適用于5000t/d預分解窯的節能煅燒技術改造

劉仁德

（銅陵上峰水泥股份有限公司，安徽銅陵 244171）

0 引 言

熟料煅燒是水泥生產的關鍵環節。在水泥生產中，燃煤耗用費用已占熟料生產成本的60%以上。熟料煅燒是一個高溫熱力學過程。熟料的生成需要在窯爐中燃燒大量煤粉以提供所必需的熱量。這不僅要消耗大量能源，而且導致污染物的大量排放。在世界能源日趨緊張的今天，降低熟料煅燒能耗，減少污染物排量，是節能減排的一個重要途徑，也是水泥行業推進資源節約型、環境友好型社會建設的必然選擇。為進一步節能降耗，TLSF水泥公司經反復推敲論證，對回轉窯及分解爐燃燒系統成功地進行節能煅燒技術改造，現將情況簡單介紹，供同類企業借鑒參考。

1 燃燒系統的設備配置與工況條件

TLSF水泥公司擁有五條Φ4.8×74m預分解窯生產線。其中一、二線于2006年前投產。投產后產能達到5800t/d左右，年平均臺時產量可達245.5t/h。為繼續挖掘回轉窯生產潛能，公司在后三條線建設時，有意識地加大了筒、管、爐、機的設備規格、同時加大了窯尾廢氣及燃燒系統的設備配置。

1.1 燃燒系統的設備配置

各生產線燃燒系統的設備配置情況見表1。

表1 燃燒系統的設備配置

TLSF公司的三線和下屬HNSF公司的兩條生產線，在燒成系統工藝設備的配置加大之后，回轉窯臺時產量有了較大幅度提高。年均臺時產量達260t/h左右。TLSF公司三線平均日產量達到6000t/d以上，HNSF公司的兩條生產線年平均日產量已達到6200t/d。但是，由表1可以看出，為了提高回轉窯臺時產量，上述三條生產線，除燒成系統工藝設備的規格普遍加大之外，燃燒系統的設備配置也大幅度增加，對比HNSF公司兩線與TLSF公司兩線可以看出，窯頭喂煤秤：風機風量加大28.8m3/min、風壓增加9.8kPa、導致風機裝機功率增大了70kW。窯尾喂煤秤風機：風量加大55.7m3/min、風壓平均增加15.4kPa、導致風機裝機功率平均增大了112.5kW。

1.2 窯內工況條件及熱工參數

在實際生產過程中，TLSF水泥公司的五條生產線，熟料平均熱耗波動于780～800kcal/kg之間。設定窯內工況條件為：熱耗800kcal/kg.k，煤粉熱值 Qnet,ar=5000 kcal/kg.m，頭煤喂煤比例35%，計算各項熱工參數見表2。

表2 窯內工況條件及熱工參數

2 燃燒條件對節能減排的影響

2.1 窯頭喂煤系統存在的問題

在窯頭煤粉燃燒系統中，喂煤風機的作用，是在保證煤粉輸送用風量的同時，還與凈風機共同承擔著供給煤粉中揮發分燃燒所需氧氣的責任。窯頭凈風的功能，除了保證煤粉中揮發分燃燒的氧氣供應外，還要保證能夠及時迅速地與二次風混合，為煤粉中固定碳充分燃燒提供優越條件。因此，新型干法回轉窯都普遍采用了多通道煤粉燃燒器，各種類型燃燒器雖然形式不盡相同，結構存在差異，但大都朝著強湍流、強回流、強旋流、濃縮燃燒、大推力方向發展。達到強化燃料與空氣的混合，提高燃燒帶熱力強度，并降低NOX排放量的目的。

但由于一次風是冷風，入窯后要被加熱到熱氣流溫度1450℃以上。一次風量的增加，勢必增加熟料燒成熱耗。相關資料表明，當一次風量增加到總空氣量的10%時，燃燒氣體溫度將需要上升4℃，相應熱耗增加58.5kJ/kg熟料。當一次風率從15%增加到30%時，著火所需熱量要增加41.3%。燃燒氣體溫度將繼續攀升，并且會導致高溫NOX的大幅增加。

現計算TLSF水泥公司五條生產線技術改造前一次風占用比例，見表3。

表3 TLSF水泥公司五條生產線技改前一次風占用比例

由表3可見，TLSF水泥公司原先采用的燃燒器，一次風用量基本都在窯頭供風量的15%以上。而且，送煤風的煤粉輸送濃度僅維持在2.7～3.9 kg/m3左右的水平。這不僅對降低燃料和電能消耗、提高熟料質量、減少有害氣體排放都有顯著影響，而且還要影響回轉窯的優化操作和穩定安全運行。

2.2 分解爐喂煤系統存在的問題

在分解爐內，燃料的燃燒屬于低溫無焰燃燒，其燃燒溫度大約在850～900℃左右。由于經窯尾入爐的熱氣流，主要成分是窯內煤粉燃燒和部分碳酸鹽分解產生的高溫廢氣；分解爐內煤粉燃燒所需要的氧氣，是由三次風供給的。因此，煤粉的燃燒速度隨三次風提供的熱空氣溫度的升高而增加，而受氣流速度的影響較小。入爐三次風溫度越高，分解爐燃燒區域溫度越高，對煤粉燃燒越是有利。

由于入分解爐煤粉輸送風量的大小，會直接影響到入爐三次風溫度；因此，在保證煤粉輸送量穩定的前提下，盡量減少煤粉輸送風機的風量，不僅能夠節煤節電，而且對促進煤粉燃燒，改善分解爐溫度流場都是有利措施。

TLSF水泥公司分解爐喂煤風機改造前工作情況見表4。

表4 分解爐喂煤風機改造前工作情況

由表4可見，在燃燒系統改造前，TLSF公司三線和下屬HNSF公司的一、二線，分解爐喂煤風機供風量占三次風總風量的6%以上，而煤粉輸送濃度僅處于2.7kg/m3以下的水平。

3 技術改造的措施

3.1 對窯頭喂煤系統的技術改造

目前，各企業采用的燃燒器，一次風用量大多在10%以上，有的甚至高達20%，對減少NOX排放，降低燃料消耗都有顯著影響，因此，改造現有燃燒器勢在必行。根據回轉窯煅燒的要求及煤粉的燃燒特性，對原有的煤粉燃燒器進行改造，新型燃燒器必須達到下述要求：既能采用盡可能小的一次風量，達到節能減排的目的；又要能夠進一步提高燃燒器相對推力和旋流強度，強化煤風混合、調節靈活、優化火焰形狀。

隨著科技進步和制造技術的提高，我國現在已成功制造出了能夠滿足上述要求的新型燃燒器。這種燃燒器的結構，是以滿足回轉窯產能為前提，確保燃燒器能夠實現合理的相對動量值。保證合理控制一次風速，內、外風風速和平均風速；使燃燒器處于最佳工作狀態。新型燃燒器具備下述特點：

（1）高一次風速：內外風平均風速可以在185.0～375.0m/s的范圍內進行較大幅度調節。保證取得最佳風速配合。

（2）低一次風量：內外風量合計僅在4.9%～5.3%范圍內，一次風占總風量的7.0%～8.0%左右。

（3）強旋流：旋流風可采用調節閥門進行風量、風速及內外風比例調節，旋流葉片旋角和截面積可自由調整，以調整火焰的形狀和長度。進一步強化風煤混合。

（4）大速差：外軸風出口風速最高可達到超音速＞400m/s。外旋風出口風速最高可達＞300m/s。與≤25m/s的煤風形成大速差配合，強熱回流，使高溫二次風迅速卷入，大大縮短了煤粉預熱時間。

（5）相對動量合理：新型燃燒器具有的多項調節功能，保證了相對動量的準確定位，能夠保證低熱值、低揮發份、劣質煤或無煙煤煤粉的充分燃燒。

TLSF水泥公司窯頭煤粉燃燒系統改造前后，供風設備配置情況和各項性能指標見表5。

煤粉燃燒系統改造后，在不同的回轉窯產量下，一次風占用比例和煤粉輸送濃度情況見表6。

表5 煤粉燃燒系統改造前后供風設備配置及性能指標對比

表6 煤粉燃燒系統改造后一次風占用比例和煤粉輸送濃度

由表6可見，TLSF公司窯頭煤粉燃燒系統改造后，比改造前一次風平均占用比例的＞15%降低了7%以上，一次風占用總風量比例下降到7.7%左右。送煤風煤粉輸送濃度由改造前的2.7～3.9 kg/m3，提高到近6.0kg/m3的水平。

3.2 針對分解爐喂煤系統的技術改造

分解爐喂煤系統煤粉輸送濃度（料風比），不僅影響到系統的電能消耗，而且多余冷風的加熱導致分解爐的熱耗增加，必須引起重視。被輸送物料濃度與物料的性質、輸送距離以及系統的阻力相關。不同的喂煤設備要求被輸送物料的濃度也不相同。采用盡可能小的輸送風量，把為滿足物料分解所需要的煤粉穩定地輸送到分解爐，就必須選擇合理的供風設備、恰當的輸送管道，以控制物料的流速、系統的阻力、風量的消耗；并優化被輸送物料的比例范圍等重要技術參數。

TLSF水泥公司回轉窯的喂煤系統，全部采用了菲斯特秤為計量供煤設備，針對TLSF公司三線和HNSF公司的兩條生產線存在的問題，公司經多方數據采集進行統計分析,并征求設備制造商的意見，對分解爐喂煤系統進行了改造，改造后設備配置情況和各項技術性能指標見表7。

表7 分解爐喂煤系統改造前后設備配置和技術性能指標對比

由表7可以看出,三條生產線改造后,分解爐喂煤風機裝機容量降低了120kW以上,送煤風占用三次風比例降低了2%～3%，煤粉輸送濃度提高到4 kg/m3以上。

4 經濟效益

4.1 年節電量

窯頭喂煤系統：公司對五條生產線全部進行了技術改造，可實現年節電241.2萬度。

分解爐喂煤系統：僅對效益明顯的三條生產線進行了技改，可實現年節電232.8萬度。技改后可實現年節電量：474萬度，節約資金280余萬元。

4.2 節煤量

窯頭喂煤系統五條生產線：平均單位熟料節約原煤量：2.61kg/t-k。

分解爐喂煤系統三條生產線：平均單位熟料節約原煤量：1.71kg/t-k。

TLSF公司三線和HNSF公司的兩條生產線燒成系統合計平均節煤量：4.32 kg/t-k。

技改后可實現年節煤量：2.45萬噸，可降低生產成本近2000萬元。

5 結 論

（1）降低一次冷風入窯量，是降低熟料燒成煤耗的一條重要途徑。TLSF公司采用的新型燃燒器的結構，是以滿足回轉窯產能為前提，確保燃燒器能夠達到合理的相對動量值。能夠保證合理控制一次風速，內、外風風速和平均風速。使一次風量由原來的入窯總風量的15%以上降低到7%～8%。

（2）由于新型噴煤管具有較低的一次風率和高速氣流引射熱氣流回流功能，縮短了煤粉預熱時間，改善了火焰根部的燃燒環境和溫度，可以有效地降低NOX的排放，相對于以前低動量的三通道燃燒器可降低NOX：20%～30%。

（3）選擇合理的供風設備、恰當的輸送管道，5000t/d預分解窯的分解爐喂煤系統在輸送距離≤100m的情況下，送煤風占用三次風比例降低到4%以下，煤粉輸送濃度提高到4 kg/m3以上，送煤羅茨風機采用風壓≈58.8kPa，是完全能夠實現的。

（4）TLSF水泥公司的技改經驗證實，對回轉窯及分解爐燃燒系統進行節能煅燒技術改造，取得了良好的經濟效益和社會效益。