5500dt/d六級(jí)預(yù)熱器燒成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

馬嬌媚，劉芳，郭天代，陶從喜，彭學(xué)平

5500dt/d六級(jí)預(yù)熱器燒成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

Development and Application of 5 500t/d Pyro-system with 6-stage Preheater

馬嬌媚，劉芳，郭天代，陶從喜，彭學(xué)平

最新投產(chǎn)的河南孟電集團(tuán)有限公司5 500t/d生產(chǎn)線由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)，集成了天津院有限公司最新的技術(shù)路線，尤其是六級(jí)預(yù)熱器和低氮分解爐的開(kāi)發(fā)研究，達(dá)到了理想的技術(shù)指標(biāo)，代表了高能效低氮預(yù)熱預(yù)分解及先進(jìn)燒成技術(shù)的水平。綜合前期開(kāi)發(fā)思路和后續(xù)調(diào)試過(guò)程，本文總結(jié)了該生產(chǎn)線的節(jié)能減排措施，為水泥生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)調(diào)試提供參考。

六級(jí)預(yù)熱器；脫硝；燒成系統(tǒng)；節(jié)能減排

1 概述

目前水泥生產(chǎn)企業(yè)面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)，必須通過(guò)采用新型節(jié)能技術(shù)及裝備來(lái)降低生產(chǎn)線的能源消耗，減少影響環(huán)境的廢棄物排放（包括CO2、NOX等）。河南孟電集團(tuán)水泥有限公司減量置換5 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線是為落實(shí)國(guó)家行業(yè)準(zhǔn)入條件及節(jié)能減排環(huán)保要求，在原有幾條水泥熟料生產(chǎn)線拆除基礎(chǔ)上建設(shè)而成的。該生產(chǎn)線由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)，集成了天津院有限公司自主研發(fā)的高效低阻型六級(jí)預(yù)熱器、兩檔短窯、帶中置輥式破碎機(jī)的行進(jìn)式穩(wěn)流冷卻機(jī)、大推力煤粉燃燒器、煤粉輥磨等，代表了該公司最新的技術(shù)和裝備水平，尤其代表了高能效低氮預(yù)熱預(yù)分解及先進(jìn)燒成技術(shù)水平。筆者參與了該項(xiàng)目前期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、施工安裝、調(diào)試運(yùn)行及達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的整個(gè)過(guò)程，本文對(duì)該生產(chǎn)線的技術(shù)進(jìn)行提煉總結(jié)，為日后水泥工藝開(kāi)發(fā)提供參考。

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司作為總設(shè)計(jì)方和主機(jī)供貨商，針對(duì)全廠制定了最佳的技術(shù)方案，為該生產(chǎn)線的良好運(yùn)行創(chuàng)造了條件。該生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)主機(jī)設(shè)備全部國(guó)產(chǎn)化，在低阻低耗、能效指標(biāo)不斷提高的前提下，降低了廢氣中NOX、SO2等有害組分的排放，同時(shí)該生產(chǎn)線采用了大功率變頻調(diào)速技術(shù)、余熱發(fā)電技術(shù)、低溫除塵技術(shù)，設(shè)計(jì)上考慮了水泥窯協(xié)同處置工業(yè)廢棄物和城市垃圾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用和節(jié)能減排，全面提升了生產(chǎn)線的性能。該生產(chǎn)線采用石灰石、粘土、砂巖、硫酸渣配料，煙煤作為燃料，燒成車(chē)間設(shè)備見(jiàn)表1。

2 主要節(jié)能減排技術(shù)

表15 500t/d燒成系統(tǒng)主要設(shè)備

2.1 新型六級(jí)預(yù)熱器預(yù)分解爐系統(tǒng)

預(yù)熱預(yù)分解技術(shù)是預(yù)分解燒成工藝的核心技術(shù)。窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)的作用是對(duì)生料進(jìn)行預(yù)熱，并使大部分碳酸鹽分解，出分解爐生料經(jīng)最下級(jí)預(yù)熱器分離后入窯煅燒。因此預(yù)分解系統(tǒng)的級(jí)數(shù)及性能對(duì)燒成系統(tǒng)熱耗和預(yù)熱器系統(tǒng)出口壓力有很大影響。當(dāng)原料綜合水分較低時(shí)，國(guó)外水泥企業(yè)普遍傾向于采用六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)以降低燒成系統(tǒng)熱耗，而國(guó)內(nèi)由于余熱發(fā)電技術(shù)的推廣，六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)難以得到大力發(fā)展[1]。采用六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)與采用五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)相比，生料磨停時(shí)，六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)可降低管道噴水難度并節(jié)約三分之一左右的噴水量，六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)適合于原料水分不是很高的工程，尤其對(duì)能源短缺和水資源短缺的地區(qū)是很好的選擇。

六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)采用高效低壓損的旋風(fēng)筒，可有效降低預(yù)熱器系統(tǒng)出口溫度和阻力，整個(gè)窯尾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置緊湊，降低了窯尾框架高度和大小，有利于節(jié)省投資。旋風(fēng)筒采用270°兩心大蝸殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)型式，降低旋風(fēng)筒壓損，并提高旋風(fēng)筒分離效率，最上級(jí)旋風(fēng)筒分離效率達(dá)到95%以上；除C1旋風(fēng)筒外，其他級(jí)內(nèi)筒采用耐熱鋼分片式結(jié)構(gòu)，便于安裝和檢修更換；為吸收熱膨脹，旋風(fēng)筒頂蓋采用預(yù)拉處理，結(jié)構(gòu)布置上充分采取徑向和軸向熱補(bǔ)償措施，各級(jí)料管設(shè)置獨(dú)立的膨脹節(jié)；根據(jù)預(yù)熱器系統(tǒng)布置，旋風(fēng)筒采取歪錐結(jié)構(gòu)，有效降低塔架高度，同時(shí)有效防止錐部積料堵塞。

圖1 C1旋風(fēng)筒

圖2 中間級(jí)旋風(fēng)筒

六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)采用固定式撒料裝置，確保生料在管道中均勻分散，提高管道換熱效果，孟電項(xiàng)目在以往風(fēng)管和撒料盒數(shù)值模擬研究[2]的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行優(yōu)化，在合理風(fēng)速的前提下，撒料盒能夠進(jìn)一步下移，加強(qiáng)了氣固換熱。下料管道上采用翻板閥進(jìn)行鎖風(fēng)，在運(yùn)行投產(chǎn)前，逐一調(diào)整了每個(gè)配重桿的配重至最佳位置，運(yùn)行期間定期檢查包括鎖風(fēng)閥等各處部位的密封情況，進(jìn)行必要的堵漏工作，保證系統(tǒng)的鎖風(fēng)和密封效果，為降低預(yù)熱器出口溫度、廢氣風(fēng)量和系統(tǒng)熱耗創(chuàng)造了條件。

表2為六級(jí)預(yù)熱器與五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比，通過(guò)分析可以得出：

（1）從指標(biāo)看，六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)相對(duì)五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)，熱耗降低～125kJ/kg熟料，電耗基本不變。

（2）從投資成本看，六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)窯尾設(shè)備和土建投資相對(duì)五級(jí)預(yù)熱器有所增加，但余熱發(fā)電鍋爐和汽輪機(jī)配置變小[3]，整體上帶六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)的生產(chǎn)線綜合投資少。

2.2 低氮分解爐系統(tǒng)

通過(guò)分料控制分解爐柱體結(jié)構(gòu)的溫度梯度，創(chuàng)造高溫區(qū)，有利于分解爐內(nèi)燃料的燃燒，提高燃料的燃盡率，避免未燃盡的燃料在預(yù)熱器內(nèi)后燃，節(jié)約了煤耗。分解爐中柱段預(yù)留廢棄物處置口，可滿足一定要求的廢棄物處置。分解爐通過(guò)脫硝風(fēng)管采用三次風(fēng)分級(jí)燃燒的措施，燃燒空氣分級(jí)加入，形成一個(gè)低于化學(xué)當(dāng)量燃燒系數(shù)的還原燃燒區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，一方面由于不完全燃燒形成了大量的一氧化碳，可以對(duì)已經(jīng)形成的氮氧化物進(jìn)行還原，另一方面抑制燃料中的氮元素向氮氧化物轉(zhuǎn)化，降低系統(tǒng)NOX的排放。從運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，通過(guò)調(diào)節(jié)C5分料比例、三次風(fēng)三個(gè)閥門(mén)的開(kāi)度，可以穩(wěn)定窯況，不影響產(chǎn)質(zhì)量。

表2 5500t/d六級(jí)預(yù)熱器與五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)對(duì)比

調(diào)試過(guò)程中，三次風(fēng)管主管的閥門(mén)一定要與脫硝風(fēng)管的閥門(mén)配合使用，避免窯系統(tǒng)的通風(fēng)受到影響。脫硝閥門(mén)加大開(kāi)度時(shí)，要同步降低主管的閥門(mén)開(kāi)度。脫硝風(fēng)管創(chuàng)造還原區(qū)的同時(shí)，在監(jiān)測(cè)分解爐和塔內(nèi)三次風(fēng)管不結(jié)皮的前提下，還需要通過(guò)C4料管的分料閥提高分解爐主燃區(qū)的溫度至1 050～1 200℃范圍內(nèi)。燒成氣氛上，在分解爐完全燃燒的基礎(chǔ)上，控制分解爐出口的氧含量＜2%，預(yù)熱器出口的氧含量＜3%。

通過(guò)脫硝風(fēng)管進(jìn)行三次風(fēng)的分級(jí)設(shè)置，分解爐的中柱體及下柱段有較大脫硝空間，調(diào)節(jié)脫硝風(fēng)管使其形成高溫還原氣氛，可滿足NOX＜550mg/m3（標(biāo)）（10%O2）的要求，脫硝效率45%以上，同時(shí)分解爐出口管道預(yù)留SNCR噴氨位置，根據(jù)實(shí)際情況可滿足更嚴(yán)格的環(huán)保排放要求，目前氮氧化物排放指標(biāo)低于320mg/m3（標(biāo)），實(shí)際控制值為260±30mg/ m3（標(biāo)）。

2.3 兩檔支撐短窯

兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯，采用L/D為12的兩支承短窯，由于筒體長(zhǎng)度有較大減短，其散熱損失相應(yīng)減少，相同規(guī)模窯的散熱損失相差約21kJ/kg熟料，此外還具有裝備、土建費(fèi)用低等一系列優(yōu)點(diǎn)。配套高性能大推力燃燒器，一次風(fēng)量為8%，提高了高溫風(fēng)的用量，降低了系統(tǒng)熱耗。

考慮到兩檔窯窯尾溫度較高，煙室使用了料幕技術(shù)，通過(guò)控制煙室溫度減少結(jié)皮的生成。如圖3所示，料幕系統(tǒng)將生料分一股通過(guò)風(fēng)機(jī)及風(fēng)翅打散進(jìn)入煙室，生料的分解吸熱可以迅速降低煙室溫度，減少液相出現(xiàn)，提升了系統(tǒng)的適應(yīng)性，也為日后廢棄物處置預(yù)留了可能，當(dāng)燒成系統(tǒng)出現(xiàn)硫、堿、氯等元素內(nèi)循環(huán)時(shí)易造成局部結(jié)皮，煙室料幕也有一定緩解作用。

圖3 煙室料幕系統(tǒng)

2.4 帶中置輥式破碎機(jī)第四代行進(jìn)式穩(wěn)流冷卻機(jī)

第四代行進(jìn)式穩(wěn)流冷卻機(jī)縱向單元通風(fēng)，避免了熟料經(jīng)篦床下落造成縱向?qū)幼枇ψ兓?，有利于均勻通風(fēng)，第四代冷卻機(jī)的熱回收效率＞75%，回收熱量按照入冷卻機(jī)的熱料溫度計(jì)算，全部熱量約為1 547kJ/kg熟料，每提高1%的熱回收效率則回收熱增加15.5kJ/kg熟料，考慮到燃燒器改進(jìn)后入窯二次風(fēng)量相應(yīng)增加的因素，采用第四代行進(jìn)式穩(wěn)流冷卻機(jī)熱回收率較現(xiàn)有冷卻機(jī)的熱回收效率平均提高4%以上，相當(dāng)熱耗降低62kJ/kg熟料。

冷卻機(jī)系統(tǒng)的電耗統(tǒng)計(jì)為5.5kWh/t熟料，較常規(guī)冷卻機(jī)節(jié)電1.0kWh/t熟料。同時(shí)，中置輥式破碎機(jī)提高了窯頭余熱發(fā)電的發(fā)電量，有效利用了余風(fēng)熱量。

3 生產(chǎn)運(yùn)行狀況

孟電減量置換5 500t/d水泥生產(chǎn)線作為先進(jìn)燒成技術(shù)示范線已投產(chǎn)運(yùn)行五個(gè)月。生產(chǎn)線運(yùn)行月度產(chǎn)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，從表中可看出，點(diǎn)火以來(lái)熟料月均產(chǎn)量為5 655t/d，月均標(biāo)煤耗為97kg/t熟料，熟料電耗月均值為56kWh/t熟料，3d熟料強(qiáng)度31MPa，28d熟料強(qiáng)度56MPa。

八月底進(jìn)行了系統(tǒng)熱工標(biāo)定，測(cè)試期間窯系統(tǒng)熟料日均產(chǎn)量達(dá)5 944t，大大超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)，兩檔窯單位容積產(chǎn)量達(dá)6.07t/d.m3，遠(yuǎn)高于三檔窯的單位容積產(chǎn)量；熟料燒成熱耗為2 771kJ/kg熟料，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，燒成電耗為20.15kWh/t，電耗低于設(shè)計(jì)值。圖4為燒成窯尾的典型中控畫(huà)面。預(yù)熱器出口的溫度較五級(jí)預(yù)熱器低30～50℃，壓損與五級(jí)相當(dāng)，高溫風(fēng)機(jī)的電耗約7.0kWh/t熟料，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均為國(guó)際先進(jìn)水平。標(biāo)定該冷卻機(jī)的總鼓風(fēng)量為1.872 0m3（標(biāo)）/kg熟料，小于第三代篦冷機(jī)的正常用風(fēng)量[1.9～2.1m3（標(biāo)）/kg熟料]，篦冷機(jī)的熱回收效率＞75%。

采用三次風(fēng)分風(fēng)的方式可實(shí)現(xiàn)脫硝效率45%以上，分解爐出口在噴氨前NOX濃度約為500ppm，折算成10%氧含量為600mg/m3（標(biāo)），SNCR系統(tǒng)氨水用量從脫硝風(fēng)管投運(yùn)前的2.0m3/h降低到0.5m3/ h，噸熟料節(jié)約了3元的運(yùn)行成本，可見(jiàn)窯尾脫硝風(fēng)管可有效降低系統(tǒng)NOX的排放濃度。

圖4 燒成系統(tǒng)中控操作畫(huà)面

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

孟電5 500t/d生產(chǎn)線于2016年6月成功運(yùn)行，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行與生產(chǎn)達(dá)標(biāo)?；剞D(zhuǎn)窯產(chǎn)量穩(wěn)定，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)熱工標(biāo)定5 500t/d減量置換一線單位熟料熱耗為2 773kJ/kg熟料，標(biāo)準(zhǔn)煤耗95kg/t熟料以下，燒成電耗為20.15kWh/t熟料，氮氧化物排放達(dá)到290mg/m3（標(biāo)）以下，噴氨量0.5m3/h，粉塵排放15mg/m3（標(biāo)）以下，能耗水平先進(jìn)。與能耗限額標(biāo)準(zhǔn)的新建水泥生產(chǎn)線限額準(zhǔn)入值相比，一條生產(chǎn)線投產(chǎn)后預(yù)計(jì)每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2.7萬(wàn)噸，節(jié)約用電～3 000×104kWh，回收余熱發(fā)電～4 500×104kWh，每年實(shí)現(xiàn)CO2減排～8.1萬(wàn)噸，脫硝風(fēng)管實(shí)現(xiàn)NOX減排～2 300t，同時(shí)還能有效降低粉塵等污染物排放，對(duì)生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善具有積極的推動(dòng)作用。該新一代節(jié)能、環(huán)保、高效水泥熟料生產(chǎn)線的推出，集成采用天津設(shè)計(jì)院有限公司先進(jìn)、成熟的國(guó)產(chǎn)化新技術(shù)、新裝備，為水泥工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和節(jié)能減排提供了示范作用，推動(dòng)了水泥工業(yè)從產(chǎn)品質(zhì)量、污染物控制、綠色環(huán)保等諸方面質(zhì)的提升。

表3 生產(chǎn)線產(chǎn)質(zhì)量月報(bào)表

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)調(diào)試生產(chǎn)，5 500t/d帶六級(jí)預(yù)熱器生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，驗(yàn)證了之前的科研開(kāi)發(fā)思路，歸納技術(shù)要點(diǎn)主要有：

（1）六級(jí)預(yù)熱器通過(guò)增加一級(jí)換熱降低了預(yù)熱器出口的溫度，起到了很好的節(jié)能效果，在電耗不增加的前提下，熱耗大大降低。公司六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)目前已在孟電項(xiàng)目、沙特UCIC項(xiàng)目、印尼BOSOWA項(xiàng)目等多條生產(chǎn)線上得到應(yīng)用，使用效果良好。

（2）低氮分解爐通過(guò)三次風(fēng)管分出一支作為脫硝風(fēng)管進(jìn)行分級(jí)燃燒，達(dá)到了很好的脫硝效果。

（3）六級(jí)預(yù)熱器、低氮分解爐，配套兩檔支撐短窯、第四代中置輥式破碎機(jī)冷卻機(jī)，代表了天津院有限公司先進(jìn)的工藝裝備技術(shù)水平。

（4）新開(kāi)發(fā)的5 500t/d六級(jí)預(yù)熱器燒成系統(tǒng)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)調(diào)試，燒成系統(tǒng)的電耗、煤耗和NOX排放較低，各項(xiàng)指標(biāo)良好，實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能減排效果。

[1]陶從喜，孫潔.淺析六級(jí)預(yù)熱器的推廣與應(yīng)用[J].水泥技術(shù)，2009（6）：31-34.

[2]陶從喜，趙林，俞為民，張凱，胡芝娟.六級(jí)預(yù)熱器優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44（4）：369-376.

[3]俞為民.六級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的探討[J].水泥技術(shù)，2007（4）：25-26.■

TQ172.622.26

A

1001-6171（2017）04-0022-05

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；

2016-12-05；編輯：趙蓮