電石渣制水泥生產(chǎn)線優(yōu)化升級改造

曹海濤，楊蒙

我公司2 500t/d 電石渣制水泥熟料生產(chǎn)線于2012 年投產(chǎn)，以二級預(yù)熱器出口約580℃的廢氣為熱源烘干主鈣質(zhì)料濕電石渣。自投產(chǎn)以來，生產(chǎn)線存在水泥窯結(jié)圈、預(yù)熱器結(jié)皮堵塞頻繁、出篦冷機(jī)熟料溫度過高、電石渣輸送及烘干破碎系統(tǒng)故障多、無法滿足NOX超低排放標(biāo)準(zhǔn)等諸多問題。

電石渣制水泥生產(chǎn)線的原料特性與常規(guī)石灰石制水泥生產(chǎn)線的原料特性不同，二者的生產(chǎn)工藝也有較大差異，且國內(nèi)電石渣制水泥生產(chǎn)線較少，生產(chǎn)工藝不成熟，可借鑒經(jīng)驗(yàn)較少。近年來，我公司不斷摸索實(shí)踐、總結(jié)分析，制定了一系列優(yōu)化改進(jìn)技術(shù)措施，較好地解決了長期困擾電石渣制水泥生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的難題。

1 解決預(yù)熱器結(jié)皮堵塞及窯結(jié)后圈工藝問題

1.1 氯、硫有害組分形成的原因分析

電石渣制水泥與石灰石制水泥的一個重要區(qū)別是電石渣帶入的氯離子比常規(guī)石灰石制水泥生產(chǎn)線要高。氯離子在分解爐內(nèi)與CaO 反應(yīng)生成氯化鈣，氯化鈣在固相反應(yīng)區(qū)或更高溫度下與堿反應(yīng)生成氯化堿。氯主要以氯化堿化合物的形態(tài)揮發(fā)，生成的氯化鉀沸點(diǎn)低、揮發(fā)率高，可以直接由固態(tài)升華為氣態(tài)揮發(fā)，經(jīng)多次循環(huán)富集后，濃度逐步升高。

電石渣制水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，由原燃料帶入的硫，在分解爐內(nèi)被碳酸鈣分解產(chǎn)生的堿性氧化物吸收（如CaO等），形成硫酸鹽進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯。部分硫酸鹽在回轉(zhuǎn)窯高溫區(qū)域發(fā)生分解，分解產(chǎn)生的SO2再次進(jìn)入分解爐并被爐內(nèi)的CaO等堿性氧化物吸收，由此形成硫在分解爐-回轉(zhuǎn)窯的高溫循環(huán)。

1.2 預(yù)熱器結(jié)皮及窯結(jié)圈原因分析

在氯化堿與硫酸鹽等組成的多組分系統(tǒng)中，最低共熔點(diǎn)為650℃～700℃，以熔融態(tài)粘附在預(yù)熱器內(nèi)物料表面，形成液相粘膜。隨著溫度的升高，液相粘膜粘附性增大，對末級旋風(fēng)筒入窯熱生料的溫度變化尤為敏感。入窯熱生料溫度偏高，會造成預(yù)熱器結(jié)皮加劇，極易產(chǎn)生堵塞[1]。分解爐-回轉(zhuǎn)窯有害組分的循環(huán)富集，導(dǎo)致入窯熱生料的有害組分含量偏高，增大了入窯物料的液相量，改變了物料的液相粘度。當(dāng)入窯物料成分波動大時，窯內(nèi)火焰會發(fā)生伸長與縮短的往復(fù)變化，分解的物料與液相不斷混合，造成燒成帶末端的窯皮不斷增厚，進(jìn)而發(fā)展為后結(jié)圈。

1.3 預(yù)熱器結(jié)皮及窯結(jié)圈改進(jìn)控制措施

1.3.1 優(yōu)化入窯表觀分解率計(jì)算方法

在分解爐出口溫度為950℃的情況下，檢測入窯表觀分解率時，因入窯熱生料所含KCl組分已揮發(fā)，導(dǎo)致該溫度下檢測的分解率偏低，對實(shí)際操作控制易產(chǎn)生誤導(dǎo)。在評估實(shí)際入窯分解率時，應(yīng)考慮測試時KCl揮發(fā)對檢測數(shù)據(jù)的影響。

入窯熱生料的化學(xué)成分檢測數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：K2O+CaCl2=2KCl+CaO，由表1中的Cl-含量可推算出KCl含量為4.65%，實(shí)際入窯分解率應(yīng)在檢測值基礎(chǔ)上加4.65%。入窯熱生料有害組分含量與對應(yīng)分解爐出口溫度控制值如表2所示。鑒于有害組分含量高時，預(yù)熱器結(jié)皮對溫度的敏感狀況，實(shí)際生產(chǎn)時，應(yīng)根據(jù)入窯熱生料有害組分總量的高低，控制分解爐出口溫度。

表1 入窯熱生料的化學(xué)成分檢測數(shù)據(jù)，%

表2 入窯熱生料有害組分含量與對應(yīng)分解爐出口溫度控制值

1.3.2 改善物料易燒性

通過在生料配料中引入礦山廢渣、鐵選礦污泥等原料，降低生料配料中易燒性較差的河沙用量，適當(dāng)降低生料細(xì)度、熟料硅率，降低燒成溫度，減少硫、氯的揮發(fā)。

1.3.3 燃燒器采用中心定位

避免煤粉落入熟料中，造成局部還原氣氛，加劇硫酸鹽的揮發(fā)。

1.3.4 增加氣體分析儀，實(shí)時監(jiān)測參數(shù)變化

（1）增加窯尾煙室高溫氣體分析儀，確保窯內(nèi)氧化氣氛，實(shí)時檢測窯尾煙室的CO、NO、SO2和O2含量，正常操作時，CO≤0.05%、1 100ppm≤NO≤1 500ppm、SO2≤50ppm、3%≤O2≤5%。

（2）每2h 檢測一次熟料及入窯熱生料的SO3、K2O、Na2O 和Cl-含量，實(shí)時掌握硫、氯的揮發(fā)率變化情況。若熱生料SO3、K2O、Na2O、Cl-含量升高且熟料中SO3、K2O、Na2O、Cl-含量降低，說明窯內(nèi)的硫、氯揮發(fā)率在升高，需及時進(jìn)行調(diào)整。

通過采取以上技術(shù)措施，降低了有害組分在系統(tǒng)內(nèi)的揮發(fā)率，輔之以數(shù)據(jù)監(jiān)測和參數(shù)控制，有效解決了預(yù)熱器結(jié)皮堵塞和窯結(jié)后圈問題。

2 窯頭燃燒器改造

2.1 窯頭燃燒器存在的問題

（1）窯頭燃燒器設(shè)計(jì)規(guī)格偏大，燃煤能力10～12t/h，生產(chǎn)過程中，窯頭實(shí)際用煤量為5.5～6.0t/h。工作狀態(tài)下，一次風(fēng)用量達(dá)17.8%，摻入冷風(fēng)多，造成煤耗升高。

（2）窯頭燃燒器在煅燒過程中，火焰溫度低，對生料的波動適應(yīng)性較差。當(dāng)生料KH值或SM值稍偏高，游離氧化鈣即偏高。游離氧化鈣合格率偏低，燒成帶末端易結(jié)厚窯皮。

2.2 窯頭燃燒器改造方案

經(jīng)對比分析國內(nèi)各燃燒器產(chǎn)品情況，結(jié)合電石渣生產(chǎn)線所使用的原煤煤質(zhì)情況和生料成分波動大的特點(diǎn)，改造時選用高推力、一次風(fēng)量為8%～10%的燃燒器。雖然一次風(fēng)過剩會造成熱耗增加，但一次風(fēng)風(fēng)量適當(dāng)偏大的燃燒器的抗干擾能力強(qiáng)、推力大、火力強(qiáng)勁，能提高煤粉燃盡率、燒成溫度和產(chǎn)量[2]，與當(dāng)前生產(chǎn)線現(xiàn)狀相匹配。窯頭燃燒器改造方案如下：

（1）將燃燒器整體更換為五風(fēng)道煤粉燃燒器。

（2）更換一臺窯頭一次風(fēng)機(jī)，流量76m3/min（正常使用50m3/min），壓力58.6kPa，功率110kW，更換相應(yīng)電氣設(shè)備。

（3）新增一臺平衡風(fēng)機(jī)，風(fēng)量1 485m3/h，全壓11 439Pa，電動機(jī)型號Y160M2-2，功率11kW。

（4）更換窯頭送煤管道，管道內(nèi)徑由194mm 改為180mm。

五風(fēng)道煤粉燃燒器投入使用后，對生料的波動適應(yīng)性增強(qiáng)，熟料升重增加，游離氧化鈣合格率提升，窯燒成帶末端長厚窯皮的問題得到解決。

3 篦冷機(jī)系統(tǒng)鼓風(fēng)及排風(fēng)等關(guān)鍵部位改造

現(xiàn)使用篦式冷卻機(jī)型號為TC-1168，生產(chǎn)能力2 800t/d，出料溫度65℃+環(huán)境溫度。受窯提產(chǎn)及設(shè)備磨損老化影響，熟料冷卻效果變差，系統(tǒng)熱回收效率降低。通過新增窯頭廢氣處理系統(tǒng)，優(yōu)化改造篦冷機(jī)本體，實(shí)現(xiàn)了高效生產(chǎn)。

3.1 窯頭廢氣處理改造

3.1.1 改造必要性

該生產(chǎn)線窯頭未配置廢氣處理系統(tǒng)及余熱發(fā)電系統(tǒng)，窯頭廢氣一部分與預(yù)熱器廢氣匯合后入烘干破碎系統(tǒng)，用于補(bǔ)充預(yù)熱器廢氣電石渣烘干用風(fēng)，烘干電石渣后經(jīng)窯尾袋收塵器處理后排空；一部分用于煤磨烘干用風(fēng)，經(jīng)煤磨袋收塵器處理后排空；另一部分用于生料磨烘干用風(fēng)，經(jīng)生料磨收塵器處理后排空。

篦冷機(jī)廢氣為含氧量21%的空氣，入窯尾后氧含量高達(dá)12%以上，窯尾在線監(jiān)測煙塵折算值高，無法滿足≤5mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)。上游化工企業(yè)對壓濾工藝進(jìn)行升級改造后，電石渣水分由40%降至32%，預(yù)熱器余熱已能夠滿足電石渣的烘干。在此情況下，封堵了窯頭廢氣直接進(jìn)入烘干破碎系統(tǒng)的通道，導(dǎo)致篦冷機(jī)余風(fēng)排放能力減小，篦冷機(jī)鼓風(fēng)受限，冷卻能力不足，在生產(chǎn)過程中，熟料溫度經(jīng)常在200℃以上，對篦冷機(jī)篦板、熟料輸送設(shè)備的安全運(yùn)行均帶來了隱患，對后續(xù)水泥生產(chǎn)也帶來了不利影響，氣溫高時，回轉(zhuǎn)窯被迫減產(chǎn)。

3.1.2 改造方案

新增一套窯頭廢氣降溫與除塵系統(tǒng)，提高窯頭廢氣處理能力。在現(xiàn)有窯頭二層平臺上的空地新增一臺空冷器，在電力室與窯頭槽式輸送機(jī)之間的空地新增一套收塵器及風(fēng)機(jī)。新增設(shè)備布置如圖1～圖3所示。部分窯頭高溫廢氣先通過空冷器降溫，再進(jìn)入新建的袋式除塵器除塵后排空。主機(jī)設(shè)備參數(shù)如下：

圖1 新增設(shè)備布置平面圖

圖2 新增設(shè)備布置剖面圖1

圖3 新增設(shè)備布置剖面圖2

（1）新增空冷器：處理風(fēng)量150 000Nm3/h，入口溫度≤350℃，出口溫度≤200℃。

（2）新建收塵器：處理風(fēng)量125 000m3/h，正常廢氣溫度≤200℃，排放濃度≤10mg/Nm3。

（3）新建風(fēng)機(jī)：處理風(fēng)量130 000m3/h，靜壓-3 000Pa，電機(jī)功率180kW。

3.2 篦冷機(jī)本體優(yōu)化改造

3.2.1 一段固定篦床改造

篦冷機(jī)性能主要取決于篦床系統(tǒng)運(yùn)行效率，因而篦冷機(jī)改造的核心就是改造篦床。細(xì)化篦床供風(fēng)單元、優(yōu)化篦板形式及配風(fēng)合理性是提高篦床性能的主要手段。

篦冷機(jī)的本體改造主要是針對固定篦床急冷高溫段（即一段），具體改造部位如圖4紅圈區(qū)域所示。原設(shè)備外殼體、底部框架保持不變，拆除原有固定篦床（5排固定充氣梁、35塊篦板、10塊盲板），更換為新型急冷充氣箱，重新布置原一室3臺風(fēng)機(jī)篦下充氣管道。急冷充氣箱采用分區(qū)供風(fēng)，每一塊篦板均配置管道風(fēng)量平衡閥，改變物料離析導(dǎo)致的料層阻力不均勻進(jìn)而影響供風(fēng)的現(xiàn)象。將固定篦床分為3個獨(dú)立的供風(fēng)單元，由橫向供風(fēng)改為縱向供風(fēng)。改造后的高溫段固定篦床結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 固定篦床急冷高溫段

圖5 改造后的高溫段固定篦床結(jié)構(gòu)

3.2.2 一段風(fēng)機(jī)擴(kuò)容改造

利用電石渣生產(chǎn)的水泥熟料結(jié)粒細(xì)，通風(fēng)阻力大，一段風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流普遍偏低，存在一段鼓風(fēng)能力不足且風(fēng)機(jī)效率偏低的問題。利用高效風(fēng)機(jī)對篦冷機(jī)一段的4 臺充氣梁風(fēng)機(jī)和二室風(fēng)機(jī)進(jìn)行替換性改造，改造后風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率略有增加，篦冷機(jī)一段風(fēng)機(jī)改造前后的參數(shù)對比如表3所示。

表3 篦冷機(jī)一段風(fēng)機(jī)改造前后的參數(shù)對比

通過上述改造，篦冷機(jī)熱回收效率提升，二、三次風(fēng)溫提高，鼓風(fēng)能力和排風(fēng)能力提升，解決了篦冷機(jī)因冷卻風(fēng)量不足造成熟料溫度偏高的問題，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 電石渣輸送設(shè)備優(yōu)化改造

上游提供電石渣原料的化工企業(yè)對壓濾工藝進(jìn)行了升級改造，電石渣水分由40%降至32%，水分的降低使電石渣物理特性發(fā)生改變，原有水泥生產(chǎn)配套的輸送設(shè)備已不適應(yīng)生產(chǎn)需求，設(shè)備運(yùn)行功率增加，卡堵事故頻發(fā)。通過優(yōu)化改造輸送設(shè)備，降低了輸送系統(tǒng)能耗，提升了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

4.1 電石渣刮板機(jī)改造

4.1.1 改造必要性

壓濾工藝升級改造后，電石渣水分由40%降至32%，壓濾機(jī)下方的刮板機(jī)經(jīng)?！皦骸彼溃S修時間較長，導(dǎo)致輸送設(shè)備不能正常輸送電石渣，影響烘干破碎系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，需開啟管道噴水，以降低廢氣溫度，但此舉易引發(fā)廢氣管道結(jié)壁，從而影響系統(tǒng)通風(fēng)，甚至造成塌料，壓停烘干破碎機(jī)。

4.1.2 改造方案

拆除刮板機(jī)，在鋼構(gòu)廊道增加兩排承重鋼梁，加寬兩側(cè)鋼構(gòu)廊道，截短壓濾機(jī)下料倉；安裝膠帶輸送機(jī)，重新制作下料倉，在兩側(cè)安裝導(dǎo)料護(hù)皮。

以上改造很好地解決了電石渣輸送不穩(wěn)定及因電石渣不能及時輸送導(dǎo)致的烘干破碎系統(tǒng)不能連續(xù)運(yùn)行等問題。

4.2 烘干破碎喂料鎖風(fēng)雙管螺旋輸送機(jī)改造

4.2.1 改造必要性

烘干破碎喂料鎖風(fēng)雙管螺旋輸送機(jī)在輸送電石渣時經(jīng)常發(fā)生壓死、斷料、掉葉片、斷軸等事故，尤其在電石渣水分降低后，故障更加頻繁，對生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成極大影響，需停機(jī)檢修，費(fèi)時、費(fèi)力且浪費(fèi)能源。

4.2.2 改造方案

拆除原有雙管螺旋輸送機(jī)設(shè)備，更換為密封板式定量給料機(jī)。根據(jù)擬更換密封板式定量給料機(jī)結(jié)構(gòu)及尺寸，利用現(xiàn)場空間建設(shè)土建基礎(chǔ)及非標(biāo)框架，在此基礎(chǔ)上安裝密封板式定量給料機(jī)和稱重料倉。通過設(shè)定稱重料倉倉重，適時調(diào)整給料機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)自動控制下料功能，稱重料倉料封后，可以有效防止系統(tǒng)漏風(fēng)，最終確保物料連續(xù)穩(wěn)定輸送。密封板式定量給料機(jī)實(shí)物照片如圖6所示，改造后的下料示意如圖7所示。

圖6 密封板式定量給料機(jī)實(shí)物照片

圖7 改造后的下料示意

改造完成后，電機(jī)功率由90kW降至11.95kW，且料封效果顯著，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能降耗，減少了不必要的停機(jī)次數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行更加高效。

5 預(yù)分解系統(tǒng)分級燃燒改造

電石渣制水泥生產(chǎn)線由于電石渣原料供應(yīng)量不足，加入了20%左右的石灰石，原材料有害組分含量高，分解爐控制溫度偏低，實(shí)際入窯的物料分解率僅有90%～92%。窯內(nèi)煅燒負(fù)荷大，窯尾煙室NOX含量高，在控制窯尾NOX排放＜100mg/Nm3的情況下，噸熟料氨水用量5.5kg，熟料成本升高，需對分解爐分級燃燒工藝進(jìn)行改造，降低NOX排放。

5.1 分級燃燒改造技術(shù)路線

拆除原雙路三次風(fēng)管，改為單路側(cè)旋進(jìn)風(fēng)，將三次風(fēng)管上移入分解爐位置，在煙室縮口至三次風(fēng)管之間建立還原燃燒區(qū)，盡量延長還原區(qū)長度，以保證脫硝還原燃燒空間充足。同時，在煙室縮口上方噴入分解爐用煤，使其缺氧燃燒，以產(chǎn)生CO、CH4、H2、HCN 和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NOX發(fā)生反應(yīng)，將NOX還原成N2等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒，抑制了自身燃料型NOX的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)過程中NOX的減排。為防止還原燃燒區(qū)內(nèi)局部溫度過高，形成結(jié)皮堵塞分解爐，將C1旋風(fēng)筒下料的部分生料喂入還原燃燒區(qū)。

5.2 改造方案

5.2.1 加長、加粗原鵝頸管

保留原來的分解爐，拆除從分解爐側(cè)壁接入的?4 100mm 鵝頸管。在分解爐頂部增加?4 500mm鵝頸管，穿過71.625m 平面，向上折返后連接到C2進(jìn)口。鵝頸管長度由8m 增加至30m，容積增加約296m3。改造后，鵝頸管氣體停留時間增加約2.18s，滿足了料氣換熱、物料分解、煤粉燃燒等物理化學(xué)反應(yīng)過程的需要，保障了煤粉燃盡率。

5.2.2 拆除原雙路三次風(fēng)管，改為單路側(cè)旋進(jìn)風(fēng)并移位

封堵原雙路三次風(fēng)管靠近窯尾處，上部開孔接入?2 400mm 單路風(fēng)管，相比原三次風(fēng)管上移約7m，水平切向進(jìn)入分解爐。改造后，在煙室縮口至三次風(fēng)管之間建立起還原燃燒區(qū)，確保氣體在其間停留約1.5s，將NOX還原成N2，抑制自身燃料型NOX產(chǎn)生。

5.2.3 拆除C1 下料管，重新布置無外風(fēng)節(jié)能型強(qiáng)旋流燃燒裝置

保留原上部C1下料管和下部南側(cè)C1下料管，去除下部北側(cè)下料管，分一部分料下料至分解爐錐體，防止還原燃燒區(qū)內(nèi)局部溫度過高形成結(jié)皮。在分解爐錐體縮口上方，以下部C1 下料管中心為中軸線，對稱布置兩套無外風(fēng)節(jié)能型強(qiáng)旋流燃燒裝置，同時，窯尾煤粉輸送管道內(nèi)徑由250mm 改為230mm，降低窯尾煤粉輸送用風(fēng)量。

此次分解爐分級燃燒技改后，噸熟料氨水用量下降＞50%，在窯尾NOX排放濃度＜100mg/Nm3情況下，噸熟料氨水用量約為2.5kg，實(shí)現(xiàn)了超低排放目標(biāo)，達(dá)到改造預(yù)期效果。

6 結(jié)語

電石渣制水泥生產(chǎn)線不同于正常石灰石制水泥生產(chǎn)線，需根據(jù)電石渣自身物化特性并結(jié)合生產(chǎn)工藝、原燃材料性質(zhì)及設(shè)備特點(diǎn)等，全面加強(qiáng)生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)管控。優(yōu)化升級改造后，我公司2 500t/d電石渣制水泥生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了電石渣制水泥生產(chǎn)低煤耗、低CO2排放、低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。