nèi)筒尺寸等，模擬實(shí)際工況，調(diào)整設(shè)計(jì)模型，增加旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口面積，降低進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，在不降低物料分離效率的同時(shí)，降低旋風(fēng)筒的阻力。

（2）現(xiàn)場(chǎng)旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口底部存在平段，為避免旋風(fēng)筒進(jìn)口積料，在各級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口底部增加倒切角。

（3）對(duì)旋風(fēng)筒連接風(fēng)管接口同步進(jìn)行改造，適當(dāng)調(diào)整內(nèi)筒尺寸。

3.2.6 局部改造煙室

（1）對(duì)C5旋風(fēng)筒料管背部入料部位進(jìn)行局部?jī)?yōu)化改造，使料流順暢通過煙室入窯，減少揚(yáng)塵，改善窯內(nèi)通風(fēng)，降低局部阻力。

（2）延長(zhǎng)煙室拱頂至斜坡距離，降低通風(fēng)阻力。

（3）清理生產(chǎn)線煙室結(jié)皮的工作量較大，且若不及時(shí)清理結(jié)皮，將會(huì)影響窯內(nèi)通風(fēng)，造成生產(chǎn)波動(dòng)。為此，本次改造在煙室大面積應(yīng)用了微晶板，既可減少結(jié)皮，又便于清理結(jié)皮。

3.2.7 減少預(yù)分解系統(tǒng)散熱損失

為減少預(yù)分解系統(tǒng)散熱損失，從隔熱保溫環(huán)節(jié)入手，采用了低導(dǎo)熱系數(shù)的納米隔熱材料替換了改造區(qū)域傳統(tǒng)的硅酸鈣板隔熱材料，大幅降低了預(yù)分解系統(tǒng)表面溫度，減少了散熱損失。

3.3 篦冷機(jī)的改造

原篦冷機(jī)已運(yùn)行多年，存在設(shè)備老化，出篦冷機(jī)熟料溫度高，熟料急冷效果差，二、三次風(fēng)溫低且不穩(wěn)定，備件使用量大，運(yùn)行、維護(hù)成本高等問題。

考慮到熟料MgO含量高、堿含量高、結(jié)粒偏大，本次改造選用中置輥式破碎機(jī)，通過在篦冷機(jī)中部破碎熟料，實(shí)現(xiàn)熱量的最大程度回收，既增加了余熱發(fā)電量，也提高了熟料冷卻效果。篦冷機(jī)具體改造情況如下：

（1）將原篦冷機(jī)拆除，整體更換為第四代步進(jìn)式篦冷機(jī)。

（2）固定篦床采用高風(fēng)速射流篦板，在減小堆“雪人”概率的同時(shí)，增強(qiáng)物料急冷效果，為穩(wěn)定及提高二、三次風(fēng)溫提供了保障。

（3）活動(dòng)篦床為步進(jìn)式結(jié)構(gòu)，分為兩段。既可單獨(dú)調(diào)整不同列篦板的行程，又可獨(dú)立控制兩段篦床，以適應(yīng)不同工況的變化。

（4）新篦床有效面積增至158m2，并重新配置了冷卻風(fēng)機(jī)，裝機(jī)風(fēng)量增加了15%。通過合理配風(fēng)和使用節(jié)能風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)功率僅增加～2%，實(shí)際運(yùn)行時(shí)功率會(huì)更低。

改造前后的篦冷機(jī)參數(shù)對(duì)比見表7，改造后的篦冷機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后的篦冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意

表7 改造前后的篦冷機(jī)參數(shù)對(duì)比

3.4 回轉(zhuǎn)窯的改造

現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ5m×68m，三檔窯，長(zhǎng)徑比13.5，介于兩檔窯長(zhǎng)徑比12和常規(guī)三檔窯長(zhǎng)徑比15之間，回轉(zhuǎn)窯斜度4%，轉(zhuǎn)速0.35～4r/min。主電機(jī)功率800kW，為變頻電機(jī)，運(yùn)行電流508A，額定電流為795A，運(yùn)行負(fù)荷64%，主電機(jī)的功率有較大的富余量，能滿足改造要求。

改造前，窯速為3.4r/min，運(yùn)行窯速較常規(guī)操作窯速偏低。為適應(yīng)技改后工況的變化，需對(duì)回轉(zhuǎn)窯適當(dāng)提速。為節(jié)約成本，本次改造僅通過改變窯主電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，將回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速提高至4.5r/min。

3.5 其他改造

根據(jù)改造后的窯系統(tǒng)產(chǎn)量，對(duì)高溫風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、入窯提升機(jī)等輔機(jī)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了核算，并對(duì)不能滿足提產(chǎn)要求的設(shè)備進(jìn)行了改造，確保輔機(jī)符合改造要求。

4 改造效果

該項(xiàng)目于2020年7月改造完成，共歷時(shí)45d，投產(chǎn)后，經(jīng)一個(gè)月的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了窯爐用風(fēng)的匹配，確定了各分料點(diǎn)分料比例。通過調(diào)整燃燒器適應(yīng)新工況，優(yōu)化第四代篦冷機(jī)用風(fēng)，磨合新設(shè)備，生產(chǎn)線的主要運(yùn)行指標(biāo)均超過了預(yù)期，順利實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)并完成了項(xiàng)目驗(yàn)收。

表8為改造前后篦冷機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比。按原煤1 200元/t、氨水700元/t、電價(jià)0.6元/kW·h，生產(chǎn)線年運(yùn)轉(zhuǎn)300d計(jì)算，改造后的經(jīng)濟(jì)效益情況如下：

表8 改造前后參數(shù)對(duì)比

噸熟料節(jié)約用煤5.56kg，噸熟料用煤成本降低：4.5×7 000/6 150/0.92×1 200/1 000=6.68元

噸熟料節(jié)約氨水2.6kg，噸熟料用氨水成本降低：（3-0.4）×700/1 000=1.82元

噸熟料節(jié)約用電1.8kW·h，噸熟料用電成本降低：1.8×0.6=1.08元

噸熟料合計(jì)降低成本：9.58元

每年約節(jié)省成本：7 100×300×9.58=2 040.5萬元

5 結(jié)語(yǔ)

通過擴(kuò)大分解爐容積、增加氣體停留時(shí)間，解決了煤粉燃燒不充分的問題；通過增加分級(jí)燃燒和運(yùn)行旋風(fēng)筒降阻改造，解決了脫硝氨水用量大和窯尾壓損高的問題；通過應(yīng)用配置了中置輥式破碎機(jī)的篦冷機(jī)，解決了二、三次風(fēng)溫不穩(wěn)定、出料溫度高的問題。經(jīng)采取一系列改造措施，公司水泥生產(chǎn)線運(yùn)行指標(biāo)得到了全面優(yōu)化，生產(chǎn)成本大幅下降，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗和提升產(chǎn)能的目標(biāo)，提升了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>