5500dt/d六級預熱器燒成系統的開發應用

馬嬌媚，劉芳，郭天代，陶從喜，彭學平

5500dt/d六級預熱器燒成系統的開發應用

Development and Application of 5 500t/d Pyro-system with 6-stage Preheater

馬嬌媚，劉芳，郭天代，陶從喜，彭學平

最新投產的河南孟電集團有限公司5 500t/d生產線由天津水泥工業設計研究院有限公司設計，集成了天津院有限公司最新的技術路線，尤其是六級預熱器和低氮分解爐的開發研究，達到了理想的技術指標，代表了高能效低氮預熱預分解及先進燒成技術的水平。綜合前期開發思路和后續調試過程，本文總結了該生產線的節能減排措施，為水泥生產線燒成系統的設計和生產調試提供參考。

六級預熱器；脫硝；燒成系統；節能減排

1 概述

目前水泥生產企業面臨激烈競爭，必須通過采用新型節能技術及裝備來降低生產線的能源消耗，減少影響環境的廢棄物排放（包括CO2、NOX等）。河南孟電集團水泥有限公司減量置換5 500t/d水泥熟料生產線是為落實國家行業準入條件及節能減排環保要求，在原有幾條水泥熟料生產線拆除基礎上建設而成的。該生產線由天津水泥工業設計研究院有限公司設計，集成了天津院有限公司自主研發的高效低阻型六級預熱器、兩檔短窯、帶中置輥式破碎機的行進式穩流冷卻機、大推力煤粉燃燒器、煤粉輥磨等，代表了該公司最新的技術和裝備水平，尤其代表了高能效低氮預熱預分解及先進燒成技術水平。筆者參與了該項目前期開發設計、施工安裝、調試運行及達產達標的整個過程，本文對該生產線的技術進行提煉總結，為日后水泥工藝開發提供參考。

天津水泥工業設計研究院有限公司作為總設計方和主機供貨商，針對全廠制定了最佳的技術方案，為該生產線的良好運行創造了條件。該生產線燒成系統主機設備全部國產化，在低阻低耗、能效指標不斷提高的前提下，降低了廢氣中NOX、SO2等有害組分的排放，同時該生產線采用了大功率變頻調速技術、余熱發電技術、低溫除塵技術，設計上考慮了水泥窯協同處置工業廢棄物和城市垃圾技術，實現了資源的綜合利用和節能減排，全面提升了生產線的性能。該生產線采用石灰石、粘土、砂巖、硫酸渣配料，煙煤作為燃料，燒成車間設備見表1。

2 主要節能減排技術

表15 500t/d燒成系統主要設備

2.1 新型六級預熱器預分解爐系統

預熱預分解技術是預分解燒成工藝的核心技術。窯尾預熱器系統的作用是對生料進行預熱，并使大部分碳酸鹽分解，出分解爐生料經最下級預熱器分離后入窯煅燒。因此預分解系統的級數及性能對燒成系統熱耗和預熱器系統出口壓力有很大影響。當原料綜合水分較低時，國外水泥企業普遍傾向于采用六級預熱器系統以降低燒成系統熱耗，而國內由于余熱發電技術的推廣，六級預熱器系統難以得到大力發展[1]。采用六級預熱器系統與采用五級預熱器系統相比，生料磨停時，六級預熱器系統可降低管道噴水難度并節約三分之一左右的噴水量，六級預熱器系統適合于原料水分不是很高的工程，尤其對能源短缺和水資源短缺的地區是很好的選擇。

六級預熱器系統采用高效低壓損的旋風筒，可有效降低預熱器系統出口溫度和阻力，整個窯尾系統結構布置緊湊，降低了窯尾框架高度和大小，有利于節省投資。旋風筒采用270°兩心大蝸殼結構，通過優化的結構型式，降低旋風筒壓損，并提高旋風筒分離效率，最上級旋風筒分離效率達到95%以上；除C1旋風筒外，其他級內筒采用耐熱鋼分片式結構，便于安裝和檢修更換；為吸收熱膨脹，旋風筒頂蓋采用預拉處理，結構布置上充分采取徑向和軸向熱補償措施，各級料管設置獨立的膨脹節；根據預熱器系統布置，旋風筒采取歪錐結構，有效降低塔架高度，同時有效防止錐部積料堵塞。

圖1 C1旋風筒

圖2 中間級旋風筒

六級預熱器系統采用固定式撒料裝置，確保生料在管道中均勻分散，提高管道換熱效果，孟電項目在以往風管和撒料盒數值模擬研究[2]的基礎上再次進行優化，在合理風速的前提下，撒料盒能夠進一步下移，加強了氣固換熱。下料管道上采用翻板閥進行鎖風，在運行投產前，逐一調整了每個配重桿的配重至最佳位置，運行期間定期檢查包括鎖風閥等各處部位的密封情況，進行必要的堵漏工作，保證系統的鎖風和密封效果，為降低預熱器出口溫度、廢氣風量和系統熱耗創造了條件。

表2為六級預熱器與五級預熱器系統設計指標對比，通過分析可以得出：

（1）從指標看，六級預熱器系統相對五級預熱器系統，熱耗降低～125kJ/kg熟料，電耗基本不變。

（2）從投資成本看，六級預熱器系統窯尾設備和土建投資相對五級預熱器有所增加，但余熱發電鍋爐和汽輪機配置變小[3]，整體上帶六級預熱器系統的生產線綜合投資少。

2.2 低氮分解爐系統

通過分料控制分解爐柱體結構的溫度梯度，創造高溫區，有利于分解爐內燃料的燃燒，提高燃料的燃盡率，避免未燃盡的燃料在預熱器內后燃，節約了煤耗。分解爐中柱段預留廢棄物處置口，可滿足一定要求的廢棄物處置。分解爐通過脫硝風管采用三次風分級燃燒的措施，燃燒空氣分級加入，形成一個低于化學當量燃燒系數的還原燃燒區域，在這個區域內，一方面由于不完全燃燒形成了大量的一氧化碳，可以對已經形成的氮氧化物進行還原，另一方面抑制燃料中的氮元素向氮氧化物轉化，降低系統NOX的排放。從運行數據來看，通過調節C5分料比例、三次風三個閥門的開度，可以穩定窯況，不影響產質量。

表2 5500t/d六級預熱器與五級預熱器系統對比

調試過程中，三次風管主管的閥門一定要與脫硝風管的閥門配合使用，避免窯系統的通風受到影響。脫硝閥門加大開度時，要同步降低主管的閥門開度。脫硝風管創造還原區的同時，在監測分解爐和塔內三次風管不結皮的前提下，還需要通過C4料管的分料閥提高分解爐主燃區的溫度至1 050～1 200℃范圍內。燒成氣氛上，在分解爐完全燃燒的基礎上，控制分解爐出口的氧含量＜2%，預熱器出口的氧含量＜3%。

通過脫硝風管進行三次風的分級設置，分解爐的中柱體及下柱段有較大脫硝空間，調節脫硝風管使其形成高溫還原氣氛，可滿足NOX＜550mg/m3（標）（10%O2）的要求，脫硝效率45%以上，同時分解爐出口管道預留SNCR噴氨位置，根據實際情況可滿足更嚴格的環保排放要求，目前氮氧化物排放指標低于320mg/m3（標），實際控制值為260±30mg/ m3（標）。

2.3 兩檔支撐短窯

兩檔支撐短回轉窯，采用L/D為12的兩支承短窯，由于筒體長度有較大減短，其散熱損失相應減少，相同規模窯的散熱損失相差約21kJ/kg熟料，此外還具有裝備、土建費用低等一系列優點。配套高性能大推力燃燒器，一次風量為8%，提高了高溫風的用量，降低了系統熱耗。

考慮到兩檔窯窯尾溫度較高，煙室使用了料幕技術，通過控制煙室溫度減少結皮的生成。如圖3所示，料幕系統將生料分一股通過風機及風翅打散進入煙室，生料的分解吸熱可以迅速降低煙室溫度，減少液相出現，提升了系統的適應性，也為日后廢棄物處置預留了可能，當燒成系統出現硫、堿、氯等元素內循環時易造成局部結皮，煙室料幕也有一定緩解作用。

圖3 煙室料幕系統

2.4 帶中置輥式破碎機第四代行進式穩流冷卻機

第四代行進式穩流冷卻機縱向單元通風，避免了熟料經篦床下落造成縱向層阻力變化，有利于均勻通風，第四代冷卻機的熱回收效率＞75%，回收熱量按照入冷卻機的熱料溫度計算，全部熱量約為1 547kJ/kg熟料，每提高1%的熱回收效率則回收熱增加15.5kJ/kg熟料，考慮到燃燒器改進后入窯二次風量相應增加的因素，采用第四代行進式穩流冷卻機熱回收率較現有冷卻機的熱回收效率平均提高4%以上，相當熱耗降低62kJ/kg熟料。

冷卻機系統的電耗統計為5.5kWh/t熟料，較常規冷卻機節電1.0kWh/t熟料。同時，中置輥式破碎機提高了窯頭余熱發電的發電量，有效利用了余風熱量。

3 生產運行狀況

孟電減量置換5 500t/d水泥生產線作為先進燒成技術示范線已投產運行五個月。生產線運行月度產質量統計見表3，從表中可看出，點火以來熟料月均產量為5 655t/d，月均標煤耗為97kg/t熟料，熟料電耗月均值為56kWh/t熟料，3d熟料強度31MPa，28d熟料強度56MPa。

八月底進行了系統熱工標定，測試期間窯系統熟料日均產量達5 944t，大大超過了設計指標，兩檔窯單位容積產量達6.07t/d.m3，遠高于三檔窯的單位容積產量；熟料燒成熱耗為2 771kJ/kg熟料，優于設計指標，燒成電耗為20.15kWh/t，電耗低于設計值。圖4為燒成窯尾的典型中控畫面。預熱器出口的溫度較五級預熱器低30～50℃，壓損與五級相當，高溫風機的電耗約7.0kWh/t熟料，各項技術經濟指標均為國際先進水平。標定該冷卻機的總鼓風量為1.872 0m3（標）/kg熟料，小于第三代篦冷機的正常用風量[1.9～2.1m3（標）/kg熟料]，篦冷機的熱回收效率＞75%。

采用三次風分風的方式可實現脫硝效率45%以上，分解爐出口在噴氨前NOX濃度約為500ppm，折算成10%氧含量為600mg/m3（標），SNCR系統氨水用量從脫硝風管投運前的2.0m3/h降低到0.5m3/ h，噸熟料節約了3元的運行成本，可見窯尾脫硝風管可有效降低系統NOX的排放濃度。

圖4 燒成系統中控操作畫面

4 技術經濟效益分析

孟電5 500t/d生產線于2016年6月成功運行，在較短時間內實現了穩定運行與生產達標。回轉窯產量穩定，取得了明顯的經濟效益和社會效益。經熱工標定5 500t/d減量置換一線單位熟料熱耗為2 773kJ/kg熟料，標準煤耗95kg/t熟料以下，燒成電耗為20.15kWh/t熟料，氮氧化物排放達到290mg/m3（標）以下，噴氨量0.5m3/h，粉塵排放15mg/m3（標）以下，能耗水平先進。與能耗限額標準的新建水泥生產線限額準入值相比，一條生產線投產后預計每年可節省標準煤2.7萬噸，節約用電～3 000×104kWh，回收余熱發電～4 500×104kWh，每年實現CO2減排～8.1萬噸，脫硝風管實現NOX減排～2 300t，同時還能有效降低粉塵等污染物排放，對生態環境的持續改善具有積極的推動作用。該新一代節能、環保、高效水泥熟料生產線的推出，集成采用天津設計院有限公司先進、成熟的國產化新技術、新裝備，為水泥工業的技術進步和節能減排提供了示范作用，推動了水泥工業從產品質量、污染物控制、綠色環保等諸方面質的提升。

表3 生產線產質量月報表

5 結語

經過調試生產，5 500t/d帶六級預熱器生產線燒成系統運行平穩，驗證了之前的科研開發思路，歸納技術要點主要有：

（1）六級預熱器通過增加一級換熱降低了預熱器出口的溫度，起到了很好的節能效果，在電耗不增加的前提下，熱耗大大降低。公司六級預熱器系統目前已在孟電項目、沙特UCIC項目、印尼BOSOWA項目等多條生產線上得到應用，使用效果良好。

（2）低氮分解爐通過三次風管分出一支作為脫硝風管進行分級燃燒，達到了很好的脫硝效果。

（3）六級預熱器、低氮分解爐，配套兩檔支撐短窯、第四代中置輥式破碎機冷卻機，代表了天津院有限公司先進的工藝裝備技術水平。

（4）新開發的5 500t/d六級預熱器燒成系統經過生產調試，燒成系統的電耗、煤耗和NOX排放較低，各項指標良好，實現了顯著的節能減排效果。

[1]陶從喜，孫潔.淺析六級預熱器的推廣與應用[J].水泥技術，2009（6）：31-34.

[2]陶從喜，趙林，俞為民，張凱，胡芝娟.六級預熱器優化的數值模擬[J].天津大學學報，2011，44（4）：369-376.

[3]俞為民.六級預熱器系統開發的探討[J].水泥技術，2007（4）：25-26.■

TQ172.622.26

A

1001-6171（2017）04-0022-05

天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；

2016-12-05；編輯：趙蓮