高海拔地區(qū)水泥生產(chǎn)線的節(jié)能技術(shù)改造

馬嬌媚 ，何俊秀 ，俞為民 ，尚再國

1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于我國西部地區(qū)，海拔＞2 200m，原有兩條φ4m×60m三檔回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，配套5級(jí)單列預(yù)熱器、充氣梁二代篦冷機(jī)，生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在熟料熱耗高，分解爐燃燒、預(yù)熱器換熱、冷卻機(jī)熱回收效果差的問題，經(jīng)現(xiàn)場節(jié)能診斷后，決定對(duì)兩條生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，主要技術(shù)指標(biāo)的改造目標(biāo)值見表1。實(shí)施改造后兩條生產(chǎn)線的點(diǎn)火時(shí)間分別為2017年、2018年，與合同改造目標(biāo)基本相同。在一線的基礎(chǔ)上，二線改造方案進(jìn)行了局部細(xì)節(jié)優(yōu)化，本文主要對(duì)二線的節(jié)能改造做一簡要分析。

2 節(jié)能改造情況

2.1 改造范圍

根據(jù)熱工標(biāo)定的診斷結(jié)果，確定改造范圍為，從生料均化庫庫底至熟料庫入口為止的熟料生產(chǎn)線的節(jié)能環(huán)保改造（含煤粉制備、廢氣處理系統(tǒng)的物料流及氣體流）。主要改造內(nèi)容包括：生料均化庫及生料入窯改造、燒成窯尾預(yù)熱器及廢氣處理系統(tǒng)改造、燒成窯中及三次風(fēng)管改造、燒成窯頭篦冷機(jī)改造、煤粉制備及輸送系統(tǒng)改造、熟料輸送系統(tǒng)改造等。

2.2 改造亮點(diǎn)

結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線的實(shí)際情況，本技改方案因地制宜綜合應(yīng)用了低阻高效旋風(fēng)筒、低能耗技術(shù)、高能效低氮自脫硝技術(shù)、新型中置輥破篦冷機(jī)等新型二代干法水泥技術(shù)裝備的研發(fā)成果[1-2]。

2.2.1 采用系統(tǒng)性低阻力設(shè)計(jì)，降阻效果明顯

預(yù)熱器各級(jí)旋風(fēng)筒采用高效降阻型；各級(jí)撒料裝置更換為新型高效撒料盒，調(diào)整各級(jí)撒料裝置的安裝高度，提高物料分散程度及換熱效果；取消預(yù)燃室，加高分解爐，增大分解爐與C5連接的管道直徑；分解爐本體結(jié)構(gòu)未變，將鵝頸管上行管道向上延伸、直徑加大，出預(yù)熱器塔架部分改造為管道分解爐，整體爐容達(dá)到1 860m3；分解爐喂煤點(diǎn)增加至四個(gè)，上下梯度布置；C4下料管增加分料裝置；分解爐與三次風(fēng)管之間增加脫氮風(fēng)管，三次風(fēng)管直徑由φ2 300mm增加至φ2 500mm；窯尾煙室采用低阻力、低揚(yáng)塵設(shè)計(jì)。改造后，預(yù)熱器系統(tǒng)阻力下降了1 000Pa，節(jié)電效果較好。

2.2.2 采用第四代中置輥破篦冷機(jī)，提高余熱回收效率

第四代中置輥破篦冷機(jī)采用兩段傳動(dòng)，能夠合理控制料層厚度，穩(wěn)定系統(tǒng)熱工制度。改造前，二次風(fēng)溫不高（920℃～970℃）、拉鏈機(jī)上有大量的紅料（溫度約150℃）。改造后，運(yùn)行效果良好，出冷卻機(jī)熟料溫度為70℃～80℃，余熱電站AQC鍋爐進(jìn)口溫度較改造前提高約20℃，余熱發(fā)電量提高了約1kW·h/t熟料，二次風(fēng)溫提高了200℃以上，達(dá)到1 150℃～1 200℃，熟料溫度均低于環(huán)境溫度+65℃，熱回收效率大大提升，煤粉燃燒效果明顯改善。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)改造目標(biāo)值*

2.2.3 采用無氨脫硝技術(shù)

在三次風(fēng)管和分解爐之間增設(shè)脫氮風(fēng)管；利用脫氮管將部分三次風(fēng)引入分解爐上部，使分解爐下部產(chǎn)生貧氧區(qū)，促使CO產(chǎn)生，形成還原區(qū)；C4下料管入分解爐采用上下分料裝置，使分解爐內(nèi)形成高溫區(qū)；喂煤點(diǎn)上下多點(diǎn)布置，達(dá)到分級(jí)燃燒效果。

運(yùn)行后，不加氨水時(shí)的脫硝效率為48%，在不降低分解爐效率、降低煤耗的前提下，脫硝效果顯著。

2.2.4 預(yù)熱器采用新型納米隔熱材料

在預(yù)熱器、三次風(fēng)管等高溫部位使用納米隔熱材料替代原硅酸鈣板，使用納米隔熱材料后，筒體表面溫度降低了10℃～20℃，表面散熱減少。

2.2.5 加大三次風(fēng)管直徑

一線三次風(fēng)管的直徑為2 400mm，二線三次風(fēng)管的直徑為2 500mm，比一線增大了100mm，分解爐縮口的有效內(nèi)徑相對(duì)縮小至1 950mm。調(diào)整后，二、三次用風(fēng)比例可靈活調(diào)節(jié)，規(guī)避了一線因窯內(nèi)通風(fēng)過大造成的主電機(jī)電流高頻繁跳停的問題，窯爐通風(fēng)順暢，自點(diǎn)火投料后，水泥窯未發(fā)生過主電機(jī)電流過高引起的故障停機(jī)，窯運(yùn)轉(zhuǎn)率大大提升。

2.2.6 窯頭電收塵器改造為袋收塵器

改造后，窯頭粉塵顆粒物排放僅為3～6mg/m3（標(biāo)），較一線窯頭粉塵顆粒物排放15mg/m3（標(biāo)）下降了10mg/m3（標(biāo)）左右，實(shí)現(xiàn)了顆粒物超低排放；袋收塵器對(duì)窯系統(tǒng)工況波動(dòng)時(shí)的顆粒物排放適應(yīng)性強(qiáng)，降低了超標(biāo)排放風(fēng)險(xiǎn)；窯頭收塵灰斗下料器改為回轉(zhuǎn)鎖風(fēng)喂料器，杜絕了原重錘翻板閥鎖風(fēng)不嚴(yán)、漏風(fēng)嚴(yán)重的問題，減少了系統(tǒng)能耗。

2.2.7 其他設(shè)備改造

原燃燒器整體更換為Sinoswirl型燃燒器，提高回轉(zhuǎn)窯的煅燒能力；窯尾端部分筒體由4 000mm擴(kuò)徑到4 400mm；更換窯（長度10 950mm）的筒體，加強(qiáng)通風(fēng)；更換回轉(zhuǎn)窯耐火磚；改造窯尾密封及窯尾護(hù)板。其他改造包括：縮短煤磨烘干倉，增設(shè)V型烘干機(jī)；改造煤磨內(nèi)部結(jié)構(gòu)；更換高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)并采用變頻控制等。

2.3 二線優(yōu)化方案

一線技改于2016年底實(shí)施，2017年6月投產(chǎn)，二線2018年6月投產(chǎn)，二線燒成技改在利用第二代干法水泥技術(shù)裝備成果的同時(shí)，汲取了一線技改經(jīng)驗(yàn)，方案優(yōu)化主要體現(xiàn)在：

（1）煤粉管網(wǎng)的風(fēng)速提高，波動(dòng)減少，煤粉輸送順暢。

（2）優(yōu)化布置分解爐風(fēng)煤料，上移脫硝風(fēng)管，三次風(fēng)管主管道加大100mm，進(jìn)一步降低阻力，入口面積縮小，積灰減少并為脫硝風(fēng)管的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。

（3）分解爐中部設(shè)置縮口，塔架外管道設(shè)置縮口，加強(qiáng)了流體的混合，減少了塌料概率，提高了反應(yīng)效率。

（4）進(jìn)一步優(yōu)化旋風(fēng)筒的蝸殼，降阻的同時(shí)提高了分離效率，降低了預(yù)熱器出口溫度。

優(yōu)化后，避免了一線調(diào)試期間出現(xiàn)的問題，調(diào)試達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)時(shí)間更短，通過2019年1～10月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，二線標(biāo)煤耗比一線降低2kg/t熟料，燒成工序電耗降低2kW·h/t熟料，節(jié)能效果更好。

2.4 調(diào)試過程中解決的主要問題

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，存在熟料強(qiáng)度較低（48～49MPa）、脫硝風(fēng)管未投運(yùn)、預(yù)熱器易掉結(jié)皮、預(yù)熱器出口溫度較高等四個(gè)問題。分解爐下行管道內(nèi)結(jié)皮垮塌，大塊結(jié)皮掉入C5旋風(fēng)筒造成預(yù)熱器堵塞。對(duì)結(jié)皮與生料進(jìn)行取樣，其有害元素成分對(duì)比分析結(jié)果如表2所示。

從生料組分來看，氯含量偏高；從結(jié)皮的有害元素成分來看，K、S、Cl的含量均遠(yuǎn)超生料中的有害元素含量。這表明生料中的有害元素在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生了大量的循環(huán)富集，從而大大增加了局部結(jié)皮風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，有害元素的存在使得分解爐內(nèi)的物料易產(chǎn)生共融粘結(jié)，這會(huì)降低熟料的后期強(qiáng)度。為此，除了控制原料中有害成分的含量外，應(yīng)盡可能將分解爐出口溫度控制在較低范圍，提升分解爐主燃燒區(qū)溫度，優(yōu)化煤管位置，從而解決結(jié)皮堵塞的問題，改善燃燒，間接降低預(yù)熱器出口溫度，提升熟料強(qiáng)度。

表2 生料與結(jié)皮的有害元素成分對(duì)比，%

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試診斷后，又采取了以下措施，最終解決了調(diào)試過程中遇到的四個(gè)問題，系統(tǒng)達(dá)到了較好狀態(tài)：

（1）調(diào)試脫硝風(fēng)管，期間反復(fù)檢測各點(diǎn)氣體成分，調(diào)整拉風(fēng)，最后達(dá)到了合同要求的脫硝目標(biāo)。

（2）熟料通過四組分配料、加強(qiáng)煅燒后，強(qiáng)度逐步提高至54～55MPa。

（3）調(diào)整分解爐錐部兩個(gè)煤管位置的高度和角度，進(jìn)一步加強(qiáng)燃燒，從而提高了脫硝效果。

我們結(jié)合材料的種類或者主要功能把全園的室外活動(dòng)場地劃分為若干小區(qū)，如：球區(qū)、繩區(qū)、攀爬區(qū)、投擲區(qū)、跳躍區(qū)、平衡區(qū)等，同時(shí)在每個(gè)活動(dòng)區(qū)固定投放各種現(xiàn)成的或自制的運(yùn)動(dòng)器材，如：在平衡區(qū)投放平衡凳、易拉罐做的梅花樁、竹制高蹺、木制多人大腳板；在鉆爬區(qū)投放泡沫墊、大紙箱鉆洞、繩網(wǎng)、鉆圈；在跳躍區(qū)投放環(huán)保布跳袋、紙盒積木、紙板荷葉、障礙瓶跨欄等等，幼兒可以自由選擇同伴、自由選擇活動(dòng)區(qū)域、自由選擇運(yùn)動(dòng)器材自行練習(xí)走、跑、跳、鉆爬、投擲、平衡等動(dòng)作，教師則可以每天有重點(diǎn)的觀察孩子的動(dòng)作發(fā)展情況并給予個(gè)別指導(dǎo)和幫助。

（4）C1旋風(fēng)筒內(nèi)筒向下延長200mm圓臺(tái)，生料撒料盒下移，恢復(fù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)位置，增加撒料均勻性和沖擊力，從而降低了預(yù)熱器出口溫度。

3 改造效果

3.1 72h性能考核

按照合同約定，2018年7月對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)72h性能測試考核，性能考核結(jié)果見表3。由表3可知，標(biāo)煤耗、熟料工序電耗、無氨脫硝效率、熟料溫度指標(biāo)均優(yōu)于合同要求目標(biāo)，整體通過性能考核。

3.2 高海拔生產(chǎn)線的特殊性

3.2.1 海拔高度對(duì)大氣性能參數(shù)的影響

由于地心引力的作用，地球表面大氣層的分子密度隨海拔高度而變化，高度愈高，空氣密度愈稀，大氣壓也就愈小。按式（1）、（2）可以計(jì)算不同海拔高度處的大氣壓和空氣密度，該生產(chǎn)線海拔的高度為2 200m；大氣壓為77 530Pa，是海平面的76.5%；大氣密度為1.041kg/m3，是海平面的80.5%。

式中：

P——當(dāng)?shù)丨h(huán)境大氣壓，Pa

P0——海平面環(huán)境大氣壓，Pa

γ——當(dāng)?shù)丨h(huán)境大氣密度，kg/m3

H——海拔高度，km

3.2.2 海拔高度對(duì)碳酸鹽分解反應(yīng)的影響

分解爐中碳酸鈣分解反應(yīng)主要受控于化學(xué)反應(yīng)過程，其化學(xué)反應(yīng)是不消耗氧氣的反應(yīng)，因而其反應(yīng)速率與大氣壓的變化基本無關(guān)，海拔高度對(duì)碳酸鹽分解反應(yīng)的影響不大。在海拔2 000m處，碳酸鹽分解溫度為882℃，比海拔0m處分解溫度降低了7℃，分解熱也略有提高。

3.2.3 海拔高度對(duì)煤粉燃燒的影響

高海拔地區(qū)空氣稀薄，O2濃度下降，對(duì)燃料的著火時(shí)間、燃燒速率及燃燒溫度[3]均有一定影響。窯頭回轉(zhuǎn)窯除了要有足夠的長度，保證煤粉完成燃燒外，還必須從以下兩方面強(qiáng)化燃燒強(qiáng)度以提高燃燒溫度。一是采用先進(jìn)的大推力燃燒器，使燃燒器噴出的氣流有更大的動(dòng)量；二是采用先進(jìn)的冷卻機(jī)，保證較高的熱效率，以獲得盡可能高的助燃空氣溫度。對(duì)于分解爐煤粉燃燒，由于分解爐內(nèi)的燃燒溫度遠(yuǎn)低于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒溫度，所以燃燒溫度對(duì)煤粉的燃燒徹底程度的影響甚至比窯內(nèi)影響還大。為保證煤粉在分解爐內(nèi)完全燃盡，改造方案中優(yōu)先保證了煤粉在分解爐內(nèi)有比正常海拔地區(qū)更多的燃燒時(shí)間和足夠的燃燒溫度。本項(xiàng)目采用了分解爐燃燒區(qū)溫度易調(diào)節(jié)、氣體停留時(shí)間稍長的分解爐爐型。

表3 性能考核結(jié)果對(duì)比分析

圖1 改造前后節(jié)約煤耗、電耗及氨水用量的比例

3.3 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新建項(xiàng)目，本改造設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用多種新技術(shù)（如預(yù)熱器降阻改造、窯筒體尾端擴(kuò)徑、使用第四代中置輥破篦冷機(jī)、預(yù)熱器采用納米隔熱材料、無氨脫硝技術(shù)、三次風(fēng)管擴(kuò)徑、煤磨進(jìn)口前增加V型烘干機(jī)等），使項(xiàng)目投產(chǎn)后，預(yù)熱器系統(tǒng)阻力降低了約1 000Pa、溫度下降了20℃，標(biāo)煤耗降低15.2kg/t熟料、熟料電耗降低約6.1kW·h/t熟料、氨水噴入量降低0.25t/h，單位熟料氨水用量為1.9kg/t熟料，避免了目前主流的深度自脫硝技術(shù)改造方案因降低分解爐的效率、不完全燃燒等影響煤耗的情況。本次改造中，各項(xiàng)控制參數(shù)和性能指標(biāo)較改造前有了較大改觀，從設(shè)計(jì)角度看，本次項(xiàng)目改造總體上達(dá)到了改造目標(biāo)。圖1給出了改造目標(biāo)值、改造后的實(shí)際運(yùn)行值與改造前的數(shù)據(jù)對(duì)比。改造后，標(biāo)煤耗下降12%、節(jié)電15%、氨水用量減少48%，各項(xiàng)指標(biāo)均有較大幅度的提升。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

本次節(jié)能減排技改效果達(dá)到了業(yè)主的預(yù)期，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了合同要求，單位熟料生產(chǎn)成本降低了12%以上，經(jīng)濟(jì)效益較好。項(xiàng)目實(shí)施后，窯頭粉塵顆粒物排放7.1mg/m3（標(biāo)），窯尾8.4mg/m3（標(biāo)），按環(huán)保顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)要求30mg/m3（標(biāo)），年可減少顆粒物排放約500t。能耗下降后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.3萬噸，相當(dāng)于減少CO2溫室氣體排放3.5萬噸，通過應(yīng)用自脫硝技術(shù)，每年可減少氨水消耗1 800t，環(huán)保效益顯著。

4 結(jié)語

通過對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行節(jié)能診斷，并充分考慮高海拔對(duì)于熟料燒成的影響，應(yīng)用近兩年二代新型干法水泥技術(shù)裝備的研發(fā)成果，有針對(duì)性地實(shí)施了節(jié)能減排技術(shù)改造，達(dá)到了預(yù)期改造效果。高海拔地區(qū)的生產(chǎn)原理、節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)以及與能耗限額標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)標(biāo)，特別是海拔對(duì)能耗、產(chǎn)量、環(huán)保的影響值得深入研究。