水泥窯節能降耗技術改造

劉小龍，韓博文，吳亮

1 前言

我公司某水泥熟料生產線，于2010年投產運行，近年來生產線能耗、運行成本居高不下，早期的生產工藝及裝備水平已無法滿足公司發展需要。2019年，實物煤耗和標準煤耗分別達到161.22kg/t和113.69kg/t，燒成工序電耗達到42.53kW·h/t；為實現NOX排放濃度＜320mg/m3的目標，脫硝系統氨水消耗量平均為2.9kg/t.cl；同時，系統“跑、冒、滴、漏”現象較為嚴重，窯尾廢氣氧含量（生料磨停）高達8.5%，高能耗、高成本運行嚴重制約著企業的發展。為實現綠色低碳發展，我公司對窯系統進行了節能降耗技術改造，并加強精細化管理，取得了較好的效果。

2 節能降耗改造措施

2.1 預熱器系統降阻改造

2.1.1 預熱器系統運行現狀

水泥熟料生產線窯尾預熱器為雙列五級預熱器，C1旋風筒規格為4m×φ4.7m，C2～C5旋風筒規格為5.8m×φ6.8m，分解爐規格為φ7.6m（φ5.8m），容積2 804m3；2019年，熟料產量為225t/h時，C1旋風筒出口壓力達到-6 300Pa左右；各旋風筒進口面積設計偏小，分解爐縮口設計偏小，預熱器系統整體阻力偏高。系統阻力高導致風量不足，氧含量不能滿足煤粉燃燒需求，窯尾煙室、分解爐出口氧含量分別為1.2%、1.4%，CO含量在0.2%～0.5%之間，能耗增加的同時，嚴重制約了窯產量的進一步提高。高濃度CO與部分氨水進行反應，脫硝系統氨水用量達到0.65t/h左右；同時，因系統阻力高，風速降低，導致系統壓力波動范圍增大，分解爐出口壓力平均波動范圍約200Pa，出現分解爐塌料頻繁，窯系統熱工制度不穩，煤粉后燃，預熱器結皮堵塞頻繁等情況。

2.1.2 預熱器系統降阻節能優化措施

經分析研究，我公司于2020年初，利用錯峰限產檢修期間，對預熱器系統實施了一系列降阻節能優化措施。

（1）提高旋風筒氣固分離效率。C1旋風筒是窯尾煙氣經過的最后一級旋風筒，需具備較高的氣固分離效率，以降低預熱器出口煙氣粉塵濃度，減少出預熱器煙氣帶走熱量。本次改造將C1旋風筒內筒長度延長400mm，同時為避免通風阻力的增加，采用了敞口式布置，有效提高了旋風筒氣固分離效率。

（2）增加旋風筒進風口通風面積。實驗表明，在一定范圍內，旋風筒進口風速對壓損的影響遠大于對氣固分離效率的影響，因此，在對氣固分離效率影響不大、進口不產生過多物料沉積的前提下，可適當擴大旋風筒的進口面積，以降低旋風筒進口風速和阻力。本次改造將預熱器C2～C4旋風筒進風口硅鈣隔熱板替換為厚度25mm的納米新材料隔熱板，在提高隔熱效果的前提下，進風口單面直墻厚度降低了75mm，有效增加了旋風筒進風口通風面積。

（3）擴大窯尾通風面積。本生產線分解爐爐容較大，在使用煙煤的情況下，基本能夠滿足氣體停留時間＞6s的要求，但分解爐出口壓力持續在1 400～1 500Pa左右，煙室至分解爐縮口偏小，阻力過高，造成水泥窯及分解爐內風量不足。本次改造將煙室至分解爐縮口由2 450mm擴徑為2 500mm，同時，將煙室斜坡至月牙門高度由1.94m提高至1.99m，有效擴大了窯尾通風面積。

（4）改造分解爐下料管撒料盒。將C4旋風筒入分解爐下料管撒料盒揚料板延長200mm，有效提高了撒料的均勻性和熱交換效率，分解爐出口溫度波動幅度降低10℃。

2.1.3 改造效果

經改造優化，2020年，水泥窯產量階段性達255t/h以上時，C1旋風筒出口壓力-6 000Pa左右，較改造前下降300Pa；窯尾煙室、分解爐出口氧含量分別為2.0%、2.1%左右，CO含量在0～0.05%之間波動，屬正常范圍；分解爐塌料情況基本消除，窯系統熱工制度較為穩定，預熱器結皮大幅減少，全年因預熱器結皮堵塞造成的止料同比2019年減少3次，止料時間減少40.94h。

2.2 主要風機節能改造

2.2.1 將高溫風機改造為高效節能風機

2019年，針對水泥窯能耗高、產量偏低的問題，我公司對生產線高溫風機進行了性能指標測量標定。標定結果顯示，高溫風機單機電耗高達13kW·h/t，高溫風機滿負荷運行，產量無提升空間。

為提高高溫風機做功效率，2020年1月，我公司將原高溫風機更換為RCCF1004AZ/1743型高效節能風機。改造后，風機功率仍為3 300kW，風量104×104m3/h，風機全壓≥7 500Pa。改造措施如下：

（1）拆除原風機、電機聯軸器、進口調節門、進出口軟連接、部分進出口風道。

（2）根據設計圖紙要求的風機殼體安裝尺寸，對風機基礎進行處理，對地基實施二次灌漿固定。

（3）制作風機出口變徑管，改造進口褲腳管；安裝高效節能風機、聯軸器、調節門、進出口軟連接、連接進出口風道。

改造后，2020年4月，風機試運行。經檢測，風機做功效率達82.88%，4～10月份，風機電耗達10.18kW·h/t.cl，較2019年風機電耗12.77kW·h/t.cl降低2.59kW·h/t.cl，節電率達21%。高溫風機節能改造前后數據對比見表1。

表1 高溫風機節能改造前后數據對比

2.2.2 采用磁懸浮風機替換羅茨風機

原有窯頭一次風機采用一臺功率為220kW的羅茨風機，能耗高，噪聲嚴重超標，需增設降噪設施，同時，羅茨風機無法根據工況變化及時調整出風口風壓和流量。鑒于以上情況，2020年初，利用錯峰限產檢修，我公司將原窯頭一次風機更換為TR18507型磁懸浮鼓風機，該風機具有能耗低、做功效率高、噪聲低、變頻調速、無需添加潤滑油、維護簡單等諸多優點。改造后，一次風機實際運行功率約150kW，電耗同比下降0.3kW·h/t.cl左右，年節電41.9×104kW·h。

2.3 脫硝系統優化改造

原脫硝系統脫氮效率偏低，氨水消耗量持續偏高，脫硝系統中控界面如圖1所示。2020年脫硝系統氨水消耗量平均達2.9kg/t.cl，熟料生產脫硝成本高達1.75元/t，經公司研究，決定進行脫硝系統改造。主要改造措施如下：

圖1 脫硝系統中控界面

（1）采用分解爐高強還原燃燒控制技術。確保煤粉在分解爐內生成大量的CO、CHi、H2、HCN和碳等還原劑，將窯內產生的熱力型NOX強力還原成N2，從而大幅減少窯尾煙氣的NOX含量，脫硝效率達60%以上。

將三次風管盤龍段整體抬高1.5m，將煙室縮口和三次風進風口之間的分解爐區域建立為還原區；重新制作三次風管，連接分解爐上新開通道和膨脹節，形成新的三次風通道；相應提高新加三次風管角度，確保窯氣在還原區停留0.5s以上；優化原三次風管尺寸及進風方式，防止存在急彎而產生積料。三次風管盤龍改造圖如圖2所示。

圖2 三次風管盤龍改造后

（2）改造分解爐燃燒器。為穩定送煤氣流，保證送煤量的均勻穩定以及獲得均勻穩定的NOX還原區，將分解爐燃燒器全部更換為脫硝專用窯尾燃燒器，調整窯尾送煤管道尺寸。將4臺燃燒器安裝在煙室縮口上方的分解爐錐體上，離煙室縮口垂直距離約500mm處；將另外2臺燃燒器置于三次風管入分解爐區域上部，從而保證分解爐內溫度場的均勻穩定，避免出現局部高溫。分解爐燃燒器安裝位置如圖3所示。

圖3 分解爐噴煤管

（3）對C4下料管進行改造。將C4下料方式改為上、中、下三路（雙側六路）。將C4下料管下部入口調整至“天圓地方”上部，并設置撒料板。該調整主要是將相對低溫物料下移，吸收還原區高溫，凝聚窯氣中析出的堿、硫等有害成分，防止結皮的發生。將C4中部下料管入口調整至新三次風管入口上部，并設置撒料板。C4下料管上部入口不作改變。調整C4下料位置是為了調節富氧區的煤粉燃燒環境，同時，上、中、下多點分料，可減少物料分解時CO2集中釋放，改善煤粉燃燒環境，有利于提產。C4下料管改造前后對比如圖4、圖5所示。

圖4 C4下料管改造前示意圖

圖5 C4下料管改造后示意圖

（4）對煙室進行擴容。在煙室原基礎上，東西方向延伸200mm、南北方向延伸300mm，以解決煙室通風面積小、阻力高的問題。同時，將該處風速控制在8m/s以內，可有效減少入分解爐粉塵內循環負荷。改造后的煙室如圖6所示。

圖6 改造后煙室

脫硝系統改造后，于2021年3月投入試運行，截至2021年6月，氨水消耗量平均約0.9kg/t.cl，較改造前下降2.0kg/t.cl，同比下降69%。按2020年生產數據計算，年可節省氨水2 790t，節約生產費用253.9萬元。

2.4 其他改進措施

2.4.1 實施“五穩保一穩”，穩定窯況

（1）針對硫酸渣等粉狀物料因水分大等原因頻繁斷料，進而引起生料成分波動較大的問題，我公司利用錯峰限產檢修期間，對粉狀原材料儲庫下料溜子進行了優化改進。

通過加裝振打電機，在秤體設置料位裝置與振打電機聯鎖，在秤上料位不足時及時啟動振打電機，徹底解決了粉狀物料下料不暢，影響生料質量的問題。

結合中子在線配料系統的投運，出磨生料合格率大幅提升，2020年出磨生料飽和比合格率累計達到96.3%，同比2019年提高29.5%，取得了良好效果。

（2）進一步規范進廠原煤取樣檢驗環節，由質量管控部門與職能部門對煤質定期抽查比對并建立相應的考核機制，將質量不達標的原煤信息及時反饋物流部門，對供應商采取扣產、停供等措施，有力保證了進廠原煤質量。

（3）全力保障生料均化庫自動下料系統及煤粉輸送系統運行穩定，確保生料和燃料下料穩定，為進一步穩定水泥窯窯況奠定基礎。

通過采取以上措施，2020年，3號水泥窯年平均產量達244.5t/h，階段性穩定在257t/h左右，出窯熟料游離氧化鈣合格率87.4%，同比2019年提高5.8%。

2.4.2 利用先進檢測設備，及時排除故障隱患

通過使用熱成像分析儀、便攜氣體分析儀等先進檢測設備，定期檢測分析水泥窯系統工況，為控制生產過程參數提供合理可靠依據。結合窯尾廢氣氣體分析儀檢測數據，綜合分析水泥窯系統煅燒狀況及存在的問題，及時調整工藝煅燒參數，使工藝煅燒過程控制更為合理。同時，對檢測出的疑似存在結皮的區域及時進行處理，調整相應參數，排除故障隱患。2020年，水泥窯創造了無工藝故障連續運行128d的歷史紀錄，運行可靠性大幅提升，全年未發生過因結皮造成預熱器系統堵塞的問題。

2.4.3 加強“跑、冒、滴、漏”治理

對系統冷、熱風閥工效情況進行了全面排查，并對存在問題的相關設備的密封逐一優化更換；在生料輥磨加裝回轉密封下料器；同時，大力開展現場密封堵漏工作，對生料磨、預熱器系統及SP鍋爐漏風點層層排查，將檢查出的問題落實責任人限期整改，并追蹤驗證。多措并舉之下，窯尾廢氣氧含量從停磨工況下的8.3%大幅下降至目前的6.4%，生料工序電耗下降0.38kW·h/t。

3 改造效果

經采取一系列節能降耗改造措施、加強生產管理后，我公司水泥窯系統改造取得了顯著成效，改造前后生產能耗及抗壓強度對比見表2。同比2019年，2020年公司全年節煤8 315t，節約成本349.7萬元；全年節電1 156.6×104kW·h，節省電費578.3萬元。

表2 改造前后生產能耗及抗壓強度對比

以上能耗、質量等指標均創公司該條水泥窯生產線歷史最優水平，各項節能降耗改造、生產管理措施均取得了顯著效果，有效推動了我公司生產向綠色節能、低耗高效方式的轉變?！?/p>