5 500t/d水泥熟料生產線燒成系統的技術改造

陳學勇，陳廷偉，錢偉，許龍旭，龐小平

1 概述

某5 500t/d水泥熟料生產線于2009年投產，配置帶噴騰型分解爐的雙系列五級預熱器系統。旋風筒規格為C1：4-φ5.0m，C2：2-φ6.9m，C3：2-φ6.9m，C4：2-φ7.2m，C5：2-φ7.2m，分解爐規格為：φ7.5m×31.7m；回轉窯規格為：φ5m×68m，三檔回轉窯，斜度為4%；篦冷機采用第三代往復推動篦式冷卻機，生產線燒成系統主機配置見表1。由于該生產線已投產十多年，產量和能耗等指標均明顯落后于新建生產線。為提升生產線性能指標，降低運營成本，廠方決定對該生產線燒成系統進行節能降耗改造，2020年7月完成改造，改造效果顯著。

表1 5 500t/d生產線燒成系統主機配置

2 改造前的基本情況

2.1 熟料產質量及煤耗

回轉窯熟料產量約為6 300t/d，標準煤耗為103.5kg/t.cl，熟料3d抗壓強度約37.5MPa，28d抗壓強度約57MPa。在同規模生產線中，該生產線熟料產量處于一般水平，標準煤耗處于中上水平，熟料強度正常。生產線熟料產質量及煤耗統計結果如表2所示。

表2 熟料產質量及煤耗統計（2019年）

2.2 原燃料情況

采用石灰石、砂巖、頁巖和銅渣四種原料配料，生料中堿含量略高。采用無煙煤和煙煤的混合煤作為熟料燒成燃料。

水泥生料化學成分見表3。由表3可知，生料配料堿含量較高。根據實際情況，水泥廠對生料硫堿比進行了調整，調整后，生料SO3/R2O≈0.4，系統結皮情況并不嚴重。

表3 生料化學成分，%

熟料化學成分及率值見表4。由表4可知，熟料中的鎂含量、堿含量較高，在此情況下，為保證熟料強度，水泥廠采用了高飽和比、高硅酸率配料，造成熟料煅燒較為困難。

表4 熟料化學成分（%）及率值（2019年）

燃煤工業分析見表5。由表5可知，該生產線煤粉品質較好，揮發分和熱值均較高，硫含量正常。但由于燃煤為混合煤，各煤種的燃燒特性相差很大，對燃燒放熱效果仍會造成一定影響。

表5 燃煤工業分析

2.3 窯尾煙氣情況

窯尾煙氣成分標定數據見表6。由表6可知，在系統用風正常的情況下，窯尾煤粉存在明顯的燃燒不完全現象，分解爐出口CO含量＞0.12%，同時CO含量波動較大，說明存在燃燒不穩定的情況。

表6 窯尾煙氣成分標定數據

2.4 燒成系統存在的問題

（1）預熱器系統壓損高，C1旋風筒出口負壓＞6 200Pa，壓損高影響高溫風機拉風，從而限制產量的提升，增加燒成系統電耗。

（2）分解爐與C5旋風筒溫度存在倒掛的現象，分解爐爐內燃燒情況不理想，導致煤耗增加，影響系統產量的提升。

（3）在控制NOX排放＜300mg/Nm3的前提下，脫硝氨水用量約3kg/t.cl，脫硝成本較高。

3 改造目標及主要設備的改造方案

3.1 改造目標

針對生產線存在的問題，確定如下改造目標：

（1）C1旋風筒出口負壓由當前的6 200Pa降至5 500Pa。

（2）標準煤耗降低1.5kg/t.cl以上。

（3）脫硝氨水用量＜2kg/t.cl。

（4）熟料出篦冷機溫度≤65℃+環境溫度。

（5）熱回收效率≥74%。

3.2 預熱預分解系統的改造

3.2.1 擴大分解爐容積

原分解爐整體容積為2 500m3，不能滿足產量提高后煤粉燃燒的需要，同時，分級燃燒脫硝改造需要利用一部分爐容作還原區。經綜合考慮，決定對分解爐進行擴容改造。結合現場布置條件，對比分析了塔架內擴容和塔架外擴容兩個方案，并選定了塔架內擴容的方案，即對塔架結構進行改造，在當前分解爐的基礎上增高一層。改造后的爐容可達3 300m3，可同時兼顧煤粉充分燃燒與脫硝的需要。改造前后的分解爐示意如圖1所示。

圖1 改造前后的分解爐示意

3.2.2 實施C4旋風筒上下分料

由于采用無煙煤和煙煤的混合煤作為燃料，為滿足混合煤的充分燃燒，應盡可能提高主燃區溫度。此次改造將C4旋風筒錐部整體更換為“歪錐”，實現了C4旋風筒的上、下分料，可以靈活控制主燃區的溫度。

3.2.3 改造脫硝系統

將部分窯尾燃燒器布置在煙室縮口上方，并在燃燒器頭部加裝了新型旋流器，確保燃燒器噴出的煤粉能和貧氧的窯內氣體迅速反應，形成強還原氣氛，達到還原NOX、降低NOX濃度的目的。同時，將三次風管入爐位置提高到分解爐柱體上，保證氮氧化物有較大的還原空間和較長的還原反應時間，使還原區具有深度自脫硝效果，減少后續脫硝系統氨水用量。

3.2.4 優化撒料裝置

改造前，各級料管撒料盒內物料分散效果不好，影響換熱，且撒料盒的底部高于旋風筒頂蓋2 000～2 600mm，導致物料換熱時間較短。本次改造將撒料盒全部更換為分散效果更好的新型撒料盒，同時降低了各級撒料盒的安裝位置，使撒料盒底部高于旋風筒頂蓋＜1 500mm，延長了換熱時間，調整了料管的布置，料流更加順暢。

3.2.5 實施旋風筒降阻改造

針對旋風筒阻力高的問題，對各級旋風筒進行了降阻改造，確保提產后旋風筒阻力在合理范圍內，降低高溫風機負荷。旋風筒改造示意如圖2。

圖2 旋風筒改造示意

（1）計算旋風筒進風口風速等相關參數和內筒尺寸等，模擬實際工況，調整設計模型，增加旋風筒進風口面積，降低進風口風速，在不降低物料分離效率的同時，降低旋風筒的阻力。

（2）現場旋風筒進風口底部存在平段，為避免旋風筒進口積料，在各級旋風筒進風口底部增加倒切角。

（3）對旋風筒連接風管接口同步進行改造，適當調整內筒尺寸。

3.2.6 局部改造煙室

（1）對C5旋風筒料管背部入料部位進行局部優化改造，使料流順暢通過煙室入窯，減少揚塵，改善窯內通風，降低局部阻力。

（2）延長煙室拱頂至斜坡距離，降低通風阻力。

（3）清理生產線煙室結皮的工作量較大，且若不及時清理結皮，將會影響窯內通風，造成生產波動。為此，本次改造在煙室大面積應用了微晶板，既可減少結皮，又便于清理結皮。

3.2.7 減少預分解系統散熱損失

為減少預分解系統散熱損失，從隔熱保溫環節入手，采用了低導熱系數的納米隔熱材料替換了改造區域傳統的硅酸鈣板隔熱材料，大幅降低了預分解系統表面溫度，減少了散熱損失。

3.3 篦冷機的改造

原篦冷機已運行多年，存在設備老化，出篦冷機熟料溫度高，熟料急冷效果差，二、三次風溫低且不穩定，備件使用量大，運行、維護成本高等問題。

考慮到熟料MgO含量高、堿含量高、結粒偏大，本次改造選用中置輥式破碎機，通過在篦冷機中部破碎熟料，實現熱量的最大程度回收，既增加了余熱發電量，也提高了熟料冷卻效果。篦冷機具體改造情況如下：

（1）將原篦冷機拆除，整體更換為第四代步進式篦冷機。

（2）固定篦床采用高風速射流篦板，在減小堆“雪人”概率的同時，增強物料急冷效果，為穩定及提高二、三次風溫提供了保障。

（3）活動篦床為步進式結構，分為兩段。既可單獨調整不同列篦板的行程，又可獨立控制兩段篦床，以適應不同工況的變化。

（4）新篦床有效面積增至158m2，并重新配置了冷卻風機，裝機風量增加了15%。通過合理配風和使用節能風機，總裝機功率僅增加～2%，實際運行時功率會更低。

改造前后的篦冷機參數對比見表7，改造后的篦冷機結構如圖3所示。

圖3 改造后的篦冷機結構示意

表7 改造前后的篦冷機參數對比

3.4 回轉窯的改造

現有回轉窯規格為φ5m×68m，三檔窯，長徑比13.5，介于兩檔窯長徑比12和常規三檔窯長徑比15之間，回轉窯斜度4%，轉速0.35～4r/min。主電機功率800kW，為變頻電機，運行電流508A，額定電流為795A，運行負荷64%，主電機的功率有較大的富余量，能滿足改造要求。

改造前，窯速為3.4r/min，運行窯速較常規操作窯速偏低。為適應技改后工況的變化，需對回轉窯適當提速。為節約成本，本次改造僅通過改變窯主電機額定轉速，將回轉窯轉速提高至4.5r/min。

3.5 其他改造

根據改造后的窯系統產量，對高溫風機、窯頭排風機、窯尾排風機、入窯提升機等輔機設備參數進行了核算，并對不能滿足提產要求的設備進行了改造，確保輔機符合改造要求。

4 改造效果

該項目于2020年7月改造完成，共歷時45d，投產后，經一個月的調試，實現了窯爐用風的匹配，確定了各分料點分料比例。通過調整燃燒器適應新工況，優化第四代篦冷機用風，磨合新設備，生產線的主要運行指標均超過了預期，順利實現了達標達產并完成了項目驗收。

表8為改造前后篦冷機運行參數對比。按原煤1 200元/t、氨水700元/t、電價0.6元/kW·h，生產線年運轉300d計算，改造后的經濟效益情況如下：

表8 改造前后參數對比

噸熟料節約用煤5.56kg，噸熟料用煤成本降低：4.5×7 000/6 150/0.92×1 200/1 000=6.68元

噸熟料節約氨水2.6kg，噸熟料用氨水成本降低：（3-0.4）×700/1 000=1.82元

噸熟料節約用電1.8kW·h，噸熟料用電成本降低：1.8×0.6=1.08元

噸熟料合計降低成本：9.58元

每年約節省成本：7 100×300×9.58=2 040.5萬元

5 結語

通過擴大分解爐容積、增加氣體停留時間，解決了煤粉燃燒不充分的問題；通過增加分級燃燒和運行旋風筒降阻改造，解決了脫硝氨水用量大和窯尾壓損高的問題；通過應用配置了中置輥式破碎機的篦冷機，解決了二、三次風溫不穩定、出料溫度高的問題。經采取一系列改造措施，公司水泥生產線運行指標得到了全面優化，生產成本大幅下降，有效實現了節能降耗和提升產能的目標，提升了企業競爭力。■