崔洪坤，劉志強

1 引言

水泥工業(yè)是資源和能源消耗型行業(yè)，能耗占全國建材行業(yè)總能耗的75%左右。面對日益嚴格的環(huán)保標準和減碳壓力，特別是GB 16780-2021《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》的出臺實施，水泥行業(yè)節(jié)能減排勢在必行。在水泥熟料生產(chǎn)過程中，生料預熱、碳酸鈣分解、窯內(nèi)煅燒及熟料冷卻等4個階段對熟料燒成系統(tǒng)的節(jié)能降耗起著關(guān)鍵的作用。對預熱器、分解爐、煙室和冷卻機等進行優(yōu)化改造是燒成系統(tǒng)節(jié)能降耗的有效途徑。

本文以某4 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，分析了預熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機等系統(tǒng)對熟料燒成的影響，從降低預熱器阻力、優(yōu)化分解爐煤粉燃燒與生料分解、優(yōu)化窯內(nèi)通風及提高熟料冷卻效率等方面進行改造，實現(xiàn)了提產(chǎn)降耗的目的。

2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

某4 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線，配套有φ4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯、φ7.5m×30m在線雙噴騰分解爐、φ5.6m×38m鵝頸管、雙系列五級旋風預熱器及第三代篦式冷卻機。其燒成系統(tǒng)主要設備參數(shù)見表1，燒成系統(tǒng)運行參數(shù)見表2。

表1 燒成系統(tǒng)主要設備參數(shù)

表2 燒成系統(tǒng)運行參數(shù)

該生產(chǎn)線于2009年投產(chǎn)運行，至今已運行十多年。技改前熟料產(chǎn)量為5 900t/d，燒成實物煤耗為144.9kg/t.cl，氮氧化物含量＞600mg/m3（脫硝系統(tǒng)處理前），產(chǎn)量及能耗等指標均落后于當前水泥生產(chǎn)線的平均水平。

3 存在的問題分析

（1）窯內(nèi)通風不良，分解爐內(nèi)煤粉燃燒不完全、碳酸鈣分解率較低，預分解系統(tǒng)易結(jié)皮，燒成系統(tǒng)煤耗偏高。

（2）各級旋風筒進口截面積偏小，預熱器壓力損失較大，預熱器整體阻力偏高，從而造成系統(tǒng)電耗增加。

（3）撒料箱磨損變形，失去了應有的撒料作用，換熱效率較低。受結(jié)皮影響，各鎖風閥漏風量偏大，降低了旋風筒分離效率，加大了生料系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)量，導致熟料產(chǎn)量下降，煤耗上升。

（4）C1旋風筒收塵效率偏低，增加了生料系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)量，部分熱量被生料帶走，增加了系統(tǒng)熱耗。

（5）NOX初始濃度偏高，導致NOX末端治理脫硝過程中的噴氨量偏高，脫硝成本增加。

（6）窯頭煤粉燃燒器凈風量偏大，壓頭偏低，推力不足，窯內(nèi)燒成狀況不好，不利于節(jié)能降耗。

（7）冷卻機規(guī)格偏小，出冷卻機熟料溫度偏高，物料輸送能力較差，熱回收效率較低，二、三次風溫度偏低。

4 技改方案

4.1 分解爐和鵝頸管改造

表3為技改前后分解爐和鵝頸管參數(shù)對比。由表3可見，原分解爐、鵝頸管的有效容積分別為1 154m3、864m3，風速分別為8.64m/s、17.84m/s。改造前，當熟料產(chǎn)量為5 900t/d時，氣體在分解爐和鵝頸管內(nèi)的停留時間為5.84s，煤粉和生料在分解爐和鵝頸管內(nèi)的懸浮時間較短。當熟料產(chǎn)量提高到6 600t/d時，隨著分解爐和鵝頸管內(nèi)煙氣量的增加，煙氣在分解爐和鵝頸管內(nèi)的停留時間進一步縮短，分解爐內(nèi)的煤粉燃燒、碳酸鈣分解和氣固換熱效率進一步降低，影響窯內(nèi)熟料煅燒效果。

改造措施：利用預熱器框架內(nèi)部的有效空間，擴大分解爐容積。受預熱器框架尺寸限制，無法對分解爐進行擴大直徑的改造，通過理論計算并結(jié)合框架承載力，本次技改將原分解爐加高了18.35m，鵝頸管向上穿過79.60m平面后，向下連接到原鵝頸管。分解爐和鵝頸管改造示意如圖1所示。

圖1 分解爐和鵝頸管改造示意

從表3還可以看出，技改后，分解爐和鵝頸管的有效總?cè)莘e為2 926m3，比技改前2 018m3增加了45%。改造后，當熟料產(chǎn)量為6 600t/d時，氣體在分解爐和鵝頸管內(nèi)的停留時間為7.80s，比技改前（5.84s）增加了1.96s。雖然風速有不同程度提高，但分解爐和鵝頸管總?cè)莘e的擴大，使得氣體在分解爐和鵝頸管內(nèi)的停留時間延長。因此，分解爐和鵝頸管的擴容改造對煤粉燃燒、碳酸鈣分解及氣固換熱等有較大提升效果。

表3 技改前后分解爐和鵝頸管參數(shù)對比

4.2 旋風筒改造

表4為技改前后各級旋風筒進口參數(shù)對比情況。從表4可以看到，原C1～C5旋風筒進口截面積偏小，進口風速在16.20～20.41m/s，風速均很高，系統(tǒng)阻力大，C1出口負壓高達5 750Pa。

表4 技改前后各級旋風筒進口參數(shù)對比

改造措施：擴大C1～C5進口通風面積，同時取消進口底部平段，以降低風速，減小旋風筒進口阻力損失。其中，C1旋風筒進口向兩側(cè)加寬；C2～C4旋風筒進口加寬加高；C5旋風筒進口加高且降低直筒高度，增加上蝸殼高度，同時對鵝頸管出口作相應改造。旋風筒改造示意如圖2、圖3所示。另外，在不破壞旋風筒頂蓋及上升管結(jié)構(gòu)的情況下，擴大內(nèi)筒直徑，更換C4和C5旋風筒內(nèi)筒。

圖2 C1～C4旋風筒進口改造示意

圖3 C5旋風筒進口改造示意

從表4可以看出，技改后，各級旋風筒進口風速均有不同程度降低，其中，C1旋風筒進口風速為15.66m/s，比技改前降低了3.3%；C2～C5旋風筒進口風速在14.91～17.79m/s，比技改前降低了約12%，降阻效果明顯。

4.3 窯尾煙室縮口改造

原窯尾煙室縮口尺寸為φ2.3m，煙室通風面積偏小，上升氣流速度較快，窯內(nèi)煤粉燃燒及窯內(nèi)火焰的熱力強度較差，高溫風機需拉大風才能滿足窯內(nèi)通風，影響窯內(nèi)通風和入爐三次風的分配比例。

改造措施：將窯尾煙室縮口直徑由φ2.3m擴大到φ2.5m，通風面積由4.15m2增大到4.91m2。改造后，改善了窯內(nèi)通風，降低了系統(tǒng)阻力，有效避免了窯內(nèi)二次揚塵及窯尾結(jié)皮等問題，對燒成系統(tǒng)提產(chǎn)降耗起到了關(guān)鍵作用。

4.4 窯尾低氮燃燒和三次風管改造

利用分解爐自適應低NOX煅燒技術(shù)，降低NOX濃度和末端NOX治理過程中的噴氨量，降低NOX治理運行成本。改造三次風管，抬高三次風管入爐位置，同時在分解爐下方錐部設置4臺燃燒器，對C4下料入爐位置進行相應調(diào)整，使風、煤、料形成最佳匹配狀態(tài)，分解爐錐部氣流流場和溫度場更合理。

4.5 撒料箱、鎖風閥和下料管改造

撒料箱將來自上一級旋風筒的生料分散，以保證氣固換熱效率，生料在換熱管道中的分散效果將直接影響預熱器的換熱效率。撒料箱磨損變形，失去了應有的撒料作用，換熱效率低。同時，受結(jié)皮及長時間使用影響，鎖風閥動作不靈活，加大了生料系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)量，降低了旋風筒的分離效率。

改造措施：將C1～C4撒料箱更換為易結(jié)皮系統(tǒng)專用撒料箱。其中，C4撒料箱由2個改為3個，下料管相應增加，并對位置進行調(diào)整，進一步改善撒料效果，提高換熱效率，有效降低C1出口溫度，降低燒成熱耗；將C1～C5鎖風閥更換為易清潔結(jié)皮的專用鎖風閥，減少系統(tǒng)內(nèi)漏風，降低燒成熱耗；將C4、C5下料管直徑由φ900mm擴大為φ1 000mm，增設空氣炮，減少結(jié)皮清理次數(shù)，降低結(jié)皮對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)適應性。

4.6 回轉(zhuǎn)窯和燃燒器改造

本次改造后，系統(tǒng)產(chǎn)量達到6 600t/d，但窯內(nèi)物料填充率較高，不能滿足提產(chǎn)要求。原回轉(zhuǎn)窯設計轉(zhuǎn)速為0.35～4r/min，通過改造電氣裝置，使回轉(zhuǎn)窯最高轉(zhuǎn)速達到4.2～4.4r/min，保證了窯內(nèi)填充率合理，達到了薄料快燒的目的。

為匹配高產(chǎn)量和高窯速，窯頭燃燒器能力及熱力強度需同步提高。在窯頭原有配套懸掛式移動小車、燃油系統(tǒng)、一次風機，煤磨車間原有計量秤、送煤風機及送煤管道基礎上，采用了一套全新的HP強渦流型多通道煤粉燃燒器，最大燃煤量20t/h，以滿足技改后燒成系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要求。HP強渦流型多通道煤粉燃燒器的主要特點如下：

（1）采用離散型小噴嘴。燃燒器頭部沒有活動部件，外風由排成環(huán)的離散型小噴嘴形成，火焰不易發(fā)生變形和偏火沖刷窯皮。離散型外風噴嘴可以吸入更多的高溫二次風，噴射速度比三、四通道燃燒器更高，有利于劣質(zhì)煤、低揮發(fā)分煤、無煙煤等不同種類煤的燃燒。

（2）采用雙層耐磨保護并設置檢查孔。在燃燒器的煤粉入口處，采用雙層耐磨保護，設置檢查孔，提高燃燒器使用壽命。

（3）采用易更換的風翅和外風噴嘴。新風翅和外風噴嘴更換非常方便，能夠適應不同種類煤粉、煤質(zhì)的變化，保證了熟料質(zhì)量與窯系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

（4）采用大速差原理和多重強度結(jié)構(gòu)。一次風量＜7%，具有良好的節(jié)能降耗效果，高溫煙氣回流效應強，火焰集中有力、形狀調(diào)節(jié)方便，對燃料適應性強，窯皮均勻穩(wěn)定，可以延長耐火磚的使用壽命。

4.7 冷卻機改造

原冷卻機篦床有效面積為131m2，出冷卻機的熟料溫度為110℃～120℃，二次風溫為1 060℃左右，三次風溫為900℃左右，熱回收效率較低。

改造措施：將原冷卻機及附屬的液壓站、破碎機、冷卻風機等拆除，整體更換為一臺帶中置輥式破碎機的第四代高效篦冷機（規(guī)格WHEC-6600型），有效冷卻面積為162.4m2，篦床寬度為4.8m。技改后的冷卻機主要設計參數(shù)和風機配置情況如表5和表6所示。篦冷機主要改造內(nèi)容如下：

表5 技改后的冷卻機主要設計參數(shù)

表6 技改后的冷卻機風機配置情況

（1）采用中心區(qū)獨立供風KID系統(tǒng)。將冷卻機中心區(qū)供風改為獨立供風，提高了熟料急冷效果，保證了較高且穩(wěn)定的二次風溫和三次風溫，熱回收效率≥75%。

（2）采用中置輥式破碎機。將尾部錘式破碎機改為中置輥式破碎機，提高了熟料內(nèi)部熱回收效率，保證了熟料出料粒度的均勻性，有利于熟料的后續(xù)冷卻。

（3）采用液壓自動控制系統(tǒng)。新冷卻機采用液壓驅(qū)動，以調(diào)節(jié)每個輸送管道行程，提高了熟料輸送效率，避免了“紅河”現(xiàn)象發(fā)生。

（4）采用特殊的密封。在冷卻機側(cè)部以及相鄰的兩個輸送管道間采用特殊的密封，避免熟料漏入風室。同時，取消冷卻機下方的料斗和輸送裝置，降低了冷卻機的高度。

（5）采用可獨立調(diào)節(jié)輸送管道。在冷卻機每個輸送管道上設置若干個供風單元，每個供風單元進風量通過空氣調(diào)節(jié)閥單獨控制，各輸送管道的移動速率均可調(diào)節(jié)，以保證熟料的冷卻效果。同時，單位風量比第三代冷卻機低10%～20%，減少了余風收塵量，降低了收塵器規(guī)格，減少了設備投資。

（6）采用帶填充盒的充氣單元。新冷卻機輸送管道采用充氣單元，每個充氣單元配有熟料填充盒，有效避免了充氣單元的磨損，提高了篦板使用壽命，維修費用僅為第三代冷卻機的15%～20%。

（7）采用智能化控制系統(tǒng)。新冷卻機各個輸送管道的工作模式由IMCC（INT Motion Control Center）智能控制中心控制，可以采取多種組合模式控制各輸送管道的運動次序和沖程長度，提高了冷卻機運轉(zhuǎn)效率。

5 技改效果

技改前后燒成系統(tǒng)主要參數(shù)對比情況如表7所示。從表7可見，改造后，燒成系統(tǒng)運行平穩(wěn)，各項運行指標明顯改善。熟料產(chǎn)量從5 900t/d提高到6 600t/d，提產(chǎn)11.8%，C1出口負壓由5 750Pa降低至5 000Pa，NOX濃度（處理前）控制在450mg/m3左右；出冷卻機熟料溫度為＜65℃+環(huán)境溫度，二次風溫為1 150℃，三次風溫為950℃，實物煤耗由144.9kg/t.cl降低至136.5kg/t.cl，降低了8.4kg/t.cl。

表7 技改前后燒成系統(tǒng)參數(shù)對比

系統(tǒng)改造后，企業(yè)運行成本大幅降低，按年運轉(zhuǎn)300d，燃煤710元/t，熟料利潤100元/t，年節(jié)省備件及人工費用80萬元計，每年可實現(xiàn)直接經(jīng)濟效益3 300余萬元。