電石渣制水泥生產線優化升級改造

曹海濤，楊蒙

我公司2 500t/d 電石渣制水泥熟料生產線于2012 年投產，以二級預熱器出口約580℃的廢氣為熱源烘干主鈣質料濕電石渣。自投產以來，生產線存在水泥窯結圈、預熱器結皮堵塞頻繁、出篦冷機熟料溫度過高、電石渣輸送及烘干破碎系統故障多、無法滿足NOX超低排放標準等諸多問題。

電石渣制水泥生產線的原料特性與常規石灰石制水泥生產線的原料特性不同，二者的生產工藝也有較大差異，且國內電石渣制水泥生產線較少，生產工藝不成熟，可借鑒經驗較少。近年來，我公司不斷摸索實踐、總結分析，制定了一系列優化改進技術措施，較好地解決了長期困擾電石渣制水泥生產線穩定運行的難題。

1 解決預熱器結皮堵塞及窯結后圈工藝問題

1.1 氯、硫有害組分形成的原因分析

電石渣制水泥與石灰石制水泥的一個重要區別是電石渣帶入的氯離子比常規石灰石制水泥生產線要高。氯離子在分解爐內與CaO 反應生成氯化鈣，氯化鈣在固相反應區或更高溫度下與堿反應生成氯化堿。氯主要以氯化堿化合物的形態揮發，生成的氯化鉀沸點低、揮發率高，可以直接由固態升華為氣態揮發，經多次循環富集后，濃度逐步升高。

電石渣制水泥生產線生產過程中，由原燃料帶入的硫，在分解爐內被碳酸鈣分解產生的堿性氧化物吸收（如CaO等），形成硫酸鹽進入回轉窯。部分硫酸鹽在回轉窯高溫區域發生分解，分解產生的SO2再次進入分解爐并被爐內的CaO等堿性氧化物吸收，由此形成硫在分解爐-回轉窯的高溫循環。

1.2 預熱器結皮及窯結圈原因分析

在氯化堿與硫酸鹽等組成的多組分系統中，最低共熔點為650℃～700℃，以熔融態粘附在預熱器內物料表面，形成液相粘膜。隨著溫度的升高，液相粘膜粘附性增大，對末級旋風筒入窯熱生料的溫度變化尤為敏感。入窯熱生料溫度偏高，會造成預熱器結皮加劇，極易產生堵塞[1]。分解爐-回轉窯有害組分的循環富集，導致入窯熱生料的有害組分含量偏高，增大了入窯物料的液相量，改變了物料的液相粘度。當入窯物料成分波動大時，窯內火焰會發生伸長與縮短的往復變化，分解的物料與液相不斷混合，造成燒成帶末端的窯皮不斷增厚，進而發展為后結圈。

1.3 預熱器結皮及窯結圈改進控制措施

1.3.1 優化入窯表觀分解率計算方法

在分解爐出口溫度為950℃的情況下，檢測入窯表觀分解率時，因入窯熱生料所含KCl組分已揮發，導致該溫度下檢測的分解率偏低，對實際操作控制易產生誤導。在評估實際入窯分解率時，應考慮測試時KCl揮發對檢測數據的影響。

入窯熱生料的化學成分檢測數據如表1所示。根據化學反應方程式：K2O+CaCl2=2KCl+CaO，由表1中的Cl-含量可推算出KCl含量為4.65%，實際入窯分解率應在檢測值基礎上加4.65%。入窯熱生料有害組分含量與對應分解爐出口溫度控制值如表2所示。鑒于有害組分含量高時，預熱器結皮對溫度的敏感狀況，實際生產時，應根據入窯熱生料有害組分總量的高低，控制分解爐出口溫度。

表1 入窯熱生料的化學成分檢測數據，%

表2 入窯熱生料有害組分含量與對應分解爐出口溫度控制值

1.3.2 改善物料易燒性

通過在生料配料中引入礦山廢渣、鐵選礦污泥等原料，降低生料配料中易燒性較差的河沙用量，適當降低生料細度、熟料硅率，降低燒成溫度，減少硫、氯的揮發。

1.3.3 燃燒器采用中心定位

避免煤粉落入熟料中，造成局部還原氣氛，加劇硫酸鹽的揮發。

1.3.4 增加氣體分析儀，實時監測參數變化

（1）增加窯尾煙室高溫氣體分析儀，確保窯內氧化氣氛，實時檢測窯尾煙室的CO、NO、SO2和O2含量，正常操作時，CO≤0.05%、1 100ppm≤NO≤1 500ppm、SO2≤50ppm、3%≤O2≤5%。

（2）每2h 檢測一次熟料及入窯熱生料的SO3、K2O、Na2O 和Cl-含量，實時掌握硫、氯的揮發率變化情況。若熱生料SO3、K2O、Na2O、Cl-含量升高且熟料中SO3、K2O、Na2O、Cl-含量降低，說明窯內的硫、氯揮發率在升高，需及時進行調整。

通過采取以上技術措施，降低了有害組分在系統內的揮發率，輔之以數據監測和參數控制，有效解決了預熱器結皮堵塞和窯結后圈問題。

2 窯頭燃燒器改造

2.1 窯頭燃燒器存在的問題

（1）窯頭燃燒器設計規格偏大，燃煤能力10～12t/h，生產過程中，窯頭實際用煤量為5.5～6.0t/h。工作狀態下，一次風用量達17.8%，摻入冷風多，造成煤耗升高。

（2）窯頭燃燒器在煅燒過程中，火焰溫度低，對生料的波動適應性較差。當生料KH值或SM值稍偏高，游離氧化鈣即偏高。游離氧化鈣合格率偏低，燒成帶末端易結厚窯皮。

2.2 窯頭燃燒器改造方案

經對比分析國內各燃燒器產品情況，結合電石渣生產線所使用的原煤煤質情況和生料成分波動大的特點，改造時選用高推力、一次風量為8%～10%的燃燒器。雖然一次風過剩會造成熱耗增加，但一次風風量適當偏大的燃燒器的抗干擾能力強、推力大、火力強勁，能提高煤粉燃盡率、燒成溫度和產量[2]，與當前生產線現狀相匹配。窯頭燃燒器改造方案如下：

（1）將燃燒器整體更換為五風道煤粉燃燒器。

（2）更換一臺窯頭一次風機，流量76m3/min（正常使用50m3/min），壓力58.6kPa，功率110kW，更換相應電氣設備。

（3）新增一臺平衡風機，風量1 485m3/h，全壓11 439Pa，電動機型號Y160M2-2，功率11kW。

（4）更換窯頭送煤管道，管道內徑由194mm 改為180mm。

五風道煤粉燃燒器投入使用后，對生料的波動適應性增強，熟料升重增加，游離氧化鈣合格率提升，窯燒成帶末端長厚窯皮的問題得到解決。

3 篦冷機系統鼓風及排風等關鍵部位改造

現使用篦式冷卻機型號為TC-1168，生產能力2 800t/d，出料溫度65℃+環境溫度。受窯提產及設備磨損老化影響，熟料冷卻效果變差，系統熱回收效率降低。通過新增窯頭廢氣處理系統，優化改造篦冷機本體，實現了高效生產。

3.1 窯頭廢氣處理改造

3.1.1 改造必要性

該生產線窯頭未配置廢氣處理系統及余熱發電系統，窯頭廢氣一部分與預熱器廢氣匯合后入烘干破碎系統，用于補充預熱器廢氣電石渣烘干用風，烘干電石渣后經窯尾袋收塵器處理后排空；一部分用于煤磨烘干用風，經煤磨袋收塵器處理后排空；另一部分用于生料磨烘干用風，經生料磨收塵器處理后排空。

篦冷機廢氣為含氧量21%的空氣，入窯尾后氧含量高達12%以上，窯尾在線監測煙塵折算值高，無法滿足≤5mg/Nm3的排放標準。上游化工企業對壓濾工藝進行升級改造后，電石渣水分由40%降至32%，預熱器余熱已能夠滿足電石渣的烘干。在此情況下，封堵了窯頭廢氣直接進入烘干破碎系統的通道，導致篦冷機余風排放能力減小，篦冷機鼓風受限，冷卻能力不足，在生產過程中，熟料溫度經常在200℃以上，對篦冷機篦板、熟料輸送設備的安全運行均帶來了隱患，對后續水泥生產也帶來了不利影響，氣溫高時，回轉窯被迫減產。

3.1.2 改造方案

新增一套窯頭廢氣降溫與除塵系統，提高窯頭廢氣處理能力。在現有窯頭二層平臺上的空地新增一臺空冷器，在電力室與窯頭槽式輸送機之間的空地新增一套收塵器及風機。新增設備布置如圖1～圖3所示。部分窯頭高溫廢氣先通過空冷器降溫，再進入新建的袋式除塵器除塵后排空。主機設備參數如下：

圖1 新增設備布置平面圖

圖2 新增設備布置剖面圖1

圖3 新增設備布置剖面圖2

（1）新增空冷器：處理風量150 000Nm3/h，入口溫度≤350℃，出口溫度≤200℃。

（2）新建收塵器：處理風量125 000m3/h，正常廢氣溫度≤200℃，排放濃度≤10mg/Nm3。

（3）新建風機：處理風量130 000m3/h，靜壓-3 000Pa，電機功率180kW。

3.2 篦冷機本體優化改造

3.2.1 一段固定篦床改造

篦冷機性能主要取決于篦床系統運行效率，因而篦冷機改造的核心就是改造篦床。細化篦床供風單元、優化篦板形式及配風合理性是提高篦床性能的主要手段。

篦冷機的本體改造主要是針對固定篦床急冷高溫段（即一段），具體改造部位如圖4紅圈區域所示。原設備外殼體、底部框架保持不變，拆除原有固定篦床（5排固定充氣梁、35塊篦板、10塊盲板），更換為新型急冷充氣箱，重新布置原一室3臺風機篦下充氣管道。急冷充氣箱采用分區供風，每一塊篦板均配置管道風量平衡閥，改變物料離析導致的料層阻力不均勻進而影響供風的現象。將固定篦床分為3個獨立的供風單元，由橫向供風改為縱向供風。改造后的高溫段固定篦床結構如圖5所示。

圖4 固定篦床急冷高溫段

圖5 改造后的高溫段固定篦床結構

3.2.2 一段風機擴容改造

利用電石渣生產的水泥熟料結粒細，通風阻力大，一段風機運行電流普遍偏低，存在一段鼓風能力不足且風機效率偏低的問題。利用高效風機對篦冷機一段的4 臺充氣梁風機和二室風機進行替換性改造，改造后風機裝機功率略有增加，篦冷機一段風機改造前后的參數對比如表3所示。

表3 篦冷機一段風機改造前后的參數對比

通過上述改造，篦冷機熱回收效率提升，二、三次風溫提高，鼓風能力和排風能力提升，解決了篦冷機因冷卻風量不足造成熟料溫度偏高的問題，提高了生產系統穩定性。

4 電石渣輸送設備優化改造

上游提供電石渣原料的化工企業對壓濾工藝進行了升級改造，電石渣水分由40%降至32%，水分的降低使電石渣物理特性發生改變，原有水泥生產配套的輸送設備已不適應生產需求，設備運行功率增加，卡堵事故頻發。通過優化改造輸送設備，降低了輸送系統能耗，提升了系統運行可靠性。

4.1 電石渣刮板機改造

4.1.1 改造必要性

壓濾工藝升級改造后，電石渣水分由40%降至32%，壓濾機下方的刮板機經常“壓”死，維修時間較長，導致輸送設備不能正常輸送電石渣，影響烘干破碎系統的連續穩定運行，需開啟管道噴水，以降低廢氣溫度，但此舉易引發廢氣管道結壁，從而影響系統通風，甚至造成塌料，壓停烘干破碎機。

4.1.2 改造方案

拆除刮板機，在鋼構廊道增加兩排承重鋼梁，加寬兩側鋼構廊道，截短壓濾機下料倉；安裝膠帶輸送機，重新制作下料倉，在兩側安裝導料護皮。

以上改造很好地解決了電石渣輸送不穩定及因電石渣不能及時輸送導致的烘干破碎系統不能連續運行等問題。

4.2 烘干破碎喂料鎖風雙管螺旋輸送機改造

4.2.1 改造必要性

烘干破碎喂料鎖風雙管螺旋輸送機在輸送電石渣時經常發生壓死、斷料、掉葉片、斷軸等事故，尤其在電石渣水分降低后，故障更加頻繁，對生產系統的連續穩定運行造成極大影響，需停機檢修，費時、費力且浪費能源。

4.2.2 改造方案

拆除原有雙管螺旋輸送機設備，更換為密封板式定量給料機。根據擬更換密封板式定量給料機結構及尺寸，利用現場空間建設土建基礎及非標框架，在此基礎上安裝密封板式定量給料機和稱重料倉。通過設定稱重料倉倉重，適時調整給料機頻率，實現自動控制下料功能，稱重料倉料封后，可以有效防止系統漏風，最終確保物料連續穩定輸送。密封板式定量給料機實物照片如圖6所示，改造后的下料示意如圖7所示。

圖6 密封板式定量給料機實物照片

圖7 改造后的下料示意

改造完成后，電機功率由90kW降至11.95kW，且料封效果顯著，較好地實現了系統節能降耗，減少了不必要的停機次數，系統運行更加高效。

5 預分解系統分級燃燒改造

電石渣制水泥生產線由于電石渣原料供應量不足，加入了20%左右的石灰石，原材料有害組分含量高，分解爐控制溫度偏低，實際入窯的物料分解率僅有90%～92%。窯內煅燒負荷大，窯尾煙室NOX含量高，在控制窯尾NOX排放＜100mg/Nm3的情況下，噸熟料氨水用量5.5kg，熟料成本升高，需對分解爐分級燃燒工藝進行改造，降低NOX排放。

5.1 分級燃燒改造技術路線

拆除原雙路三次風管，改為單路側旋進風，將三次風管上移入分解爐位置，在煙室縮口至三次風管之間建立還原燃燒區，盡量延長還原區長度，以保證脫硝還原燃燒空間充足。同時，在煙室縮口上方噴入分解爐用煤，使其缺氧燃燒，以產生CO、CH4、H2、HCN 和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NOX發生反應，將NOX還原成N2等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒，抑制了自身燃料型NOX的產生，從而實現了水泥生產過程中NOX的減排。為防止還原燃燒區內局部溫度過高，形成結皮堵塞分解爐，將C1旋風筒下料的部分生料喂入還原燃燒區。

5.2 改造方案

5.2.1 加長、加粗原鵝頸管

保留原來的分解爐，拆除從分解爐側壁接入的?4 100mm 鵝頸管。在分解爐頂部增加?4 500mm鵝頸管，穿過71.625m 平面，向上折返后連接到C2進口。鵝頸管長度由8m 增加至30m，容積增加約296m3。改造后，鵝頸管氣體停留時間增加約2.18s，滿足了料氣換熱、物料分解、煤粉燃燒等物理化學反應過程的需要，保障了煤粉燃盡率。

5.2.2 拆除原雙路三次風管，改為單路側旋進風并移位

封堵原雙路三次風管靠近窯尾處，上部開孔接入?2 400mm 單路風管，相比原三次風管上移約7m，水平切向進入分解爐。改造后，在煙室縮口至三次風管之間建立起還原燃燒區，確保氣體在其間停留約1.5s，將NOX還原成N2，抑制自身燃料型NOX產生。

5.2.3 拆除C1 下料管，重新布置無外風節能型強旋流燃燒裝置

保留原上部C1下料管和下部南側C1下料管，去除下部北側下料管，分一部分料下料至分解爐錐體，防止還原燃燒區內局部溫度過高形成結皮。在分解爐錐體縮口上方，以下部C1 下料管中心為中軸線，對稱布置兩套無外風節能型強旋流燃燒裝置，同時，窯尾煤粉輸送管道內徑由250mm 改為230mm，降低窯尾煤粉輸送用風量。

此次分解爐分級燃燒技改后，噸熟料氨水用量下降＞50%，在窯尾NOX排放濃度＜100mg/Nm3情況下，噸熟料氨水用量約為2.5kg，實現了超低排放目標，達到改造預期效果。

6 結語

電石渣制水泥生產線不同于正常石灰石制水泥生產線，需根據電石渣自身物化特性并結合生產工藝、原燃材料性質及設備特點等，全面加強生產過程環節管控。優化升級改造后，我公司2 500t/d電石渣制水泥生產線運行穩定，實現了電石渣制水泥生產低煤耗、低CO2排放、低生產成本的目標。