新型節(jié)能環(huán)保水泥熟料燒成技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用（下）

陶從喜

新型節(jié)能環(huán)保水泥熟料燒成技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用（下）

Research and Application of New Energy-saving and Environment-friendly Clinker Sintering Technologies(Ⅱ)

陶從喜

(接上期)

（2）分解爐的環(huán)保效應(yīng)

根據(jù)我院對國內(nèi)多臺預(yù)分窯系統(tǒng)的測試表明，現(xiàn)行預(yù)分解窯系統(tǒng)氮氧化物排放值均大于中國的“水泥廠大氣污染排放標準”,為適應(yīng)日益嚴格的環(huán)保要求，在我院科研項目“低NOx型分解爐的開發(fā)研究”研究成果的基礎(chǔ)上采取措施，以降低預(yù)分解系統(tǒng)的NOx排放。

降低NOx的技術(shù)思路是，首先采用與生產(chǎn)兼容的分級技術(shù)，以最小的操作成本，盡可能降低NOx。在此基礎(chǔ)上,留有廢氣脫硝的空間，必要時投入相應(yīng)的系統(tǒng)，在廢氣中噴氨水進一步降低NOx，確保系統(tǒng)NOx＜500 mg/m3(標)，使總體技術(shù)經(jīng)濟指標最優(yōu)化。

分解爐出口NOx含量與下列因素有關(guān)：

?入爐氣體中NOx含量；

?燃料種類、燃料揮發(fā)分含量及燃料N含量；

?過剩空氣量；

?分解爐溫度，尤其是初始燃燒溫度。

在分解爐錐部還原區(qū)中噴入一定的燃料，由于燃料化學(xué)不完全燃燒繼而產(chǎn)生大量CO，形成還原氣氛，窯尾煙氣中的NOx與CO反應(yīng)形成N2，從而達到脫NOx的目的，反應(yīng)可簡單表示如下：

研究及工程實踐表明，分解爐分級燃燒技術(shù)能降低熟料燒成系統(tǒng)的NOx的排放，以燃料分級對系統(tǒng)的工藝操作影響最小。通過合理確定噴煤量、噴入位置，保證適宜的停留時間及空氣過剩系數(shù)，能達到降低NOx約30%的效果。

在分解爐的設(shè)計中，考慮還原區(qū)間氣體停留時間為～1.6 s，在分解爐錐體增設(shè)兩個脫除NOx的燃燒器，煤粉從窯尾輸送管的四路閥中引出，通過調(diào)節(jié)閥門開度，控制喂煤量。

以5500 t/d煙煤為例，分解爐總的設(shè)計氣體停留時間為5.8s，還原區(qū)的氣體停留時間為1.6s，氧化區(qū)的氣體停留時間為4.2s，完全能滿足后續(xù)煤粉燃燒及生料分解的需求。

通過采取以上措施，本項目所設(shè)計的分解爐完全能滿足煤粉燃燒、生料分解及低NOx的要求。

2.3 新型大推力的煤粉燃燒器

回轉(zhuǎn)窯燃燒器是燒成系統(tǒng)的重要工藝設(shè)備。它不僅影響窯系統(tǒng)的熱耗及操作性能，還對熟料質(zhì)量和有害物質(zhì)排放量產(chǎn)生影響。天津院有限公司通過大量的工程實踐、試驗及數(shù)值模擬研究，推出了新型大推力的煤粉燃燒器，結(jié)構(gòu)為四通道型式，其主要特點如下：

?無磨損，使用壽命長；

?燃燒器推力大，可達1500 m/s.%以上，對各種煤質(zhì)的適應(yīng)性好；

?一次風(fēng)用量少，凈風(fēng)比例較老燃燒器減少3.5%～6.5%。

其結(jié)構(gòu)特點如下：

（1）四風(fēng)道結(jié)構(gòu)。我院的原三風(fēng)道結(jié)構(gòu)+外部冷卻風(fēng)道。

（2）風(fēng)道由外至內(nèi)為冷卻風(fēng)、軸流風(fēng)、煤風(fēng)、旋流風(fēng)。

（3）頭部出口面積不可調(diào)，風(fēng)速的調(diào)整依靠各風(fēng)道閥門的開度調(diào)節(jié)。

（4）冷卻風(fēng)出口為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置攏焰罩，以提高使用性能及冷卻性能。攏焰罩“0”位時長度為25mm，軸向長度可調(diào)，有專門的膨脹節(jié)及調(diào)節(jié)絲杠用于攏焰罩長度的調(diào)節(jié)。

（5）軸流風(fēng)出口為直口圓孔狀結(jié)構(gòu)，周向布置，共16個。

（6）旋流風(fēng)出口的旋向與回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)向相同,旋流角50°，周向共24個出風(fēng)口。

試驗用新型煤粉燃燒器按2500t/d規(guī)模考慮，結(jié)構(gòu)型式見圖11，設(shè)計參數(shù)見表10。

在試驗室對新型結(jié)構(gòu)的煤粉燃燒器進行了不同軸流風(fēng)、旋流風(fēng)、不同冷卻風(fēng)及帶彩焰模擬火焰狀態(tài)下試驗研究，通過試驗不斷對各通道結(jié)構(gòu)型式進行優(yōu)化改進，得出了燃燒器使用的合理參數(shù)，見圖12～14。

圖11 新型煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)型式

表10 設(shè)計參數(shù)

通過試驗得到了設(shè)計風(fēng)速下的各通道的阻力，實際使用中可通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)燃燒器的調(diào)節(jié)，各通道風(fēng)速的調(diào)節(jié)根據(jù)煤質(zhì)具體情況進行。

2.4 行進式穩(wěn)流篦式冷卻機

天津院有限公司新型第四代篦冷機具有依料床變化自動敏感地恒定冷卻風(fēng)量、無漏料等特點，應(yīng)用了多項專利技術(shù)，采用先進的Walking floor行進式原理，通過模塊化設(shè)計等一系列優(yōu)化設(shè)計，使冷卻機真正實現(xiàn)了高效、低故障率。天津院有限公司的TCFC型第四代行進式篦式冷卻機的技術(shù)方案為：固定端結(jié)合第三代及國外第四代冷卻機的特點采用恒定流量閥供風(fēng)的鑄造篦板，確保了熟料的淬冷效果，保證了篦板壽命；篦冷機采用水平行進式篦床、標準化模塊設(shè)計，通過液壓驅(qū)動的四聯(lián)桿機構(gòu)實現(xiàn)篦冷機的高效穩(wěn)定運行，每塊篦板下設(shè)置衡定流量閥供風(fēng)，確保了熟料的冷卻效果。

其主要結(jié)構(gòu)特點如下：

（1）優(yōu)化的固定端(圖15)

早期開發(fā)設(shè)計的固定端為10塊篦板長度（0.3×10=3m），斜度為18°，在早期投產(chǎn)的江西圣塔3500t/d及華潤南寧5000t/d生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)該型式的固定端易出現(xiàn)堆“雪人”現(xiàn)象，分析原因可能是篦床過長及角度偏大所致，角度過大致使篦冷機固定端不易存冷料，出窯紅熱熟料直接接觸篦板粘結(jié)而堆成“雪人”，而且角度偏大使篦下鼓風(fēng)不能大，否則較少的熟料使二次風(fēng)溫偏低，一則熟料冷卻效果差，二則二次風(fēng)溫低，系統(tǒng)熱耗也高，不利于系統(tǒng)的節(jié)能減排。

通過對篦冷機固定端熱態(tài)熟料的分布研究分析，根據(jù)物理學(xué)原理優(yōu)化設(shè)計固定端，使得固定斜坡段熟料分布合理，既保護篦板不燒壞又保證冷卻效果，從而減少冷卻機入口堆“雪人”現(xiàn)象，也使得熟料在整個篦床上均勻分布，可提高入口段的熱交換效率。改進后的固定端為7塊篦板長度（0.3×7=2.1m），斜度為12°，圣塔3500t/d及之后投產(chǎn)的20多條生產(chǎn)線表明，該型式固定端幾乎沒有再發(fā)生堆雪人，二次風(fēng)溫也由之前的900℃提高到1150℃。

（2）水平行進式篦床

圖12 軸流通道阻力系數(shù)

圖13 旋流通道阻力系數(shù)

篦床傳動段是水平的，通過四連桿機構(gòu)組成步進式篦床，由液壓驅(qū)動，篦床由數(shù)列組成，每列有前后兩個液壓缸同步驅(qū)動，各列相對獨立。熟料冷卻輸送篦床由若干條平行的熟料槽型輸送單元組合而成，其運行方式（圖16）首先由篦床同時統(tǒng)一向熟料輸送方向移動（沖程向前），然后各單元單獨地或交替地進行反向移動。所有列一起向前運動，帶動料床向前運動，然后所有列分三次分批間隔后退，由于熟料間摩擦力的作用，前端熟料被卸在出料口。這樣，通過列間的交替往復(fù)運動達到輸送熟料的目的。

圖14 燃燒器模擬火焰

圖15 優(yōu)化改進前后的固定端圖

圖16 水平行進式篦床

圖17 模塊化結(jié)構(gòu)

圖18 四連桿傳動機構(gòu)

每條通道單元的移動速度可以調(diào)節(jié)，且單獨通冷風(fēng)，保證了熟料的冷卻效果。在設(shè)備運行前篦板面上存留一層冷的不動熟料，以減緩篦板受高溫紅熱熟料的磨蝕。相鄰兩列模塊單元連接處采用迷宮式密封裝置密封，貫穿整個篦冷機的長度方向，確保相鄰兩列篦板往復(fù)運動過程中免受熟料和篦板間的磨損，且由于篦板的迷宮式設(shè)計，不再需要專門的粉塵清除裝置，熟料不會從輸送通道漏下，不再需要前三代冷卻機中的灰斗和拉鏈機等設(shè)備，設(shè)備整體高度大幅度降低，土建成本也隨之減少。

（3）標準化模塊設(shè)計

第四代篦冷機采用標準化模塊設(shè)計，TCFC冷卻機由新穎而緊湊的模塊組建而成，通過調(diào)節(jié)篦床模塊的數(shù)量，可以適應(yīng)不同規(guī)模水泥生產(chǎn)線的需求。圖17是四連桿機構(gòu)模塊。在此模塊的基礎(chǔ)上，不同型號的冷卻機在制造廠進一步集成，形成大的模塊，大大減少了業(yè)主的安裝時間和費用。

模塊化柔性結(jié)構(gòu)可節(jié)省設(shè)計和工程設(shè)備安裝時間，提高維護效率，降低維護成本，同時也大大方便備品備件的供給。

（4）四連桿傳動機構(gòu)

根據(jù)機械動力學(xué)中相應(yīng)原理，四連桿傳動機構(gòu)上部兩軸承軸心保持不變，與兩軸心鉸接的連桿靈活運動的同時，可以保持上部篦床絕對水平地往復(fù)運動。

四連桿傳動機構(gòu)突破了以往冷卻機的傳動方式，巧妙通過三角架的旋擺運動產(chǎn)生篦床的往復(fù)直線運動。同時，自動潤滑系統(tǒng)保證每個軸承都能得到很好的潤滑，大大延長了四連桿機構(gòu)的使用壽命(圖18)。

這種機構(gòu)非常適合水平的物料輸送形式，在四連桿傳動機構(gòu)的滑動軸承上完成循環(huán)往復(fù)運動，密封性能良好。同時由于為各個篦板提供動力的四連桿機構(gòu)規(guī)格相同，維護簡單且費用低，在長時間運轉(zhuǎn)后僅需維護軸承，也易于后期的備品備件的準備。四連桿傳動機構(gòu)已獲國家實用新型專利（專利名稱：冷卻設(shè)備篦床的運動支撐裝置，專利號：ZL200720098551.1）。

（5）流量自動控制調(diào)節(jié)裝置

流量自動控制調(diào)節(jié)裝置是我公司開發(fā)的具有創(chuàng)新專利權(quán)的系統(tǒng),該系統(tǒng)具有高熱交換率、低電耗的優(yōu)點，更加符合國家提倡的節(jié)能降耗的要求。流量自動控制調(diào)節(jié)閥為純機械件，可以根據(jù)篦床上料層的厚度自動調(diào)節(jié)閥門的開閉調(diào)大調(diào)小，進而達到自動調(diào)節(jié)供風(fēng)量的功能，提高單位風(fēng)量冷卻效率，減少不必要的損耗。

為了實現(xiàn)篦冷機篦板流量的自動控制調(diào)節(jié)功能，我們進行了大量的理論和實踐研究，開發(fā)出了STAFF型和TC型流量自動控制調(diào)節(jié)閥——CF穩(wěn)流閥，尤其是CF閥的性能通過試驗對比，完全達到國際先進水平，該流量自動控制調(diào)節(jié)閥已獲國家實用新型專利（專利名稱：一種彈力-重力式自動流量調(diào)節(jié)閥，專利號:ZL200820141667.3）。

表11 生產(chǎn)線產(chǎn)質(zhì)量月報表

表12 窯系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)比較

表13 燒成系統(tǒng)表面散熱的比較，kJ/kg熟料

3 燒成系統(tǒng)運行狀況

以上結(jié)合燒成系統(tǒng)節(jié)能降耗的要求對天津院有限公司新型節(jié)能環(huán)保的燒成系統(tǒng)技術(shù)及裝備的研發(fā)方案作了詳細論述，該技術(shù)及裝備在河北燕趙水泥有限公司5000t/d生產(chǎn)線上得到了有效運行，燒成主機配置為：兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯，帶三噴騰型TTF分解爐的五級預(yù)熱器系統(tǒng)；第四代行進式穩(wěn)流篦式冷卻機；大推力煤粉燃燒器。河北燕趙水泥有限公司5000t/d水泥生產(chǎn)國家節(jié)能減排示范線于2008年4月破土動工，5月開始土建施工，7月份開始設(shè)備安裝，2009年4月竣工點火，建設(shè)總工期約1年。目前該示范線已投產(chǎn)運行1年多。天津院有限公司多次對其運行情況進行了測試分析，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場測試情況將該生產(chǎn)線運行情況小結(jié)如下。

3.1 生產(chǎn)線總體情況

表11 為點火投產(chǎn)以來生產(chǎn)線運行產(chǎn)質(zhì)量統(tǒng)計，由此可見，該示范線總體運行產(chǎn)質(zhì)量均很好，熟料平均產(chǎn)量達5728t/d，熟料電耗基本在55kWh/t左右，3d熟料強度在30MPa以上。熱工標定期間熟料產(chǎn)量高達6210t/d，大大超過了設(shè)計指標，燒成熱耗為2948.7kJ/kg熟料，達到并優(yōu)于設(shè)計指標，各項技術(shù)經(jīng)濟指標均為國際先進水平，起到了節(jié)能減排的示范作用。

3.2 熟料燒成系統(tǒng)

由表12可見，在標定期間，河北燕趙水泥有限公司5500t/d生產(chǎn)線窯系統(tǒng)熟料平均產(chǎn)量達6210t/d，大大超過了設(shè)計指標，兩檔窯單位容積產(chǎn)量達6.34t/m3·d，遠高于三檔窯的單位容積產(chǎn)量；燒成熱耗為2948.7kJ/kg熟料，達到并優(yōu)于設(shè)計指標，燒成電耗為20.34kWh/t，各項技術(shù)經(jīng)濟指標均為國際先進水平。

表13 為生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)表面散熱損失與國內(nèi)相近規(guī)模生產(chǎn)線表面散熱損失的比較情況。從中可見，該生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)總的表面散熱損失較低，尤其是采用兩檔短窯，回轉(zhuǎn)窯散熱表面積減小，使得其表面散熱損失相應(yīng)減少。

表14 各級料管物料分解率

表15 分解爐脫硝結(jié)果

河北燕趙水泥有限公司5500 t/d生產(chǎn)線的分解爐采用天津院特色的三噴騰TTF型分解爐，該爐結(jié)構(gòu)簡單，阻力系數(shù)低，具有三噴騰效應(yīng)和碰頂效應(yīng)、湍流回流作用強、固氣停留時間比大、溫度場及濃度場均勻、物料分散及換熱效果好等特點，有利于煤粉的充分燃燒和生料分解，特別是C4旋風(fēng)筒入爐物料的靈活調(diào)節(jié)可以有效控制分解爐主燃燒區(qū)溫度，三次風(fēng)脫氮風(fēng)管的設(shè)置可以有效降低NOx的排放，分解爐喂煤采用對稱四點噴入能有效優(yōu)化分解爐的溫度場。該分解爐在6210t/d高產(chǎn)條件下，能穩(wěn)定入窯物料分解率在90%以上（各級料管物料分解率見表14），運行效果良好，這為回轉(zhuǎn)窯減輕負荷和提產(chǎn)提供了非常好的基礎(chǔ)。同時，分解爐與C5筒出口溫度不存在“倒掛”現(xiàn)象，分解爐出口基本未測出CO，表明只要風(fēng)煤配合適當，分解爐內(nèi)煤粉的完全燃燒是有充分保障的。

該示范線分解爐開發(fā)設(shè)計采用三次風(fēng)分級燃燒的措施，目的是降低系統(tǒng)NOx的排放，燃料分級燃燒和燃燒空氣分級加入在于形成一個低于化學(xué)當量燃燒系數(shù)的還原燃燒區(qū)域，在這個區(qū)域里，一方面由于不完全燃燒形成了大量的一氧化碳，可以對已經(jīng)形成的氮氧化物進行還原，另外一方面則可以抑制燃料中的氮元素向氮氧化物轉(zhuǎn)化。從現(xiàn)有的技術(shù)資料來看，就還原燃燒區(qū)域的風(fēng)煤配合來看，還原燃燒區(qū)域的空氣過剩系數(shù)在0.7～0.9之間具有最好的還原效率。

我們在現(xiàn)場進行了不同三次風(fēng)分風(fēng)狀態(tài)下的NOx脫除率即脫硝率的測試，結(jié)果見表15。

采用三次風(fēng)分風(fēng)的方式可實現(xiàn)脫硝率10%以上，最高可達～36%，可見采用分級燃燒測試可有效降低系統(tǒng)NOx的排放濃度。

河北燕趙水泥有限公司5500t/d生產(chǎn)線的熟料冷卻機采用天津院的TCFC型第四代行進式穩(wěn)流篦冷機。測試表明該冷卻機的總鼓風(fēng)量為1.7728m3（標）/kg熟料，小于第三代篦冷機的正常用風(fēng)量（1.9～2.1 m3（標）/kg熟料），篦冷機的熱回收效率為74.07%。

4 結(jié)語

以上結(jié)合燒成系統(tǒng)節(jié)能降耗的要求，對天津院有限公司新型節(jié)能環(huán)保的水泥熟料燒成系統(tǒng)技術(shù)及裝備的研發(fā)、應(yīng)用情況作了詳細論述，即燒成系統(tǒng)通過集成采用兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯、帶三噴騰型TTF分解爐的高效預(yù)熱器系統(tǒng)、第四代行進式穩(wěn)流篦式冷卻機及高效大推力的煤粉燃燒器等技術(shù)裝備，可有效實現(xiàn)燒成系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保的要求，從而實現(xiàn)整個水泥生產(chǎn)線的節(jié)能降耗，為水泥工業(yè)的節(jié)能減排起到關(guān)鍵的技術(shù)支撐作用。

[1]彭守正.兩檔支承短窯淺析與前途展望[J].水泥技術(shù)，1987；（2）.

[2]Geofrey H．Conroy．Two-tyre kiln technology[J]．World Cement，1995；(10）.

[3]陳全德，陳晶，崔素萍，等.水泥預(yù)分解技術(shù)與熱工系統(tǒng)工程[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，1998.

[4]黃文熙，錢光人，沈德勛，等．不同煅燒條件下新生態(tài)CaO活性的研究[C]．第四屆水泥學(xué)術(shù)會議論文選集.中國建材工業(yè)出版社，1992.

[5]陳全德.預(yù)分解短窯和多通道燃燒裝置[J].中國建材裝備，1992；(6)、1993；（1）.

[6]侯興遠.預(yù)分解窯最佳長徑比初探[J].水泥技術(shù)，1998；（1）.

[7]Tao Congxi et,al.A correlation between the combustion of fuels and the design of calciner[J].ZKG International，2009；（11）.

[8]陶從喜，等.第三代5500t/d預(yù)分解系統(tǒng)的研究開發(fā)及應(yīng)用[J].水泥技術(shù)，2003；（3）.

TQ172.622.26

A

1001-6171（2011）02-0032-05

2010-10-20； 編輯：呂 光