印尼海德堡萬噸生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與運(yùn)行

陳昌華，馬嬌媚，武曉萍，彭學(xué)平，陶從喜

P14-印尼海德堡10 000t/d生產(chǎn)線項(xiàng)目位于印尼爪哇島，當(dāng)?shù)睾０渭s50m，年平均環(huán)境溫度約30℃。該項(xiàng)目采用EPC總承包模式實(shí)施，業(yè)主為印尼水泥集團(tuán)和海德堡集團(tuán)，總承包方為天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱天津院）。其中，燒成系統(tǒng)采用天津院新一代技術(shù)與裝備，生產(chǎn)線于2016年投產(chǎn)，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)正常，日產(chǎn)熟料量穩(wěn)定在10 000t以上，燒成系統(tǒng)能耗指標(biāo)（煤耗、電耗）以及各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)（NOx、CO、粉塵排放等）均達(dá)到同規(guī)模生產(chǎn)線的先進(jìn)水平。

1 原燃料情況

1.1 高水分褐煤

該生產(chǎn)線燃料主要考慮使用當(dāng)?shù)睾置?，褐煤的工業(yè)分析結(jié)果見表1。由表1可知，原煤的內(nèi)水高達(dá)21.8%，熱值僅19 750kJ/kg，屬于高水分、低熱值褐煤。

按照天津院煤粉燃燒特性的試驗(yàn)方法，對(duì)來樣褐煤進(jìn)行了試驗(yàn)，從測(cè)試結(jié)果來看，P14項(xiàng)目褐煤燃盡時(shí)間（燃盡度達(dá)到90%所需的時(shí)間）為6.6s。一般易燃煙煤的燃盡時(shí)間為7.0s左右，而難燃無煙煤的燃盡時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60s以上。由于褐煤的揮發(fā)分較高，容易起燃，燃盡時(shí)間也相應(yīng)較短。本項(xiàng)目褐煤與其他項(xiàng)目褐煤相比（見表2），燃盡時(shí)間較短，說明其燃盡特性較好。

表1 褐煤的工業(yè)分析，%

表2 幾種典型褐煤的燃盡時(shí)間對(duì)比

表3 熟料的化學(xué)成分，%

1.2 原料特點(diǎn)

1.2.1 原料水分高

本項(xiàng)目原料主要為石灰石、粘土、砂粘土、鐵砂巖和砂巖等5種。其中，石灰石的水分為4%～7%，粘土、鐵砂巖等水分一般在10%以上，生料綜合水分最大值達(dá)8.5%。

1.2.2 原料MgO含量偏高

熟料的化學(xué)成分見表3，其中MgO的含量為3.0%～3.5%，主要來源于石灰石原料。為了保證熟料強(qiáng)度，高鎂原料對(duì)應(yīng)的熟料率值往往比較高，熟料形成熱也往往偏高。根據(jù)該生產(chǎn)線原料成分進(jìn)行計(jì)算，熟料的形成熱為1 755.6kJ/kg熟料左右。

2 燒成系統(tǒng)主機(jī)配置

燒成系統(tǒng)窯尾采用天津院自主開發(fā)的萬噸級(jí)規(guī)模的窯尾預(yù)分解系統(tǒng)。旋風(fēng)筒及分解爐等采用了天津院最新開發(fā)思路，對(duì)多處細(xì)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。其中，預(yù)熱器為高效低阻型5級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)，分解爐為旋噴結(jié)合的TDF型在線分解爐?；剞D(zhuǎn)窯由天津院設(shè)計(jì)和供貨，為天津院供貨的首臺(tái)萬噸級(jí)規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯，其規(guī)格為?6.0m×90m三檔窯。燒成系統(tǒng)主機(jī)配置見表4。

3 燒成系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

3.1 正常燃用褐煤的安全生產(chǎn)技術(shù)

由于褐煤水分大、揮發(fā)分高、熱值低，燃燒產(chǎn)生的煙氣量相對(duì)偏大，理論燃燒溫度較低，因此，萬噸線開發(fā)的重點(diǎn)為：如何在確保燃用褐煤的情況下正常安全生產(chǎn)。主要采取的技術(shù)措施有：

（1）優(yōu)化分解爐結(jié)構(gòu)，對(duì)入爐的三次風(fēng)、燃燒器、物料下料點(diǎn)位置等進(jìn)行合理匹配，C4分料設(shè)置，保證分解爐煤粉噴入高溫操作區(qū)間，確保褐煤的燃燒效果。

（2）窯頭主燃燒器調(diào)節(jié)性要好，能根據(jù)窯內(nèi)燃燒情況靈活地調(diào)整火焰形狀，確保合理的窯皮長(zhǎng)度。

表4 P14項(xiàng)目燒成系統(tǒng)主機(jī)配置

（3）采用小窯門罩，提高二次風(fēng)溫度，有助于提高窯頭火焰溫度。

（4）煤磨烘干從窯尾取熱風(fēng)，入煤磨煙氣用電收塵器收塵，減少煤粉貧化。

3.2 帶4/5級(jí)切換的預(yù)熱器系統(tǒng)

根據(jù)建廠原料情況，生料的最大綜合水分含量按照8.5%考慮，將窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)成4/5級(jí)切換的型式，可根據(jù)原料水分的情況調(diào)整窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)。

在下列情況下，燒成窯尾切換至五級(jí)預(yù)熱器狀態(tài)運(yùn)行：

（1）生料綜合水分＜6%；

（2）生料磨停磨狀態(tài)。

3.3 旋噴結(jié)合的TDF改進(jìn)型分解爐（圖1）

由于萬噸級(jí)生產(chǎn)線分解爐直徑較大（?9.0m），為了促進(jìn)風(fēng)、煤、料在爐內(nèi)的均勻分布，該生產(chǎn)線分解爐采用了特殊的設(shè)計(jì)，TDF分解爐由常規(guī)的噴騰型改進(jìn)為旋噴結(jié)合型，優(yōu)化內(nèi)容主要包括三次風(fēng)偏置進(jìn)風(fēng)（圖2），窯尾喂煤點(diǎn)偏置，三次風(fēng)管布置在窯正上方，從篦冷機(jī)兩點(diǎn)取風(fēng)等。同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中針對(duì)不同的優(yōu)化方案，對(duì)分解爐進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬工作，以提高分解爐內(nèi)物料和煤粉的均勻分布，避免局部高溫，同時(shí)促進(jìn)煤粉燃盡。不同偏置距離的溫度、O2和CO濃度云圖見圖3。

3.4 優(yōu)化的回轉(zhuǎn)窯

3.4.1 窯尾端擴(kuò)大

對(duì)于大規(guī)模的生產(chǎn)線，為了促進(jìn)窯內(nèi)通風(fēng)狀況，本項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯采用尾端擴(kuò)大技術(shù)，尾端直徑由?6.0m擴(kuò)大至?6.4m?；剞D(zhuǎn)窯尾端擴(kuò)大示意圖見圖4。窯尾端擴(kuò)大主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以有效擴(kuò)大煙室最小斷面，降低阻力，改善窯內(nèi)通風(fēng)，減少煙室飛灰，最大限度地發(fā)揮窯的潛能；

（2）三次風(fēng)管閥門開度可適當(dāng)加大，避免三次風(fēng)管閥門開度太小造成的閥體較快磨損。3.4.2 窯頭收縮

由于回轉(zhuǎn)窯的傾斜布置，窯頭耐火磚和窯口澆注料的結(jié)合處往往是應(yīng)力集中的區(qū)域。對(duì)于大規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯，窯內(nèi)耐火磚的重量大，窯頭應(yīng)力集中對(duì)耐火材料的使用壽命影響更大。本項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯采用窯頭收縮技術(shù)，窯口段回轉(zhuǎn)窯的直徑由?6.0m逐步過渡至?5.8m，使窯內(nèi)耐火磚下滑的應(yīng)力在區(qū)域內(nèi)分散，避免應(yīng)力集中對(duì)耐火材料的損壞。窯頭收縮示意見圖5。

4 燒成系統(tǒng)運(yùn)行情況

圖1 旋噴結(jié)合的TDF改進(jìn)型分解爐

圖2 三次風(fēng)管偏置進(jìn)風(fēng)型式

圖3 不同偏置距離的溫度、O2和CO濃度云圖

圖4 回轉(zhuǎn)窯尾端擴(kuò)大示意圖

投產(chǎn)以來，預(yù)熱器系統(tǒng)未出現(xiàn)塌料、結(jié)皮堵塞等問題，生料喂料和喂煤系統(tǒng)穩(wěn)定，分解爐及各級(jí)旋風(fēng)筒溫度、壓力波動(dòng)較小，整個(gè)預(yù)熱器系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常。由于燃料為褐煤，內(nèi)水較高，預(yù)熱器出口的風(fēng)量相對(duì)正常煙煤偏大。在設(shè)計(jì)產(chǎn)量下，預(yù)熱器出口溫度在315℃左右，壓力為-5 000Pa左右，出預(yù)熱器粉塵含量＜60g/m3（標(biāo)）。

旋噴結(jié)合的改進(jìn)型TDF分解爐運(yùn)行穩(wěn)定，爐內(nèi)煤粉著火和燃燒情況正常，無爆燃現(xiàn)象，煤粉燃盡度高，分解爐出口幾乎無CO（氣體分析儀顯示CO含量在0.02%以下），C5出口與爐出口溫度無倒掛現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)觀察，C5料管及煙室無未燃盡的煤粉火星。該分解爐對(duì)印尼高水分褐煤有很好的適應(yīng)性。

由天津院自主研發(fā)的萬噸級(jí)回轉(zhuǎn)窯，自投產(chǎn)以來運(yùn)行穩(wěn)定，雙齒輪系統(tǒng)運(yùn)行同步性好，托輪瓦溫正常，窯電流一般控制在500～700A。窯內(nèi)通風(fēng)正常，無窯內(nèi)結(jié)球、結(jié)圈現(xiàn)象，窯皮長(zhǎng)度正常。采用尾端擴(kuò)大技術(shù)后，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓損較小，煙室負(fù)壓一般在-200Pa左右。

圖5 窯頭收縮示意圖

圖6 典型的中控操作畫面

IKN篦冷機(jī)性能表現(xiàn)卓越，設(shè)備可靠性高，熟料冷卻效果好，對(duì)應(yīng)冷卻風(fēng)機(jī)電耗低。中控操作畫面見圖6。

5 現(xiàn)場(chǎng)熱工測(cè)試與熱平衡計(jì)算

5.1 溫度、壓力、氣體成分

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了燒成系統(tǒng)主要部位的溫度、壓力、氣體成分，結(jié)果見表5。從測(cè)試結(jié)果看，出預(yù)熱器煙氣溫度在315℃左右，預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率正常。分解爐出口CO含量很低，煤粉燃盡度較高。二次風(fēng)溫達(dá)到1 200℃以上，三次風(fēng)溫930℃，篦冷機(jī)的熱回收效率較好。另外，預(yù)熱器出口與分解爐出口O2含量相差較小，預(yù)熱器系統(tǒng)漏風(fēng)較少。

表5 溫度、壓力、氣體成分測(cè)試數(shù)據(jù)

表6 表面散熱測(cè)試結(jié)果

5.2 含塵濃度

考核期間，分兩次測(cè)試了出預(yù)熱器煙氣含塵濃度，結(jié)果分別為41.0g/m3（標(biāo)）和47.5g/m3（標(biāo)），根據(jù)含塵濃度測(cè)試結(jié)果計(jì)算，預(yù)熱器系統(tǒng)的收塵效率達(dá)到95%以上。

5.3 表面散熱

大規(guī)模的生產(chǎn)線，單位熟料對(duì)應(yīng)的表面積相對(duì)較小，表面散熱也相對(duì)較低。以回轉(zhuǎn)窯為例，萬噸級(jí)生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯（?6.0m×90m）較之5 500t/d規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯（?4.8m×72m），單位熟料對(duì)應(yīng)的表面積相對(duì)減少約15%，表面散熱相應(yīng)可減少約15%。P14項(xiàng)目考核期間，測(cè)試了設(shè)備表面溫度，并計(jì)算了表面散熱，結(jié)果見表6。

5.4 熱平衡計(jì)算

基于熱工測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)P14項(xiàng)目燒成系統(tǒng)進(jìn)行了熱平衡計(jì)算，結(jié)果見表7。平衡計(jì)算結(jié)果顯示，燒成系統(tǒng)熱耗在2 900.92kJ/kg熟料左右，與生產(chǎn)運(yùn)行過程中的煤耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本吻合。

表7 燒成系統(tǒng)熱量平衡表

表8 燒成系統(tǒng)2×72h性能考核結(jié)果

6 性能考核

窯系統(tǒng)性能考核于2016年9月進(jìn)行，考核前采用實(shí)物標(biāo)定，修正了生料秤和煤粉秤。按照合同要求，分兩次72h連續(xù)運(yùn)行考核?？己似陂g，生料投料量為680～700t/h，煤粉熱值為 20 900～22 990kJ/kg，兩次72h考核結(jié)果見表8。

7 結(jié)語

印尼海德堡P14萬噸線燒成系統(tǒng)，采用天津院新一代技術(shù)與裝備，窯尾預(yù)分解系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)窯均為天津院自主研發(fā)的萬噸級(jí)設(shè)備。針對(duì)大型化生產(chǎn)線的特殊性，并結(jié)合高水分原料和高水分褐煤的特點(diǎn)，生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)上采用了4/5級(jí)切換的第三代預(yù)熱器系統(tǒng)、旋噴結(jié)合的改進(jìn)型TDF分解爐、帶尾端擴(kuò)大和窯頭收縮的大規(guī)?；剞D(zhuǎn)窯等技術(shù)。從運(yùn)行考核結(jié)果看，熟料產(chǎn)量、燒成煤耗、電耗、NOx排放等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于合同要求，燒成系統(tǒng)一次性順利通過達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)考核，系統(tǒng)性能指標(biāo)為目前國(guó)際先進(jìn)水平。