印尼海德堡萬噸生產線燒成系統設計優化與運行

陳昌華，馬嬌媚，武曉萍，彭學平，陶從喜

P14-印尼海德堡10 000t/d生產線項目位于印尼爪哇島，當地海拔約50m，年平均環境溫度約30℃。該項目采用EPC總承包模式實施，業主為印尼水泥集團和海德堡集團，總承包方為天津水泥工業設計研究院有限公司（以下簡稱天津院）。其中，燒成系統采用天津院新一代技術與裝備，生產線于2016年投產，目前系統運行狀態正常，日產熟料量穩定在10 000t以上，燒成系統能耗指標（煤耗、電耗）以及各項環保指標（NOx、CO、粉塵排放等）均達到同規模生產線的先進水平。

1 原燃料情況

1.1 高水分褐煤

該生產線燃料主要考慮使用當地褐煤，褐煤的工業分析結果見表1。由表1可知，原煤的內水高達21.8%，熱值僅19 750kJ/kg，屬于高水分、低熱值褐煤。

按照天津院煤粉燃燒特性的試驗方法，對來樣褐煤進行了試驗，從測試結果來看，P14項目褐煤燃盡時間（燃盡度達到90%所需的時間）為6.6s。一般易燃煙煤的燃盡時間為7.0s左右，而難燃無煙煤的燃盡時間長達60s以上。由于褐煤的揮發分較高，容易起燃，燃盡時間也相應較短。本項目褐煤與其他項目褐煤相比（見表2），燃盡時間較短，說明其燃盡特性較好。

表1 褐煤的工業分析，%

表2 幾種典型褐煤的燃盡時間對比

表3 熟料的化學成分，%

1.2 原料特點

1.2.1 原料水分高

本項目原料主要為石灰石、粘土、砂粘土、鐵砂巖和砂巖等5種。其中，石灰石的水分為4%～7%，粘土、鐵砂巖等水分一般在10%以上，生料綜合水分最大值達8.5%。

1.2.2 原料MgO含量偏高

熟料的化學成分見表3，其中MgO的含量為3.0%～3.5%，主要來源于石灰石原料。為了保證熟料強度，高鎂原料對應的熟料率值往往比較高，熟料形成熱也往往偏高。根據該生產線原料成分進行計算，熟料的形成熱為1 755.6kJ/kg熟料左右。

2 燒成系統主機配置

燒成系統窯尾采用天津院自主開發的萬噸級規模的窯尾預分解系統。旋風筒及分解爐等采用了天津院最新開發思路，對多處細節進行了優化。其中，預熱器為高效低阻型5級預熱器系統，分解爐為旋噴結合的TDF型在線分解爐?；剞D窯由天津院設計和供貨，為天津院供貨的首臺萬噸級規模的回轉窯，其規格為?6.0m×90m三檔窯。燒成系統主機配置見表4。

3 燒成系統主要技術特點

3.1 正常燃用褐煤的安全生產技術

由于褐煤水分大、揮發分高、熱值低，燃燒產生的煙氣量相對偏大，理論燃燒溫度較低，因此，萬噸線開發的重點為：如何在確保燃用褐煤的情況下正常安全生產。主要采取的技術措施有：

（1）優化分解爐結構，對入爐的三次風、燃燒器、物料下料點位置等進行合理匹配，C4分料設置，保證分解爐煤粉噴入高溫操作區間，確保褐煤的燃燒效果。

（2）窯頭主燃燒器調節性要好，能根據窯內燃燒情況靈活地調整火焰形狀，確保合理的窯皮長度。

表4 P14項目燒成系統主機配置

（3）采用小窯門罩，提高二次風溫度，有助于提高窯頭火焰溫度。

（4）煤磨烘干從窯尾取熱風，入煤磨煙氣用電收塵器收塵，減少煤粉貧化。

3.2 帶4/5級切換的預熱器系統

根據建廠原料情況，生料的最大綜合水分含量按照8.5%考慮，將窯尾預熱器系統設計成4/5級切換的型式，可根據原料水分的情況調整窯尾預熱器系統。

在下列情況下，燒成窯尾切換至五級預熱器狀態運行：

（1）生料綜合水分＜6%；

（2）生料磨停磨狀態。

3.3 旋噴結合的TDF改進型分解爐（圖1）

由于萬噸級生產線分解爐直徑較大（?9.0m），為了促進風、煤、料在爐內的均勻分布，該生產線分解爐采用了特殊的設計，TDF分解爐由常規的噴騰型改進為旋噴結合型，優化內容主要包括三次風偏置進風（圖2），窯尾喂煤點偏置，三次風管布置在窯正上方，從篦冷機兩點取風等。同時，設計過程中針對不同的優化方案，對分解爐進行了大量的數值模擬工作，以提高分解爐內物料和煤粉的均勻分布，避免局部高溫，同時促進煤粉燃盡。不同偏置距離的溫度、O2和CO濃度云圖見圖3。

3.4 優化的回轉窯

3.4.1 窯尾端擴大

對于大規模的生產線，為了促進窯內通風狀況，本項目回轉窯采用尾端擴大技術，尾端直徑由?6.0m擴大至?6.4m?；剞D窯尾端擴大示意圖見圖4。窯尾端擴大主要有以下幾個優點：

（1）可以有效擴大煙室最小斷面，降低阻力，改善窯內通風，減少煙室飛灰，最大限度地發揮窯的潛能；

（2）三次風管閥門開度可適當加大，避免三次風管閥門開度太小造成的閥體較快磨損。3.4.2 窯頭收縮

由于回轉窯的傾斜布置，窯頭耐火磚和窯口澆注料的結合處往往是應力集中的區域。對于大規模的回轉窯，窯內耐火磚的重量大，窯頭應力集中對耐火材料的使用壽命影響更大。本項目回轉窯采用窯頭收縮技術，窯口段回轉窯的直徑由?6.0m逐步過渡至?5.8m，使窯內耐火磚下滑的應力在區域內分散，避免應力集中對耐火材料的損壞。窯頭收縮示意見圖5。

4 燒成系統運行情況

圖1 旋噴結合的TDF改進型分解爐

圖2 三次風管偏置進風型式

圖3 不同偏置距離的溫度、O2和CO濃度云圖

圖4 回轉窯尾端擴大示意圖

投產以來，預熱器系統未出現塌料、結皮堵塞等問題，生料喂料和喂煤系統穩定，分解爐及各級旋風筒溫度、壓力波動較小，整個預熱器系統運行穩定正常。由于燃料為褐煤，內水較高，預熱器出口的風量相對正常煙煤偏大。在設計產量下，預熱器出口溫度在315℃左右，壓力為-5 000Pa左右，出預熱器粉塵含量＜60g/m3（標）。

旋噴結合的改進型TDF分解爐運行穩定，爐內煤粉著火和燃燒情況正常，無爆燃現象，煤粉燃盡度高，分解爐出口幾乎無CO（氣體分析儀顯示CO含量在0.02%以下），C5出口與爐出口溫度無倒掛現象，現場觀察，C5料管及煙室無未燃盡的煤粉火星。該分解爐對印尼高水分褐煤有很好的適應性。

由天津院自主研發的萬噸級回轉窯，自投產以來運行穩定，雙齒輪系統運行同步性好，托輪瓦溫正常，窯電流一般控制在500～700A。窯內通風正常，無窯內結球、結圈現象，窯皮長度正常。采用尾端擴大技術后，回轉窯內壓損較小，煙室負壓一般在-200Pa左右。

圖5 窯頭收縮示意圖

圖6 典型的中控操作畫面

IKN篦冷機性能表現卓越，設備可靠性高，熟料冷卻效果好，對應冷卻風機電耗低。中控操作畫面見圖6。

5 現場熱工測試與熱平衡計算

5.1 溫度、壓力、氣體成分

現場測試了燒成系統主要部位的溫度、壓力、氣體成分，結果見表5。從測試結果看，出預熱器煙氣溫度在315℃左右，預熱器系統的換熱效率正常。分解爐出口CO含量很低，煤粉燃盡度較高。二次風溫達到1 200℃以上，三次風溫930℃，篦冷機的熱回收效率較好。另外，預熱器出口與分解爐出口O2含量相差較小，預熱器系統漏風較少。

表5 溫度、壓力、氣體成分測試數據

表6 表面散熱測試結果

5.2 含塵濃度

考核期間，分兩次測試了出預熱器煙氣含塵濃度，結果分別為41.0g/m3（標）和47.5g/m3（標），根據含塵濃度測試結果計算，預熱器系統的收塵效率達到95%以上。

5.3 表面散熱

大規模的生產線，單位熟料對應的表面積相對較小，表面散熱也相對較低。以回轉窯為例，萬噸級生產線回轉窯（?6.0m×90m）較之5 500t/d規模的回轉窯（?4.8m×72m），單位熟料對應的表面積相對減少約15%，表面散熱相應可減少約15%。P14項目考核期間，測試了設備表面溫度，并計算了表面散熱，結果見表6。

5.4 熱平衡計算

基于熱工測試數據，對P14項目燒成系統進行了熱平衡計算，結果見表7。平衡計算結果顯示，燒成系統熱耗在2 900.92kJ/kg熟料左右，與生產運行過程中的煤耗統計結果基本吻合。

表7 燒成系統熱量平衡表

表8 燒成系統2×72h性能考核結果

6 性能考核

窯系統性能考核于2016年9月進行，考核前采用實物標定，修正了生料秤和煤粉秤。按照合同要求，分兩次72h連續運行考核。考核期間，生料投料量為680～700t/h，煤粉熱值為 20 900～22 990kJ/kg，兩次72h考核結果見表8。

7 結語

印尼海德堡P14萬噸線燒成系統，采用天津院新一代技術與裝備，窯尾預分解系統和回轉窯均為天津院自主研發的萬噸級設備。針對大型化生產線的特殊性，并結合高水分原料和高水分褐煤的特點，生產線在設計上采用了4/5級切換的第三代預熱器系統、旋噴結合的改進型TDF分解爐、帶尾端擴大和窯頭收縮的大規模回轉窯等技術。從運行考核結果看，熟料產量、燒成煤耗、電耗、NOx排放等各項指標均優于合同要求，燒成系統一次性順利通過達產達標考核，系統性能指標為目前國際先進水平。