淺析燒成系統(tǒng)主要裝備優(yōu)化改造的途徑

劉春楊

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司，安徽合肥 230051）

0 引言

隨著水泥工業(yè)生產(chǎn)工藝、機(jī)械設(shè)備和電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，水泥熟料燃燒技術(shù)和設(shè)備水平的飛速發(fā)展，水泥生產(chǎn)技術(shù)具有生產(chǎn)率高的特點(diǎn)。高能耗、低能耗、自動(dòng)化、低污染，逐步向綠色智能水泥制造方向發(fā)展，水泥工業(yè)設(shè)備屬于大型生產(chǎn)設(shè)備，采用先進(jìn)的水泥技術(shù)，建設(shè)具有先進(jìn)節(jié)能環(huán)保指標(biāo)的生產(chǎn)線，重大投資組合以及減少土地利用的原則，拆除舊線路仍需成本。

1 燒成裝備對(duì)熟料提產(chǎn)降耗的影響

1.1 熟料燒成熱耗影響因素

水泥燒結(jié)系統(tǒng)是新型干法水泥生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，也是主要的能耗環(huán)節(jié)，主要是熱耗和能耗。關(guān)于熱量消耗，主要是預(yù)熱原料分解、熟料煅燒、系統(tǒng)各設(shè)備散熱等。能耗主要包括輸氣風(fēng)機(jī)進(jìn)出口能耗。材料運(yùn)輸設(shè)備和煅燒設(shè)備熟料，預(yù)分解系統(tǒng)的熱量主要來(lái)自燃料。新型旋風(fēng)預(yù)熱器干燥生產(chǎn)線部分零件熱校驗(yàn)數(shù)據(jù)分析烘干生產(chǎn)線的爐膛系統(tǒng)熱利用率一般在51%～60%之間。

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可知，熟料成型的熱耗主要是燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，主要是熱熟料成型排放系統(tǒng)所需的熱耗，以及預(yù)熱器排氣、廢熱等余熱耗。冷卻器出口設(shè)備的表面熱量和冷、熱熟料的損失，降低熱耗，節(jié)約燃料，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵。因此，應(yīng)盡量減少余熱預(yù)熱器出口的熱損失。從熟料和尾氣到冷卻器出口和表面冷卻系統(tǒng)，找出降低熟料生產(chǎn)線熱消耗的方法。

1.2 熟料燒成產(chǎn)量影響因素

影響水泥生產(chǎn)線運(yùn)行的因素、水泥生產(chǎn)系統(tǒng)（如原料燃料特性、設(shè)備容量和適用性）、操作參數(shù)（如點(diǎn)火系統(tǒng)中的任何環(huán)節(jié)）都可能影響熟料的生產(chǎn)。因此，在原有燃料參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，盡可能達(dá)到二次消耗的目的，燒結(jié)系統(tǒng)設(shè)備主要由預(yù)熱器、分解爐等組成。從煙氣室、爐膛系統(tǒng)、燃燒器、三次風(fēng)管、冷卻器等方面分析各關(guān)鍵設(shè)備對(duì)燒結(jié)系統(tǒng)的影響。

1.2.1 回轉(zhuǎn)窯及燃燒器

水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過(guò)程中熟料燃燒和保溫的關(guān)鍵設(shè)備。水泥回轉(zhuǎn)窯的裝填速度、窯體的熱強(qiáng)度和傳熱性能直接影響回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)能力。保證熟料燃燒煤粉是保證爐膛合理裝填率的關(guān)鍵。如果裝填率過(guò)大，爐膛通風(fēng)會(huì)降低，不利于提高煤粉燃燒和煅燒的溫度。充填速率開(kāi)始導(dǎo)致熟料停留時(shí)間過(guò)短，熟料礦物反應(yīng)不足，且難以實(shí)現(xiàn)。合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化爐膛燃燒器也是影響爐膛生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。傳熱火焰爐是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合傳熱過(guò)程。但最終的結(jié)果是燃燒火焰通過(guò)輻射和對(duì)流直接或間接（通過(guò)爐內(nèi)壁）傳播到爐料上，從而完成熟料窯的排放。例如，在燃煤回轉(zhuǎn)窯中，煤粉燃燒火焰和吸收的輻射能不包括氮、氧和空氣等透明介質(zhì)。二氧化碳和水的原子氣體排放量是炭的2～3 倍，焦炭顆粒對(duì)火焰的影響遠(yuǎn)大于炭顆粒。根據(jù)火焰的黑度和煤的燃燒率，最大火焰黑度與燃燒率的關(guān)系為0.4～0.5。因此，對(duì)火焰形狀進(jìn)行調(diào)整。減少煤粉燃燒時(shí)間，提高燒結(jié)區(qū)火焰溫度和傳熱能力是增強(qiáng)熟料煅燒效果保證[1]。

1.2.2 預(yù)熱器

窯外預(yù)分解技術(shù)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熟料產(chǎn)量，大大降低了回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熱耗，水泥漿與高溫煤氣預(yù)熱器之間的換熱可以最大限度提高土壤的溫度。各級(jí)旋風(fēng)管的范圍合理。優(yōu)化煙氣旋流管的流場(chǎng)，改善原料和均勻措施，提高旋流管的傳熱效率。預(yù)熱器強(qiáng)度與高溫風(fēng)機(jī)參數(shù)的匹配也是影響熟料收率的關(guān)鍵因素。在當(dāng)前預(yù)熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，熟料窯系統(tǒng)出口的增加將增加預(yù)熱器煙氣量、預(yù)熱器關(guān)鍵部件風(fēng)速和預(yù)熱器強(qiáng)度。這可能導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)容量與產(chǎn)后預(yù)熱器參數(shù)的增加不匹配。因此，預(yù)熱器運(yùn)行參數(shù)與高溫風(fēng)機(jī)容量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是保證機(jī)組正常運(yùn)行的重要保證。減少水泥窯的消耗，在進(jìn)行能源技術(shù)改造、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生產(chǎn)工藝改造時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)熱器的作用，以適應(yīng)高溫風(fēng)機(jī)的同步改造。

1.2.3 分解爐及煙室

煅燒爐是水泥燒成系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，主要負(fù)責(zé)水泥窯尾燃料的燃燒和碳酸鈣的分解，主要效率指標(biāo)是燃料燃燒率，原料的熱分布和碳酸鈣的分解速率。同時(shí)，煅燒爐的性能指標(biāo)直接影響熟料的產(chǎn)量、燒結(jié)能耗和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，有效通風(fēng)面積是平衡二、三次風(fēng)的重要因素。二次風(fēng)量直接影響煤粉燃燒過(guò)程中火焰的熱強(qiáng)度。由于煙室面積小，爐后可能出現(xiàn)爐內(nèi)通風(fēng)不良、二次揚(yáng)塵、結(jié)皮等問(wèn)題。合理增加爐膛有效通風(fēng)面積，對(duì)提高爐膛系統(tǒng)產(chǎn)量，降低爐膛系統(tǒng)能耗起著關(guān)鍵作用。

2 水泥燒成裝備熟料降耗優(yōu)化途徑

燒成系統(tǒng)主要從降低預(yù)熱器阻力、增強(qiáng)預(yù)熱器換熱效果、提高冷卻機(jī)熱回收效率等方面著手分析，設(shè)計(jì)出合理的改造方案，從而達(dá)到優(yōu)化燒成系統(tǒng)的目的。

2.1 降低預(yù)熱器阻力

預(yù)熱器強(qiáng)度對(duì)提高熟料產(chǎn)量起著重要作用，預(yù)熱器完成了水泥原料與窯尾高溫?zé)煔獾膿Q熱。合理的固氣比更高的分離效率預(yù)熱器內(nèi)的高熱量是降低熟料。隨著熟料產(chǎn)量的增加，通過(guò)預(yù)熱器的煙氣量增加。在保證旋風(fēng)分離器分離效率的前提下，預(yù)熱系統(tǒng)的阻力將大大提高。預(yù)熱器強(qiáng)度與高溫風(fēng)機(jī)參數(shù)的匹配也是影響熟料產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。因此，通過(guò)優(yōu)化預(yù)熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低高溫風(fēng)機(jī)的負(fù)荷是提高熟料產(chǎn)量、節(jié)約能源的有效途徑之一。預(yù)熱器強(qiáng)度是預(yù)熱器風(fēng)速和氣固比共同作用的結(jié)果。但氣固比降低旋風(fēng)阻力往往是改造預(yù)熱器的關(guān)鍵。影響預(yù)熱器筒體強(qiáng)度的主要因素有：入口尺寸、結(jié)構(gòu)形式、預(yù)熱汽缸尺寸、渦流氣體濃度、煙氣粉塵濃度、預(yù)熱汽缸變形、粘附或積聚等優(yōu)化進(jìn)口尺寸、結(jié)構(gòu)形式和旋風(fēng)管尺寸，通過(guò)合理控制風(fēng)速，設(shè)計(jì)無(wú)積垢、管內(nèi)流體流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，可以降低各預(yù)熱系統(tǒng)的阻力。

2.2 增強(qiáng)預(yù)熱器換熱效果

在水泥生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行中，在優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的前提下，影響預(yù)熱器傳熱效果的因素主要有以下方面：

2.2.1 預(yù)熱器

水泥原料和高溫氣體之間的熱交換在預(yù)熱器中，換熱次數(shù)增加，預(yù)熱器煙氣溫度降低。一般預(yù)熱系統(tǒng)，計(jì)算和實(shí)踐得到預(yù)熱器的預(yù)熱階段與預(yù)熱器出口溫度，提高預(yù)熱器可以提高傳熱效率，但阻力也會(huì)增加，從而增加相應(yīng)的耗氧量，必須在傳熱效果和系統(tǒng)能耗之間取得平衡。

2.2.2 粉料在管道內(nèi)的懸浮狀況

在旋風(fēng)預(yù)熱器中進(jìn)行氣固兩相懸浮換熱，由于排氣溫度不高，輻射換熱不太重要。主要的傳熱是通過(guò)對(duì)原料粉從進(jìn)料口加入料堆中，如果部分粉末未完全展開(kāi)，則該部分粉末不能懸浮在熱空氣中，落入一級(jí)旋風(fēng)分離器中。較低的水平，因此失去較高單位換熱的機(jī)會(huì)，從而減少預(yù)熱器內(nèi)的傳熱，這肯定會(huì)影響氣體固體的熱效率。

2.2.3 散熱損失和漏風(fēng)量

設(shè)備表面熱損失和漏風(fēng)是影響設(shè)備預(yù)熱效果的因素，更多預(yù)熱系統(tǒng)表面散熱大，需要更多的熱量補(bǔ)充預(yù)熱材料的溫度，以保持更高的溫度，能量消耗通常通過(guò)更大的燃燒來(lái)補(bǔ)償燃料。此外，預(yù)熱系統(tǒng)漏風(fēng)量越大通過(guò)預(yù)熱器漏氣加熱消耗熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)熱消耗增加，隨著分散效果、分離效率、熱損失和漏風(fēng)量的增加，材料的預(yù)熱效果可以在一定程度上得到改善，這些因素的影響逐漸減小。預(yù)熱器旋風(fēng)分離器的優(yōu)化改造應(yīng)在全面分析預(yù)熱器熱影響因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行。改造后的預(yù)熱器應(yīng)盡可能增強(qiáng)物料的分散效果，增加物料與熱風(fēng)的換熱時(shí)間，提高旋風(fēng)分離器的分離效率，減少漏風(fēng)，增強(qiáng)隔熱效果，以提高熱效率整個(gè)預(yù)熱器。

2.3 提高冷卻機(jī)熱回收效率

高溫熟料進(jìn)入冷卻器后，通過(guò)移動(dòng)冷卻器的板料，逐漸分散在篦床上。同時(shí)，冷卻空氣從下到上通過(guò)格柵進(jìn)入熟料層，熱量通過(guò)氣體系統(tǒng)傳遞固體。熟料冷卻，冷空氣加熱，加熱的熱風(fēng)為窯頭、窯尾燃料燃燒提供熱風(fēng)。在熟料顆粒冷卻氣流相交垂直。根據(jù)傳熱理論，只有當(dāng)氣固兩相流對(duì)流，在一定的格柵和緩沖條件下，保持適當(dāng)?shù)睦鋮s風(fēng)量和壓力是保證傳熱效率的重要因素。燒結(jié)條件、高溫、空氣溫度度大，傳熱速度快，熟料燒結(jié)溫度和冷空氣溫度梯度降低產(chǎn)品，特別是當(dāng)冷卻達(dá)到一半時(shí)，熟料的冷卻趨勢(shì)變得非常慢。因此，在設(shè)計(jì)冷卻器時(shí)，冷卻器前部的風(fēng)量應(yīng)增加到一定程度，以保證熟料的快速冷卻和二次風(fēng)溫度的升高。二、三次風(fēng)溫度升高的原因是機(jī)組熱風(fēng)量引入爐膛增加熱量，降低爐膛耗煤量，在保持相同余風(fēng)系數(shù)的前提下，煤粉燃燒所需的二、三次風(fēng)相應(yīng)減少。在熱平衡理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，給出了提高冷卻器熱回收效率、二、三次風(fēng)溫度與熟料燒結(jié)熱耗的關(guān)系，二、三次風(fēng)溫度越高，熟料燒結(jié)熱耗越大。冷卻器的熱回收效率越高，相應(yīng)的熱耗越低，冷卻器改造后降低熟料燒成熱耗的效果主要是二次、三次風(fēng)進(jìn)風(fēng)熱量的增加在系統(tǒng)中。因此，二、三次風(fēng)溫升高是衡量冷卻器改造效果的重要指標(biāo)。

在水泥生產(chǎn)企業(yè)中，通過(guò)對(duì)預(yù)分解窯預(yù)熱系統(tǒng)效率的分析和物料平衡，掌握窯系統(tǒng)能耗的分布情況，找出影響預(yù)分解窯預(yù)熱系統(tǒng)節(jié)能原因。找出爐膛系統(tǒng)的消耗量，確定爐膛系統(tǒng)的改造方向和確定方法，并通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)爐膛系統(tǒng)的消耗量。

3 結(jié)束語(yǔ)

終上所述，在充分利用原有的新型干法水泥生產(chǎn)線上，采用先進(jìn)技術(shù)改造原有設(shè)備，提高產(chǎn)量，降低成本，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。消費(fèi)水泥燒結(jié)系統(tǒng)是水泥工業(yè)的基礎(chǔ)系統(tǒng)以及決定能源消耗和能源質(zhì)量的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。提高產(chǎn)量、減少消耗是發(fā)展水泥工業(yè)的有效途徑。提高現(xiàn)有燒結(jié)系統(tǒng)的產(chǎn)量，降低能耗，達(dá)到環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。