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(jí)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(guó)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(zhǎng)期困擾電石渣制水泥生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的難題。
電石渣制水泥與石灰石制水泥的一個(gè)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)。
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(duì)末級(jí)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(huì)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(dòng)大時(shí),窯內(nèi)火焰會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)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。
1.3.1 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(cè)入窯表觀分解率時(shí),因入窯熱生料所含KCl組分已揮發(fā),導(dǎo)致該溫度下檢測(cè)的分解率偏低,對(duì)實(shí)際操作控制易產(chǎn)生誤導(dǎo)。在評(píng)估實(shí)際入窯分解率時(shí),應(yīng)考慮測(cè)試時(shí)KCl揮發(fā)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響。
入窯熱生料的化學(xué)成分檢測(cè)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(cè)值基礎(chǔ)上加4.65%。入窯熱生料有害組分含量與對(duì)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(shí),預(yù)熱器結(jié)皮對(duì)溫度的敏感狀況,實(shí)際生產(chǎn)時(shí),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(cè)數(shù)據(jù),%
表2 入窯熱生料有害組分含量與對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)檢測(cè)窯尾煙室的CO、NO、SO2和O2含量,正常操作時(shí),CO≤0.05%、1 100ppm≤NO≤1 500ppm、SO2≤50ppm、3%≤O2≤5%。
(2)每2h 檢測(cè)一次熟料及入窯熱生料的SO3、K2O、Na2O 和Cl-含量,實(shí)時(shí)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(shí)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(cè)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。
(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(duì)生料的波動(dòng)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。
經(jīng)對(duì)比分析國(guó)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(dòng)大的特點(diǎn),改造時(shí)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(huì)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(tái)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(tái)平衡風(fēng)機(jī),風(fēng)量1 485m3/h,全壓11 439Pa,電動(dòng)機(jī)型號(hào)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(duì)生料的波動(dòng)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(zhǎng)厚窯皮的問題得到解決。
現(xiàn)使用篦式冷卻機(jī)型號(hào)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)。
3.1.1 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(cè)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(duì)壓濾工藝進(jìn)行升級(jí)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(duì)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(duì)后續(xù)水泥生產(chǎn)也帶來了不利影響,氣溫高時(shí),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(tái)上的空地新增一臺(tái)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。
3.2.1 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(duì)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(tái)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(gè)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(duì)篦冷機(jī)一段的4 臺(tái)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(duì)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(duì)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。
上游提供電石渣原料的化工企業(yè)對(duì)壓濾工藝進(jìn)行了升級(jí)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。
4.1.1 改造必要性
壓濾工藝升級(jí)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(shí)間較長(zhǎng),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(shí)輸送導(dǎo)致的烘干破碎系統(tǒng)不能連續(xù)運(yùn)行等問題。
4.2.1 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(shí)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(duì)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(shí)、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(chǎng)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(shí)調(diào)整給料機(jī)頻率,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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。
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(duì)分解爐分級(jí)燃燒工藝進(jìn)行改造,降低NOX排放。
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(zhǎng)還原區(qū)長(zhǎng)度,以保證脫硝還原燃燒空間充足。同時(shí),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)。
5.2.1 加長(zhǎng)、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(zhǎng)度由8m 增加至30m,容積增加約296m3。改造后,鵝頸管氣體停留時(shí)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(duì)稱布置兩套無外風(fēng)節(jié)能型強(qiáng)旋流燃燒裝置,同時(shí),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(jí)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。
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(jí)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)。