預(yù)分解窯系統(tǒng)提產(chǎn)降耗技術(shù)改造及效果分析

龐海峰

（合肥水泥研究設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230051）

0 引言

近年來，隨著國家“雙碳”政策、能耗雙控等環(huán)保政策出爐，水泥行業(yè)能效指標關(guān)系到水泥企業(yè)的生存與發(fā)展。為降低能源消耗成本，提升市場競爭力，越來越多水泥企業(yè)圍繞能效指標有針對性地對設(shè)備和工藝進行技術(shù)升級與改造。在國家加快建設(shè)生態(tài)文明、大力推進節(jié)能減排的政策形勢下，M 公司對設(shè)計規(guī)模為2500t/d 熟料的生產(chǎn)線進行了全方位的提產(chǎn)降耗改造。本文僅介紹其在預(yù)分解窯系統(tǒng)實施的技術(shù)改造和達到的改造效果。

1 項目概況

M水泥有限公司現(xiàn)有一條設(shè)計2500t/d水泥熟料的預(yù)分解窯生產(chǎn)線，由天津水泥工業(yè)設(shè)計院設(shè)計，平均產(chǎn)量3084t/d，熟料燒成熱耗為116kg 標煤/t.cl，熟料綜合電耗為64.6kWh/t.cl。

預(yù)分解系統(tǒng)采用TFD 分解爐（帶有旁置流態(tài)化懸浮爐的組合型分解爐）+五級旋風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)，窯采用Φ4m×60m 斜度3.5%的三檔窯。

改造前，預(yù)分解窯系統(tǒng)存在一定的局限，造成單位熟料能耗高，生產(chǎn)成本高，已經(jīng)無法參與激烈的市場競爭。該公司根據(jù)企業(yè)自身的經(jīng)營狀況以及市場情況，決定對系統(tǒng)進行節(jié)能提產(chǎn)技改。

2 改造前生產(chǎn)線運行中的主要問題

（1）系統(tǒng)產(chǎn)量不高且不穩(wěn)定。改造前，系統(tǒng)實際產(chǎn)量為2800~3150t/d。由于該生產(chǎn)線使用的煤比較好，平均發(fā)熱量約6200kcal/kg，所以相對來說其產(chǎn)量并不算高，有進一步提升的空間。另外，TFD 爐屬于離線爐，操作難度大，當(dāng)生料或煤粉發(fā)生波動時，容易導(dǎo)致懸浮爐塌料，引發(fā)生料外溢事故。所以生產(chǎn)一直不穩(wěn)定，產(chǎn)量波動范圍大。

（2）煤耗偏高。熟料生產(chǎn)標煤耗偏高，基本在116kg標煤/t.cl以上，導(dǎo)致生產(chǎn)成本明顯偏高。

（3）系統(tǒng)阻力高。C1 旋風(fēng)筒出口負壓在6100~6700Pa，大部分時間在6500Pa左右。

（4）熟料綜合電耗高。熟料綜合電耗平均為64.6kWh/t.cl，熟料用電成本較高。

（5）篦冷機冷卻效率低。由于篦冷機冷卻效率低，導(dǎo)致二次溫度低，煤粉在窯內(nèi)煅燒速度慢，煤粉后燃嚴重，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯中后部長期存在長厚窯皮，縮口和煙室存在嚴重結(jié)皮。

3 提產(chǎn)降耗的技改措施

3.1 技改目標

熟料產(chǎn)量≥3300t/d；熟料燒成綜合標煤耗≤105kg/t.cl；C1 旋風(fēng)筒出口風(fēng)溫≤310℃；預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)阻力≤6000Pa。

3.2 改造內(nèi)容

為了達到熟料產(chǎn)量≥3300t/d，熟料標煤耗≤105kg/t.cl的目標，需對現(xiàn)有燒成系統(tǒng)進行技術(shù)改造。

窯尾的功能主要有，預(yù)熱器利用廢氣熱量預(yù)熱生料、減少預(yù)熱器出口含塵、在分解爐內(nèi)燃料充分燃盡滿足生料分解并進行熱力氮的近全部脫除，因此關(guān)鍵的運行指標為預(yù)熱器出口的溫度、壓力、CO 濃度、分離效率、自脫硝效率以及表面散熱。分解爐的技改主要考慮延長停留時間和還原區(qū)時間，優(yōu)化入爐風(fēng)、煤和料之間的設(shè)計，改造后分解爐容積增加，三次風(fēng)管上移，形成局部還原氣氛來降低NOx的排放濃度。優(yōu)化撒料盒的結(jié)構(gòu)改善換熱效率，對旋風(fēng)筒入口與分解爐出口進行降阻優(yōu)化。整體更換煙室，加大窯尾煙室最小有效面積，并相應(yīng)更換窯尾密封。

3.2.1 預(yù)分解系統(tǒng)的技改

為了提產(chǎn)且節(jié)約投資，拆除懸浮爐及其配套設(shè)備，將離線爐改為在線爐，保留原分解爐并適當(dāng)加長，增加鵝頸管；為減小系統(tǒng)阻力，加大關(guān)鍵部位的通風(fēng)面積；分解爐煤、料采用分煤、分料的設(shè)計，可以靈活調(diào)整煤料的比例，達到脫硝條件的靈活調(diào)整以適應(yīng)不同工況。分解爐下柱體、錐體改造，煤管上下2層，上部2個噴煤管布置在三次風(fēng)管上部，下部2 個噴煤管布置在分解爐錐部；入分解爐下料管改造，一路進料進入三次風(fēng)管上部，一路進料進入分解爐錐部，調(diào)節(jié)溫度，以防結(jié)皮。

技改后分解爐系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、阻力系數(shù)低、雙噴騰效應(yīng)、湍流回流作用強、物料分散及換熱效果好、溫度場和濃度場均勻、氣固停留時間長、原燃料適應(yīng)性強等優(yōu)點。

3.2.2 預(yù)熱器系統(tǒng)的改造

C1 旋風(fēng)筒是窯尾煙氣經(jīng)過的最后一級旋風(fēng)筒，設(shè)計上要求具有較高的分離效率，降低出預(yù)熱器煙氣粉塵濃度，減少出預(yù)熱器煙氣帶走的熱量，在保持較高分離效率的同時，還應(yīng)降低旋風(fēng)筒的阻力，減少后續(xù)風(fēng)機的磨損及收塵器的負荷[1]。

原有C1 旋風(fēng)筒規(guī)格明顯偏小，對應(yīng)的截面風(fēng)速偏高，將影響旋風(fēng)筒內(nèi)物料的分離，旋風(fēng)筒的阻力也將顯著上升。旋風(fēng)筒規(guī)格擴大后，進口風(fēng)速、內(nèi)筒風(fēng)速等均可相應(yīng)降低，C1 旋風(fēng)筒的阻力可顯著降低。采用合適的蝸殼結(jié)構(gòu)及內(nèi)筒插入深度等，提高C1收塵效率。

C2-C5 旋風(fēng)筒部分主要考慮降阻，主要通過增加進風(fēng)口的面積來降低進口風(fēng)速，從而降低旋風(fēng)筒的阻力。試驗表明，在一定范圍內(nèi)進口風(fēng)速對壓損的影響遠大于對分離效率的影響，因此，在不明顯影響分離效率和進口不致產(chǎn)生過多物料沉積的前提下，適當(dāng)擴大旋風(fēng)筒的進口面積，改造蝸殼，適當(dāng)降低進口風(fēng)速，可作為有效的技改降阻措施之一。如果進一步提產(chǎn)，旋風(fēng)筒的阻力將進一步增加。根據(jù)入口面積和風(fēng)速核算，對部分旋風(fēng)筒進風(fēng)口和蝸殼進行改造，擴大進口面積，相應(yīng)修改各級風(fēng)管風(fēng)口。

當(dāng)產(chǎn)量增大時，原有C2、C3、C4、C5 旋風(fēng)筒截面風(fēng)速偏大，進口風(fēng)速及內(nèi)筒風(fēng)速太高，出口管道風(fēng)速偏高。本次改造，增大了C2、C3、C4、C5直徑，采用弱渦流低阻旋風(fēng)筒蝸殼，增大內(nèi)筒直徑及出風(fēng)管直徑，保留原柱體部分。

3.2.3 下料管及撒料盒改造

本次改造對入爐料管進行多點分料設(shè)計以控制主爐溫度分布、還原氣氛的程度。同時由于分解爐擴容調(diào)整與撒料盒結(jié)構(gòu)的調(diào)整，下料管也需要進行相應(yīng)調(diào)整。料管改造的同時調(diào)整了支管上的分料閥、撒料盒，鎖風(fēng)閥等，并對管道進行重新布置。

為進一步改善預(yù)熱系統(tǒng)的換熱效率，本次技改計劃對撒料盒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，同時調(diào)整撒料盒位置。

3.2.4 煙室及窯尾密封改造

煙室是物料入窯和出窯氣體入爐的連接部位，在設(shè)計上要求物料能平穩(wěn)入窯，盡量減少揚塵，出窯煙氣通過煙室產(chǎn)生的壓損較小。本次提產(chǎn)設(shè)計中，更換為新設(shè)計的煙室，加大煙室縮口直徑，煙室與回轉(zhuǎn)窯連接部位進行優(yōu)化，最小截面積較大幅度增加，有利于降低煙室壓損，促進窯內(nèi)通風(fēng)[2]。本次煙室改造的優(yōu)勢如下：

（1）擴大斜坡與拱頂?shù)拇怪本嚯x，降低系統(tǒng)阻力，改善窯內(nèi)通風(fēng)。

（2）將喂料舌頭的包角增加到180°，適當(dāng)加長煙室喂料舌頭長度，減小密封處漏料的可能性。

（3）優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯尾端縮口尺寸：加大回轉(zhuǎn)窯尾端縮口有效尺寸，加大窯口護板有效直徑，達到減少窯內(nèi)通風(fēng)阻力的目的，也為優(yōu)化窯尾煙室結(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件。據(jù)此，進行了如下改造：

①煙室整體更換，擴大煙室最小通風(fēng)截面，加大喂料舌頭的包角；

②采用微晶板減少系統(tǒng)結(jié)皮；

③因煙室整體更換，現(xiàn)有的窯尾密封裝置及窯尾護板也同步更換，以配合加大的煙室與回轉(zhuǎn)窯的連接，同時優(yōu)化回料勺揚料板角度及數(shù)量，減少潛在漏料和漏風(fēng)風(fēng)險。

3.2.5 三次風(fēng)管局部改造

為了加強分解爐脫硝，控制氮氧化物的排放濃度，塔內(nèi)三次風(fēng)管入分解爐位置大幅度提高，大大增加了分解爐的還原區(qū)容積，因此提高了氮氧化物的還原時間和還原效率，可有效降低燒成系統(tǒng)本底氮氧化物排放濃度。

3.2.6 提高回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速

目前正常生產(chǎn)情況下，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到3.94r/min，接近4.0r/min（滿轉(zhuǎn)）。為提高回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，回轉(zhuǎn)窯最高轉(zhuǎn)速提至5.0r/min。

窯頭現(xiàn)使用的是第三代篦冷機，主要存在的問題如下：二次風(fēng)溫低，在980~1050℃之間波動；出冷卻機熟料溫度高，熟料溫度不會低于200℃；篦冷機入AQC 鍋爐取風(fēng)溫度低，造成余熱發(fā)電效率低，單位發(fā)電量低。

由于熟料溫度過高，帶來一系列的麻煩，它對后續(xù)設(shè)備的安全運行造成相當(dāng)大的危害，經(jīng)常燒壞熟料庫底皮帶輸送機，使水泥磨的中空軸溫度高，不能連續(xù)運行，尤其是夏天時熟料溫度更高。

本次技改采用第四代推桿節(jié)能高效篦冷機更換原有的第三代篦冷機。其最大的優(yōu)點：熱回收效率高，能大幅提高二次風(fēng)和三次風(fēng)風(fēng)溫，提高入AQC 爐氣體溫度，回收熟料的熱量多，使燒成系統(tǒng)煤耗降低。冷卻配風(fēng)僅為1.8Nm3/kg 熟料，相應(yīng)的配套冷卻風(fēng)機總裝機功率減少，電耗降低幅度較大。

技改時保留原窯頭框架，拆卸原第三代篦冷機，更換第四代推桿節(jié)能高效篦冷機。

4 改造效果

4.1 水泥熟料產(chǎn)量提升

2022 年2 月14 日，生料喂料量由改造前的185t/h提高到202t/h，窯尾提升機電流由改造前的119A 提高到135.3A。由于生料稱顯示值比實際值小，所以該水泥公司進行盤庫統(tǒng)計，確定當(dāng)天全天產(chǎn)量為3340t。

2 月16 日，喂料量提升至209.7t/h，當(dāng)天由于窯頭喂煤稱跳停，系統(tǒng)止料30min，即便如此，經(jīng)盤庫統(tǒng)計，當(dāng)天的產(chǎn)量為3380t/d。

2 月17 日，喂料量提升至211.8t/h，窯尾提升機電流提高到136A，經(jīng)盤庫統(tǒng)計，當(dāng)天的產(chǎn)量為3450t/d。

水泥熟料產(chǎn)量由3084t/d提高到3450t/d以上，目前生產(chǎn)線生產(chǎn)穩(wěn)定，且產(chǎn)量還在進一步提升。

4.2 水泥熟料熱耗下降

C1 預(yù)熱器出口溫度由原來的350℃下降到310℃，下降了40℃，隨著產(chǎn)量進一步提高，C1 預(yù)熱器出口溫度會繼續(xù)下降。系統(tǒng)熱耗下降明顯。根據(jù)2月14日、2月17 日盤庫熟料產(chǎn)量和煤粉稱下料量統(tǒng)計值，計算得出系統(tǒng)熱耗為104.5kg 標準煤/t.cl。水泥熟料熱耗由116kg標煤/t.cl降至104.5kg標煤/t.cl以下。

4.3 C1預(yù)熱器出口負壓降低

改造前，C1 預(yù)熱器出口負壓在6100～6700Pa，大部分時間在6500Pa 左右，改造后，C1 預(yù)熱器出口負壓在5500Pa左右，降低約1000Pa。

改造前，投料185t/h 時，高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速需開到885r/min；改造后，投料量為211.8t/h 時，高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速為816r/min。投料量增加了，高溫風(fēng)機的轉(zhuǎn)速反而下降了，從另外一個方面也說明了改造后系統(tǒng)阻力下降明顯，另外，改造后，高溫風(fēng)機還有富余，說明系統(tǒng)還有提產(chǎn)空間。

4.4 熟料綜合電耗降低

改造前，熟料綜合電耗平均為64.6kWh/t.cl。改造后，根據(jù)2月16日、17日盤庫熟料產(chǎn)量和系統(tǒng)用電量統(tǒng)計值，計算得出熟料綜合電耗為55kWh/t.cl。

4.5 拉鏈機上熟料溫度降低幅度大

回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)技改前后的主要技術(shù)指標對比見表1。從表1可知，拉鏈機上熟料溫度低于80℃。

表1 技改前后主要技術(shù)指標對比

5 經(jīng)濟效益分析

5.1 產(chǎn)能提升

由3084t/d提升至3450t/d，產(chǎn)能提升366t/d，按年運轉(zhuǎn)270d 計算（考慮該地區(qū)每年限產(chǎn)3 個月），年增加產(chǎn)能9.882 萬噸熟料。改造前熟料的平均凈利潤約35元/t(不含稅)，改造后，熟料成本降低約12.3元，所以增產(chǎn)后的熟料利潤應(yīng)按47.3 元/t(不含稅)計算，年增加利潤467.4萬元。

5.2 熱耗降低

熱耗由原來116kg標煤/t.cl降至104.5標煤/t.c（l煤熱值以6200kcal/kg 計），年節(jié)省用煤量1.08 萬噸（以技改前的3084t/d，年運轉(zhuǎn)270d 計），按目前原煤采購價800元/t計算，年節(jié)省費用864萬元。

5.3 電耗降低

電耗由原來64.6kWh/t.cl降至55kWh/t.cl,年節(jié)省用電799.37 萬kWh（以技改前的3084t/d，年運轉(zhuǎn)270d計），按平均電費0.55 元/kWh 計算，年節(jié)省費用439.7萬元。

由上述分析可知：技改完成后，年增加經(jīng)濟效益在1800萬元左右，不含建設(shè)期的投資回收期為12個月。

6 結(jié)束語

此次技改是在原Φ4m×60m 回轉(zhuǎn)窯不動的情況下，充分考慮了現(xiàn)有原料磨、煤磨、廢氣處理系統(tǒng)以及窯尾預(yù)熱器框架和預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)等的現(xiàn)狀和特點，在進行了原料平衡和熱工計算后對系統(tǒng)進行優(yōu)化，充分發(fā)掘現(xiàn)有系統(tǒng)的潛力，并通過改造預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、更換篦冷機等措施，最終實現(xiàn)Φ4m×60m 回轉(zhuǎn)窯提產(chǎn)降耗改造的合同目標。本次燒成系統(tǒng)技術(shù)改造投資約1500 萬元，停窯實際工期45d。改造后系統(tǒng)產(chǎn)量提高，預(yù)熱器出口的氣體溫度和壓力下降，窯能夠保持穩(wěn)定高產(chǎn)運行，煤粉后燃問題得到解決，熟料出料溫度降低，窯二、三次風(fēng)溫度得到提高，達到了提產(chǎn)節(jié)能降耗的改造目的。