新型節(jié)能環(huán)保水泥熟料燒成技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用（下）

陶從喜

新型節(jié)能環(huán)保水泥熟料燒成技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用（下）

Research and Application of New Energy-saving and Environment-friendly Clinker Sintering Technologies(Ⅱ)

陶從喜

(接上期)

（2）分解爐的環(huán)保效應(yīng)

根據(jù)我院對國內(nèi)多臺預(yù)分窯系統(tǒng)的測試表明，現(xiàn)行預(yù)分解窯系統(tǒng)氮氧化物排放值均大于中國的“水泥廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)”,為適應(yīng)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，在我院科研項(xiàng)目“低NOx型分解爐的開發(fā)研究”研究成果的基礎(chǔ)上采取措施，以降低預(yù)分解系統(tǒng)的NOx排放。

降低NOx的技術(shù)思路是，首先采用與生產(chǎn)兼容的分級技術(shù)，以最小的操作成本，盡可能降低NOx。在此基礎(chǔ)上,留有廢氣脫硝的空間，必要時(shí)投入相應(yīng)的系統(tǒng)，在廢氣中噴氨水進(jìn)一步降低NOx，確保系統(tǒng)NOx＜500 mg/m3(標(biāo))，使總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)化。

分解爐出口NOx含量與下列因素有關(guān)：

?入爐氣體中NOx含量；

?燃料種類、燃料揮發(fā)分含量及燃料N含量；

?過剩空氣量；

?分解爐溫度，尤其是初始燃燒溫度。

在分解爐錐部還原區(qū)中噴入一定的燃料，由于燃料化學(xué)不完全燃燒繼而產(chǎn)生大量CO，形成還原氣氛，窯尾煙氣中的NOx與CO反應(yīng)形成N2，從而達(dá)到脫NOx的目的，反應(yīng)可簡單表示如下：

研究及工程實(shí)踐表明，分解爐分級燃燒技術(shù)能降低熟料燒成系統(tǒng)的NOx的排放，以燃料分級對系統(tǒng)的工藝操作影響最小。通過合理確定噴煤量、噴入位置，保證適宜的停留時(shí)間及空氣過剩系數(shù)，能達(dá)到降低NOx約30%的效果。

在分解爐的設(shè)計(jì)中，考慮還原區(qū)間氣體停留時(shí)間為～1.6 s，在分解爐錐體增設(shè)兩個(gè)脫除NOx的燃燒器，煤粉從窯尾輸送管的四路閥中引出，通過調(diào)節(jié)閥門開度，控制喂煤量。

以5500 t/d煙煤為例，分解爐總的設(shè)計(jì)氣體停留時(shí)間為5.8s，還原區(qū)的氣體停留時(shí)間為1.6s，氧化區(qū)的氣體停留時(shí)間為4.2s，完全能滿足后續(xù)煤粉燃燒及生料分解的需求。

通過采取以上措施，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的分解爐完全能滿足煤粉燃燒、生料分解及低NOx的要求。

2.3 新型大推力的煤粉燃燒器

回轉(zhuǎn)窯燃燒器是燒成系統(tǒng)的重要工藝設(shè)備。它不僅影響窯系統(tǒng)的熱耗及操作性能，還對熟料質(zhì)量和有害物質(zhì)排放量產(chǎn)生影響。天津院有限公司通過大量的工程實(shí)踐、試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，推出了新型大推力的煤粉燃燒器，結(jié)構(gòu)為四通道型式，其主要特點(diǎn)如下：

?無磨損，使用壽命長；

?燃燒器推力大，可達(dá)1500 m/s.%以上，對各種煤質(zhì)的適應(yīng)性好；

?一次風(fēng)用量少，凈風(fēng)比例較老燃燒器減少3.5%～6.5%。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）四風(fēng)道結(jié)構(gòu)。我院的原三風(fēng)道結(jié)構(gòu)+外部冷卻風(fēng)道。

（2）風(fēng)道由外至內(nèi)為冷卻風(fēng)、軸流風(fēng)、煤風(fēng)、旋流風(fēng)。

（3）頭部出口面積不可調(diào)，風(fēng)速的調(diào)整依靠各風(fēng)道閥門的開度調(diào)節(jié)。

（4）冷卻風(fēng)出口為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置攏焰罩，以提高使用性能及冷卻性能。攏焰罩“0”位時(shí)長度為25mm，軸向長度可調(diào)，有專門的膨脹節(jié)及調(diào)節(jié)絲杠用于攏焰罩長度的調(diào)節(jié)。

（5）軸流風(fēng)出口為直口圓孔狀結(jié)構(gòu)，周向布置，共16個(gè)。

（6）旋流風(fēng)出口的旋向與回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)向相同,旋流角50°，周向共24個(gè)出風(fēng)口。

試驗(yàn)用新型煤粉燃燒器按2500t/d規(guī)模考慮，結(jié)構(gòu)型式見圖11，設(shè)計(jì)參數(shù)見表10。

在試驗(yàn)室對新型結(jié)構(gòu)的煤粉燃燒器進(jìn)行了不同軸流風(fēng)、旋流風(fēng)、不同冷卻風(fēng)及帶彩焰模擬火焰狀態(tài)下試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)不斷對各通道結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，得出了燃燒器使用的合理參數(shù)，見圖12～14。

圖11 新型煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)型式

表10 設(shè)計(jì)參數(shù)

通過試驗(yàn)得到了設(shè)計(jì)風(fēng)速下的各通道的阻力，實(shí)際使用中可通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)燃燒器的調(diào)節(jié)，各通道風(fēng)速的調(diào)節(jié)根據(jù)煤質(zhì)具體情況進(jìn)行。

2.4 行進(jìn)式穩(wěn)流篦式冷卻機(jī)

天津院有限公司新型第四代篦冷機(jī)具有依料床變化自動(dòng)敏感地恒定冷卻風(fēng)量、無漏料等特點(diǎn)，應(yīng)用了多項(xiàng)專利技術(shù)，采用先進(jìn)的Walking floor行進(jìn)式原理，通過模塊化設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，使冷卻機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了高效、低故障率。天津院有限公司的TCFC型第四代行進(jìn)式篦式冷卻機(jī)的技術(shù)方案為：固定端結(jié)合第三代及國外第四代冷卻機(jī)的特點(diǎn)采用恒定流量閥供風(fēng)的鑄造篦板，確保了熟料的淬冷效果，保證了篦板壽命；篦冷機(jī)采用水平行進(jìn)式篦床、標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，通過液壓驅(qū)動(dòng)的四聯(lián)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)篦冷機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，每塊篦板下設(shè)置衡定流量閥供風(fēng)，確保了熟料的冷卻效果。

其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）優(yōu)化的固定端(圖15)

早期開發(fā)設(shè)計(jì)的固定端為10塊篦板長度（0.3×10=3m），斜度為18°，在早期投產(chǎn)的江西圣塔3500t/d及華潤南寧5000t/d生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)該型式的固定端易出現(xiàn)堆“雪人”現(xiàn)象，分析原因可能是篦床過長及角度偏大所致，角度過大致使篦冷機(jī)固定端不易存冷料，出窯紅熱熟料直接接觸篦板粘結(jié)而堆成“雪人”，而且角度偏大使篦下鼓風(fēng)不能大，否則較少的熟料使二次風(fēng)溫偏低，一則熟料冷卻效果差，二則二次風(fēng)溫低，系統(tǒng)熱耗也高，不利于系統(tǒng)的節(jié)能減排。

通過對篦冷機(jī)固定端熱態(tài)熟料的分布研究分析，根據(jù)物理學(xué)原理優(yōu)化設(shè)計(jì)固定端，使得固定斜坡段熟料分布合理，既保護(hù)篦板不燒壞又保證冷卻效果，從而減少冷卻機(jī)入口堆“雪人”現(xiàn)象，也使得熟料在整個(gè)篦床上均勻分布，可提高入口段的熱交換效率。改進(jìn)后的固定端為7塊篦板長度（0.3×7=2.1m），斜度為12°，圣塔3500t/d及之后投產(chǎn)的20多條生產(chǎn)線表明，該型式固定端幾乎沒有再發(fā)生堆雪人，二次風(fēng)溫也由之前的900℃提高到1150℃。

（2）水平行進(jìn)式篦床

圖12 軸流通道阻力系數(shù)

圖13 旋流通道阻力系數(shù)

篦床傳動(dòng)段是水平的，通過四連桿機(jī)構(gòu)組成步進(jìn)式篦床，由液壓驅(qū)動(dòng)，篦床由數(shù)列組成，每列有前后兩個(gè)液壓缸同步驅(qū)動(dòng)，各列相對獨(dú)立。熟料冷卻輸送篦床由若干條平行的熟料槽型輸送單元組合而成，其運(yùn)行方式（圖16）首先由篦床同時(shí)統(tǒng)一向熟料輸送方向移動(dòng)（沖程向前），然后各單元單獨(dú)地或交替地進(jìn)行反向移動(dòng)。所有列一起向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)料床向前運(yùn)動(dòng)，然后所有列分三次分批間隔后退，由于熟料間摩擦力的作用，前端熟料被卸在出料口。這樣，通過列間的交替往復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)到輸送熟料的目的。

圖14 燃燒器模擬火焰

圖15 優(yōu)化改進(jìn)前后的固定端圖

圖16 水平行進(jìn)式篦床

圖17 模塊化結(jié)構(gòu)

圖18 四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

每條通道單元的移動(dòng)速度可以調(diào)節(jié)，且單獨(dú)通冷風(fēng)，保證了熟料的冷卻效果。在設(shè)備運(yùn)行前篦板面上存留一層冷的不動(dòng)熟料，以減緩篦板受高溫紅熱熟料的磨蝕。相鄰兩列模塊單元連接處采用迷宮式密封裝置密封，貫穿整個(gè)篦冷機(jī)的長度方向，確保相鄰兩列篦板往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中免受熟料和篦板間的磨損，且由于篦板的迷宮式設(shè)計(jì)，不再需要專門的粉塵清除裝置，熟料不會(huì)從輸送通道漏下，不再需要前三代冷卻機(jī)中的灰斗和拉鏈機(jī)等設(shè)備，設(shè)備整體高度大幅度降低，土建成本也隨之減少。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)

第四代篦冷機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，TCFC冷卻機(jī)由新穎而緊湊的模塊組建而成，通過調(diào)節(jié)篦床模塊的數(shù)量，可以適應(yīng)不同規(guī)模水泥生產(chǎn)線的需求。圖17是四連桿機(jī)構(gòu)模塊。在此模塊的基礎(chǔ)上，不同型號的冷卻機(jī)在制造廠進(jìn)一步集成，形成大的模塊，大大減少了業(yè)主的安裝時(shí)間和費(fèi)用。

模塊化柔性結(jié)構(gòu)可節(jié)省設(shè)計(jì)和工程設(shè)備安裝時(shí)間，提高維護(hù)效率，降低維護(hù)成本，同時(shí)也大大方便備品備件的供給。

（4）四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)機(jī)械動(dòng)力學(xué)中相應(yīng)原理，四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上部兩軸承軸心保持不變，與兩軸心鉸接的連桿靈活運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，可以保持上部篦床絕對水平地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)突破了以往冷卻機(jī)的傳動(dòng)方式，巧妙通過三角架的旋擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生篦床的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，自動(dòng)潤滑系統(tǒng)保證每個(gè)軸承都能得到很好的潤滑，大大延長了四連桿機(jī)構(gòu)的使用壽命(圖18)。

這種機(jī)構(gòu)非常適合水平的物料輸送形式，在四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)軸承上完成循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，密封性能良好。同時(shí)由于為各個(gè)篦板提供動(dòng)力的四連桿機(jī)構(gòu)規(guī)格相同，維護(hù)簡單且費(fèi)用低，在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后僅需維護(hù)軸承，也易于后期的備品備件的準(zhǔn)備。四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已獲國家實(shí)用新型專利（專利名稱：冷卻設(shè)備篦床的運(yùn)動(dòng)支撐裝置，專利號：ZL200720098551.1）。

（5）流量自動(dòng)控制調(diào)節(jié)裝置

流量自動(dòng)控制調(diào)節(jié)裝置是我公司開發(fā)的具有創(chuàng)新專利權(quán)的系統(tǒng),該系統(tǒng)具有高熱交換率、低電耗的優(yōu)點(diǎn)，更加符合國家提倡的節(jié)能降耗的要求。流量自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥為純機(jī)械件，可以根據(jù)篦床上料層的厚度自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開閉調(diào)大調(diào)小，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)供風(fēng)量的功能，提高單位風(fēng)量冷卻效率，減少不必要的損耗。

為了實(shí)現(xiàn)篦冷機(jī)篦板流量的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)功能，我們進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究，開發(fā)出了STAFF型和TC型流量自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥——CF穩(wěn)流閥，尤其是CF閥的性能通過試驗(yàn)對比，完全達(dá)到國際先進(jìn)水平，該流量自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥已獲國家實(shí)用新型專利（專利名稱：一種彈力-重力式自動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，專利號:ZL200820141667.3）。

表11 生產(chǎn)線產(chǎn)質(zhì)量月報(bào)表

表12 窯系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)比較

表13 燒成系統(tǒng)表面散熱的比較，kJ/kg熟料

3 燒成系統(tǒng)運(yùn)行狀況

以上結(jié)合燒成系統(tǒng)節(jié)能降耗的要求對天津院有限公司新型節(jié)能環(huán)保的燒成系統(tǒng)技術(shù)及裝備的研發(fā)方案作了詳細(xì)論述，該技術(shù)及裝備在河北燕趙水泥有限公司5000t/d生產(chǎn)線上得到了有效運(yùn)行，燒成主機(jī)配置為：兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯，帶三噴騰型TTF分解爐的五級預(yù)熱器系統(tǒng)；第四代行進(jìn)式穩(wěn)流篦式冷卻機(jī)；大推力煤粉燃燒器。河北燕趙水泥有限公司5000t/d水泥生產(chǎn)國家節(jié)能減排示范線于2008年4月破土動(dòng)工，5月開始土建施工，7月份開始設(shè)備安裝，2009年4月竣工點(diǎn)火，建設(shè)總工期約1年。目前該示范線已投產(chǎn)運(yùn)行1年多。天津院有限公司多次對其運(yùn)行情況進(jìn)行了測試分析，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場測試情況將該生產(chǎn)線運(yùn)行情況小結(jié)如下。

3.1 生產(chǎn)線總體情況

表11 為點(diǎn)火投產(chǎn)以來生產(chǎn)線運(yùn)行產(chǎn)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，由此可見，該示范線總體運(yùn)行產(chǎn)質(zhì)量均很好，熟料平均產(chǎn)量達(dá)5728t/d，熟料電耗基本在55kWh/t左右，3d熟料強(qiáng)度在30MPa以上。熱工標(biāo)定期間熟料產(chǎn)量高達(dá)6210t/d，大大超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)，燒成熱耗為2948.7kJ/kg熟料，達(dá)到并優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均為國際先進(jìn)水平，起到了節(jié)能減排的示范作用。

3.2 熟料燒成系統(tǒng)

由表12可見，在標(biāo)定期間，河北燕趙水泥有限公司5500t/d生產(chǎn)線窯系統(tǒng)熟料平均產(chǎn)量達(dá)6210t/d，大大超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)，兩檔窯單位容積產(chǎn)量達(dá)6.34t/m3·d，遠(yuǎn)高于三檔窯的單位容積產(chǎn)量；燒成熱耗為2948.7kJ/kg熟料，達(dá)到并優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，燒成電耗為20.34kWh/t，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均為國際先進(jìn)水平。

表13 為生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)表面散熱損失與國內(nèi)相近規(guī)模生產(chǎn)線表面散熱損失的比較情況。從中可見，該生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)總的表面散熱損失較低，尤其是采用兩檔短窯，回轉(zhuǎn)窯散熱表面積減小，使得其表面散熱損失相應(yīng)減少。

表14 各級料管物料分解率

表15 分解爐脫硝結(jié)果

河北燕趙水泥有限公司5500 t/d生產(chǎn)線的分解爐采用天津院特色的三噴騰TTF型分解爐，該爐結(jié)構(gòu)簡單，阻力系數(shù)低，具有三噴騰效應(yīng)和碰頂效應(yīng)、湍流回流作用強(qiáng)、固氣停留時(shí)間比大、溫度場及濃度場均勻、物料分散及換熱效果好等特點(diǎn)，有利于煤粉的充分燃燒和生料分解，特別是C4旋風(fēng)筒入爐物料的靈活調(diào)節(jié)可以有效控制分解爐主燃燒區(qū)溫度，三次風(fēng)脫氮風(fēng)管的設(shè)置可以有效降低NOx的排放，分解爐喂煤采用對稱四點(diǎn)噴入能有效優(yōu)化分解爐的溫度場。該分解爐在6210t/d高產(chǎn)條件下，能穩(wěn)定入窯物料分解率在90%以上（各級料管物料分解率見表14），運(yùn)行效果良好，這為回轉(zhuǎn)窯減輕負(fù)荷和提產(chǎn)提供了非常好的基礎(chǔ)。同時(shí)，分解爐與C5筒出口溫度不存在“倒掛”現(xiàn)象，分解爐出口基本未測出CO，表明只要風(fēng)煤配合適當(dāng)，分解爐內(nèi)煤粉的完全燃燒是有充分保障的。

該示范線分解爐開發(fā)設(shè)計(jì)采用三次風(fēng)分級燃燒的措施，目的是降低系統(tǒng)NOx的排放，燃料分級燃燒和燃燒空氣分級加入在于形成一個(gè)低于化學(xué)當(dāng)量燃燒系數(shù)的還原燃燒區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里，一方面由于不完全燃燒形成了大量的一氧化碳，可以對已經(jīng)形成的氮氧化物進(jìn)行還原，另外一方面則可以抑制燃料中的氮元素向氮氧化物轉(zhuǎn)化。從現(xiàn)有的技術(shù)資料來看，就還原燃燒區(qū)域的風(fēng)煤配合來看，還原燃燒區(qū)域的空氣過剩系數(shù)在0.7～0.9之間具有最好的還原效率。

我們在現(xiàn)場進(jìn)行了不同三次風(fēng)分風(fēng)狀態(tài)下的NOx脫除率即脫硝率的測試，結(jié)果見表15。

采用三次風(fēng)分風(fēng)的方式可實(shí)現(xiàn)脫硝率10%以上，最高可達(dá)～36%，可見采用分級燃燒測試可有效降低系統(tǒng)NOx的排放濃度。

河北燕趙水泥有限公司5500t/d生產(chǎn)線的熟料冷卻機(jī)采用天津院的TCFC型第四代行進(jìn)式穩(wěn)流篦冷機(jī)。測試表明該冷卻機(jī)的總鼓風(fēng)量為1.7728m3（標(biāo)）/kg熟料，小于第三代篦冷機(jī)的正常用風(fēng)量（1.9～2.1 m3（標(biāo)）/kg熟料），篦冷機(jī)的熱回收效率為74.07%。

4 結(jié)語

以上結(jié)合燒成系統(tǒng)節(jié)能降耗的要求，對天津院有限公司新型節(jié)能環(huán)保的水泥熟料燒成系統(tǒng)技術(shù)及裝備的研發(fā)、應(yīng)用情況作了詳細(xì)論述，即燒成系統(tǒng)通過集成采用兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯、帶三噴騰型TTF分解爐的高效預(yù)熱器系統(tǒng)、第四代行進(jìn)式穩(wěn)流篦式冷卻機(jī)及高效大推力的煤粉燃燒器等技術(shù)裝備，可有效實(shí)現(xiàn)燒成系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保的要求，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)水泥生產(chǎn)線的節(jié)能降耗，為水泥工業(yè)的節(jié)能減排起到關(guān)鍵的技術(shù)支撐作用。

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TQ172.622.26

A

1001-6171（2011）02-0032-05

2010-10-20； 編輯：呂 光