高粘濕性白堊原料粉磨熱源設(shè)計(jì)應(yīng)用

（中信建設(shè)有限責(zé)任公司 北京 100027）

0 引言

白俄羅斯KN 5000 t/d新型干法水泥生產(chǎn)線以白堊礦為鈣質(zhì)原料，白堊在當(dāng)?shù)夭扇〉氖堑叵麻_(kāi)采的方式，剛剛開(kāi)采出來(lái)的白堊水分含量高達(dá)35%以上，因此原料粉磨的主要工藝技術(shù)問(wèn)題是白堊原料的烘干。KN工廠原料粉磨工藝采用德國(guó)非凡公司的MPS5300B輥式立磨，設(shè)計(jì)入磨風(fēng)溫500℃，風(fēng)量約720 000 Nm3/h。立磨熱量需求按國(guó)內(nèi)一般工藝設(shè)計(jì)采用窯尾的廢熱來(lái)解決立磨熱源是不夠的，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)上熱平衡計(jì)算，來(lái)自窯尾廢熱、窯頭廢熱等熱源不到所需熱源不足一半，熱源缺口很大，為此工藝設(shè)計(jì)上必須補(bǔ)充外部熱源。但是，采用燃燒天然氣提供外部熱源必然大大增加燃料能源的消耗，進(jìn)而增加單位生料的熱耗成本，那么是否存在一種工藝方式可以降低原料單位產(chǎn)品的能耗水平？本文介紹KN工廠熱風(fēng)爐與燃?xì)馔钙降呐浜鲜褂茫接懜哒碀裥园讏自戏勰嵩垂?yīng)如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 原料粉磨系統(tǒng)的熱平衡工藝設(shè)計(jì)

由于入磨原料的綜合水分高達(dá)28%，因此為了烘干原料，必定需要足夠的熱源供應(yīng)。除了工藝設(shè)計(jì)上采用四級(jí)窯尾預(yù)熱器提供較高溫度的窯尾廢氣熱量，增加窯頭接力風(fēng)機(jī)將來(lái)自窯頭的余熱尾氣引入原料磨系統(tǒng)等方式外，還需要通過(guò)外加熱風(fēng)爐等補(bǔ)充不足的熱源。但如果完全采用燃燒熱風(fēng)爐的供應(yīng)熱源方式，會(huì)增加單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，因此需要考慮是否能夠利用其他設(shè)備的尾氣余熱。在工廠設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到工廠附近的供電不穩(wěn)定，而且相較電網(wǎng)供電電費(fèi)，自備燃?xì)馔钙桨l(fā)電成本更低，因此業(yè)主方增加了一套16 MW的燃?xì)馔钙皆O(shè)備，以配套新建水泥廠項(xiàng)目的生產(chǎn)用電。最終，原料粉磨工藝設(shè)計(jì)上聯(lián)通并利用燃?xì)馔钙皆O(shè)備的余熱尾氣，降低了原料粉磨系統(tǒng)熱風(fēng)爐的燃料消耗和原料生產(chǎn)成本。

根據(jù)Pfeiffer設(shè)計(jì)的原料粉磨系統(tǒng)熱平衡需求表1所示，要滿足額定產(chǎn)量420 t/h（干基）原料的產(chǎn)量，進(jìn)入立磨原料的綜合水分按28%計(jì)算，烘干原料需要的熱值應(yīng)達(dá)到512 646 MJ/h以上，應(yīng)保持立磨的入口風(fēng)量在720 000 Nm3/h左右，溫度保持在502℃左右。根據(jù)四級(jí)預(yù)熱器燒成系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣熱源計(jì)算，窯頭窯尾及其他物料帶來(lái)的能供應(yīng)的總熱量約為232 137 MJ/h，燒成系統(tǒng)所能提供的熱源僅僅為原料粉磨系統(tǒng)熱源需求量的45.28%。因此為了完全烘干白堊土原料，從外部引入的熱源是必要的，熱供流程見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)的基本原理是在一般石灰石作為原料生產(chǎn)的基礎(chǔ)上增加熱風(fēng)爐系統(tǒng)，同時(shí)為了降低能源消耗，在熱風(fēng)爐的后方增加了匯風(fēng)箱，可以根據(jù)工況要求收集混合新風(fēng)或新風(fēng)和燃?xì)馔钙降母邷匚矚饣旌蠚庾鳛闊犸L(fēng)爐燃燒所需的空氣供應(yīng)，而高溫的燃?xì)馔钙轿矚庠跐M足原料粉磨系統(tǒng)熱源需求的基礎(chǔ)上又可以降低熱風(fēng)爐的燃燒出力，從而減少燃料的消耗。

表1 原料粉磨系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)熱量平衡表

2 熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

根據(jù)熱平衡表，需要引入的外部熱源最小熱值不應(yīng)小于245 042 MJ/h[1]。工廠擬使用的天然氣熱值約為35 998 kJ/Nm3。因此，采用純熱風(fēng)爐提供熱源的工況條件下，需要的天然氣流量至少為6 817 Nm3/h?？紤]到窯、磨系統(tǒng)的冷態(tài)啟動(dòng)工況下，窯尾及窯頭的熱風(fēng)量為零，以及其他影響系統(tǒng)的可靠性因素，為保證熱源的穩(wěn)定提供，熱風(fēng)爐系統(tǒng)出風(fēng)口最大熱風(fēng)流量289 231 Nm3/h，出口風(fēng)溫800℃，輸出熱功率94.482 MW。

外部熱源供應(yīng)設(shè)計(jì)上，需要考慮熱風(fēng)爐系統(tǒng)和燃?xì)馔钙较到y(tǒng)的兩個(gè)熱源如何連接起來(lái)，并最終輸入到立磨熱風(fēng)入口。考慮到熱風(fēng)爐和燃?xì)馔钙降脑O(shè)備特點(diǎn)和工況要求，兩者工藝連接上只能選擇熱風(fēng)爐作為最終的熱源輸出設(shè)備，燃?xì)馔钙降臒嵩幢仨毻ㄟ^(guò)熱風(fēng)爐后再輸出。通過(guò)對(duì)各類熱風(fēng)爐設(shè)備選型考察，法國(guó)fivesPillard公司生產(chǎn)的110 MW熱風(fēng)爐可以實(shí)現(xiàn)工藝要求，熱功率輸出也滿足要求。

依據(jù)此工藝需求，并結(jié)合整個(gè)工廠冷態(tài)啟動(dòng)所需的總熱源情況，本項(xiàng)目選擇了熱功率輸出能力110 MW的法國(guó)fivesPillard熱風(fēng)爐，設(shè)備最大天然氣流量為11 950 Nm3/h，最大提供熱源為429 578 MJ/h，設(shè)備工藝參數(shù)完全滿足立磨熱源供應(yīng)需求，且擁有較大的富余量為立磨系統(tǒng)的熱源需求提供了充足的調(diào)節(jié)范圍。系統(tǒng)主要由熱風(fēng)爐爐體、框架矩陣式燃燒器、天然氣閥組、新風(fēng)風(fēng)機(jī)以及附屬點(diǎn)火、冷卻風(fēng)機(jī)組等構(gòu)成。

根據(jù)熱風(fēng)爐設(shè)備工藝參數(shù)要求，熱風(fēng)爐本體及進(jìn)出口風(fēng)道如圖2所示，設(shè)計(jì)計(jì)算熱風(fēng)爐出口管道內(nèi)徑3.3 m，熱風(fēng)爐體為圓錐筒型，最大處直徑6.5 m，為了使新風(fēng)和燃?xì)馔钙綗犸L(fēng)在進(jìn)入熱風(fēng)爐爐體前能夠充分進(jìn)行預(yù)混合熱交換均勻，熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)徑3.5 m，長(zhǎng)度為19 m直線段穩(wěn)流風(fēng)管。穩(wěn)流管的末端設(shè)計(jì)有一個(gè)匯風(fēng)箱見(jiàn)圖2右側(cè)，匯風(fēng)箱的兩端分別連接兩個(gè)進(jìn)風(fēng)通道，連接新風(fēng)風(fēng)機(jī)和燃?xì)馔钙轿矚?，并通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

3 燃?xì)馔钙较到y(tǒng)設(shè)計(jì)

由于白俄羅斯電力供應(yīng)不穩(wěn)定，大型工業(yè)工廠均需自備一套燃?xì)獍l(fā)電電站。白俄羅斯緊鄰天然氣資源豐富的俄羅斯，天然氣的價(jià)格也較低，因此KN工廠在設(shè)計(jì)之初根據(jù)工廠的用電量需求，配套設(shè)計(jì)了一套發(fā)電能力16 MW，采用卡特彼勒公司旗下的“索拉”Titian 130燃?xì)馔钙皆O(shè)備，額定工況下燃?xì)鈾C(jī)組的廢氣排氣溫度為490℃，流量約275 000 Nm3/h，計(jì)算熱值約為138 600 MJ/h。為了充分利用該部分熱能，將熱源直接連接至熱風(fēng)爐的進(jìn)氣端匯風(fēng)箱，也不會(huì)產(chǎn)生額外的尾氣排放，正常額定工況燃?xì)馔钙酵度脒\(yùn)行增加保證了熟料生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行的可靠性，排放尾氣的充分利用也減少了熱風(fēng)爐天然氣消耗。

4 節(jié)能分析

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)流程圖，來(lái)自燃?xì)馔钙?90℃的尾氣在匯風(fēng)箱和常溫新風(fēng)空氣進(jìn)行混合熱交換，形成約360℃左右的熱源氣流，該氣流再通過(guò)穩(wěn)流管提供給熱風(fēng)爐燃燒所需的氧氣。平穩(wěn)的新風(fēng)和燃?xì)馔钙降奈矚饣旌蠚怏w既提供了熱風(fēng)爐燃燒需要的氧氣，也提供了熱風(fēng)爐框架矩陣式燃燒器穩(wěn)定燃燒所需的穩(wěn)定均勻的氣流，保障了燃燒的穩(wěn)定和可靠，從而提高了燃燒器的燃燒效率。同時(shí)，由于引入了燃?xì)馔钙降臒嵩纯梢越档蜔犸L(fēng)爐的熱源輸出。而整個(gè)系統(tǒng)輸出的總熱值也能滿足立磨系統(tǒng)入口熱值的需求，燃?xì)馔钙降倪\(yùn)行也可以為工廠提供約16 MW/h用電量，減少支付從電網(wǎng)獲得電能的電費(fèi)，并且提高了整個(gè)工廠電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。項(xiàng)目投入運(yùn)行后，經(jīng)測(cè)定，燒成系統(tǒng)穩(wěn)定額定工況供熱情況下，原料粉磨系統(tǒng)原料喂料量設(shè)定 520 t/h（干基約 380 t/h）時(shí)[2]，在燃?xì)馔钙轿赐度胧褂们闆r下，熱風(fēng)爐的天然氣消耗量為6 200 Nm3/h左右；燃?xì)馔钙酵度氩⒃陬~定工況下，熱風(fēng)爐天然氣的消耗量為4 400 Nm3/h，減少的天然氣消耗量約1 800 Nm3/h，能耗降低率約29%。考慮到管道傳輸?shù)臒釗p失，這種燃?xì)馔钙接酂嵛矚饫梅绞交具_(dá)到了預(yù)期的節(jié)能目標(biāo)。

5 結(jié)論

KN工廠利用高粘濕性的原料進(jìn)行水泥熟料生產(chǎn)，工藝要求不同于國(guó)內(nèi)一般水泥生產(chǎn)情況。水泥工藝首先要解決原料的烘干問(wèn)題，如果烘干所需熱源不能完全靠燒成系統(tǒng)提供解決全部熱源，就必須引入外部熱源。在此情況下，單純從外部引入熱源將大幅增加整個(gè)工廠的單位產(chǎn)品熱耗，增加生產(chǎn)成本，因此可以選擇在具備天然氣供應(yīng)優(yōu)勢(shì)且又存在電力需求不穩(wěn)定或缺口的某些國(guó)家區(qū)域，設(shè)計(jì)采用燃?xì)馔钙胶蜔犸L(fēng)爐聯(lián)合的方案，既保證電力的穩(wěn)定，同時(shí)又能降低單位產(chǎn)品的熱耗，為類似項(xiàng)目的方案推廣提供借鑒。