4500t/d 熟料生產線超低排放技改措施及效果

張少明，劉宏保，張耀智，洪寶

1 引言

某公司現有兩條4 500t/d 水泥熟料生產線，生產工藝基本一致，分別于2008年5月和2009年7月建成投產。兩條生產線回轉窯規格φ4.5m×66m，預分解系統采用MFC 分解爐+五級單系列旋風預熱器，熟料冷卻采用第三代篦式冷卻機。設計之初擬采用無煙煤，但實際生產中系統不夠穩定，熱耗較高。隨著環保排放標準的愈加嚴格，為打造綠色智能工廠，發揮環保標桿企業的引領示范作用，2018年10月，公司決定利用錯峰生產時間，對兩條熟料生產線的預分解系統進行技術改造，技改后，兩條熟料生產線均達到了超低排放的要求。

2 技改前存在的主要問題

（1）《河南省2018年大氣污染防治攻堅戰實施方案》中明確規定，對2018年10月底前穩定達到超低排放限值的水泥企業，2019年后，不再要求實施錯峰生產。水泥企業氮氧化物超低排放標準為≤100mg/m3（標），而公司當前使用的SNCR 脫硝技術難以達到這一排放指標。

（2）熟料平均產量在4 900t/d左右，存在提產空間,預熱器C1 出口負壓高，系統阻力大，導致生產成本增加。C1旋風筒斷面風速高，收塵效率低（實際生產統計約91%），入窯提升機的負荷增加且多處已完全銹蝕，漏風嚴重。

（3）分解爐為離線爐，生產系統不夠穩定，熱耗較高。分解爐容積較小（1 310m3），提產困難，無法應用自還原技術。

（4）采用第三代篦式冷卻機冷卻熟料，冷卻效果不理想，熱回收效率低，出篦冷機熟料溫度高，二次風溫度低，煤粉在窯內燃燒慢，后燃嚴重。

（5）窯尾采用石墨塊密封，存在漏風大、使用壽命短等問題。

3 改造目標

（1）氮氧化合物排放濃度保證值≤100mg/m3（標），以滿足河南省新鄉市超低排放限值的要求。

（2）提高產量及生產系統的穩定性。

（3）降低生產系統的熱耗和電耗。

（4）降低預熱器C1旋風筒出口系統負壓，提高一級筒收塵效率。

（5）窯尾密封更換為重錘壓緊式密封，減少漏料漏風。

改造前后的技術指標對比見表1。

表1 改造前后的技術指標對比

4 設備現狀及技改方案

4.1 生料粉磨與廢氣處理現狀

4.1.1 生料粉磨現狀

現有生料粉磨采用的是輥磨粉磨系統，型號為MLS4531A，產量430t/h。按熟料產量5 300t/d 計算，生料磨產量需達到341t/h。燒成系統熟料產量達5 300t/d 時，生料磨系統相對窯系統的運轉率為79.3%，現有生料磨能夠滿足技改后的生產需求。

4.1.2 廢氣處理現狀

現有窯尾袋收塵器處理風量800 000m3/h，窯尾排風機處理風量800 000m3/h，全壓3 400Pa，功率1 120kW，按技改后熟料產量5 300t/d計算，窯尾廢氣的處理能力需達到740 000m3/h，現有廢氣處理系統能夠滿足技改要求。

4.2 燒成窯尾系統運行現狀及技改方案

4.2.1 預分解系統運行現狀

預分解系統采用MFC 分解爐+五級單系列旋風預熱器，配套φ4.5m×66m 回轉窯和第三代篦冷機，現生產能力4 900t/d，燒成煤耗106.01kg 標煤/t熟料，預分解系統阻力6 700Pa，粉塵濃度107.2g/m3（標），采用SNCR 脫硝時氮氧化物排放濃度70～90mg/m3（標），氨水用量6.41kg/t熟料。

4.2.2 預分解系統技改方案

為降低氮氧化物排放濃度和降低阻力及熱耗，擬采用“分解爐改造+自還原脫硝”的方案，擴大分解爐的容積，降低物料流速，延長物料在爐內的停留時間。

4.2.2.1 二線主要改造方法

（1）技改前，三次風分兩路從懸浮爐底部進入，氣流從懸浮爐頂部通過鵝頸管接入混合室中部，經多次往復折返，增加了阻力。改造時，將現有的懸浮爐及配套設備拆除，保留φ7.3m混合室作為分解爐，通過增加鵝頸管來提高分解爐的容積。鵝頸管從分解爐頂部引出，從框架東側穿出框架梁，懸挑于窯尾框架東側，在79.3m平面折向下從框架東側進入C5旋風筒（見圖1）。

（2）為配合鵝頸管布置，C5旋風筒蝸殼需改變旋向，改造時，拆除現有C5 旋風筒蝸殼，按鵝頸管布置，重新制作并施工C5旋風筒蝸殼。

（3）將C1、C2、C3、C4 下料管單板閥更換為雙板閥，減少系統漏風，現有C5下料管單板閥位置較高，可降低閥門高度。

（4）為減小系統阻力，將C2～C5旋風筒的進風口面積加大，改造后，風速在18m/s左右。

（5）將三次風管靠近窯尾部分改成φ3 100mm，并配合自還原脫硝技術重新布置，接入分解爐。

（6）為減少預熱器漏風，需更換已損壞的檢修門、翻板閥、回轉下料器等。

（7）將C1旋風筒由φ5 480mm增至φ6 500mm，以降低旋風筒內部的斷面風速，提高旋風筒收塵效率。同時，新旋風筒采用內保溫。

（8）考慮到現有旋風筒頂部采用大蝸殼結構，直筒截面風速偏高產生的不利影響在可接受范圍內，同時，更換整個旋風筒工作量太大，因此，改造中保留現有C2～C5 旋風筒的蝸殼、直筒、錐體、底座部分。

技改前，懸浮爐+混合室的有效容積為～1 310m3；技改后，原混合室改為分解爐使用，另增加了鵝頸管，分解爐系統（分解爐+鵝頸管）的有效容積增加到了2 160m3。經計算，技改后的分解爐系統氣體停留時間達7.16s，能夠滿足氣料換熱、CaCO3分解、煤粉燃燒等物理化學反應需要，煤粉燃盡率可得到充分保障。

4.2.2.2 一線主要改造方法

（1）與二線相比，一線預熱器框架東側有提升機和煙囪，鵝頸管無法采取與二線一致的布置，因此鵝頸管從分解爐頂部引出，從框架南側穿出框架梁，懸挑于窯尾框架南側，在92.26m平面折向下從框架西側進入C5旋風筒（見圖2）；

圖1 二線鵝頸管布置示意圖

（2）為配合鵝頸管布置，C5旋風筒蝸殼需旋轉角度布置。

其余改造內容與二線一致。

4.2.3 自還原脫硝機理及脫硝技改方案

4.2.3.1 氮氧化物的形成機理

在水泥熟料煅燒過程中，NOx的產生主要源于高溫燃料中的氮和原料中的氮化合物。德國水泥工業協會曾統計得出燃料中的氮含量范圍，煤為0.5%～2.0%。煤粉燃燒過程中所產生的NOx 主要是NO和NO2，NO約占90%以上，NO2占5%～10%。在研究燃煤產生的NOx生成機理時，一般主要討論NO的生成機理。從NO的生成機理來看，NOx主要分為熱力型、燃料型和快速型三種，而水泥窯燃煤過程中產生的有害氣體NOx的主要來源有兩個：燃料型NOx 和熱力型NOx。燃燒溫度＞1 500℃時熱力型NOx 顯著增加，熱力型NOx 形成機理非常復雜，其生成和破壞過程，與燃料中含氮成分受熱分解后，在揮發分和焦炭中的比例有關，隨溫度和氧分等燃燒條件而變。

（1）燃料型NOx

NOx 是燃料中含氮化合物在燃燒過程中氧化而生成的，主要是在燃燒的初始階段生成。

煤中的氮含量一般在0.5%～2.0%左右，主要以有機物形式存在。有機化合物中的C-N 鍵的鍵能比空氣中氮分子N-N 鍵的鍵能小很多，氧容易與C-N中的氮原子生成NO。這種燃料中的含氮化合物，經分解和氧化反應而生成的NOx，稱為燃料型NOx。

控制燃料型NOx生成的方法有：燃用含N量低的燃料；采用燃料過濃燃燒方式；擴散燃燒時，抑制燃料與空氣的混合。

（2）熱力型NOx

熱力型NOx 由空氣中的N2在高溫下氧化而生成，其生成機理由蘇聯科學家策爾多維奇提出。NO的生成速率可用以下一組不分支鏈鎖反應來說明：

按照策爾多維奇機理，燃燒過程中，氮的濃度基本上是不變的，影響NO產生量的主要是溫度、氧氣的濃度和停留時間。控制NO 產生量的方法有：降低燃燒溫度；降低氧氣的濃度；使燃燒在遠離理論空氣比條件下進行；縮短在高溫區的停留時間。

4.2.3.2 減少廢氣中NOx含量的技改方案

NOx 的治理方法主要根據其燃燒特性設計，NOx的控制技術可分為燃燒前的控制技術、燃燒中的控制技術和燃燒后的控制技術。燃燒前的控制技術主要是燃料的脫氮，燃料脫氮技術至今尚未得到很好的開發。燃燒中的脫氮技術主要有采用低NOx 燃燒器的技術和采用分級燃燒的技術。燃燒后的控制技術通常是煙氣脫硝技術，現生產線已采用了SNCR脫硝技術。

（1）自還原脫硝技術

本項目窯尾采用的自還原脫硝技術是由現行分級燃燒技術而來，其主要目的都是為了消減熱力型NOx。分級燃燒技術主要是在窯尾分解爐中增加脫氮管，使燃燒所用空氣分兩次噴入分解爐，減少煤粉燃燒區域的空氣量。在實際操作過程中，采用脫氮管方案，不易控制分風，無法保證還原區的還原氣氛，因此采取了上移三次風管的措施，使三次風進風口下方形成還原區。根據熱力型NOx 形成機理，溫度越高，生成的NOx 越多。回轉窯內煅燒溫度高，窯頭煤燃燒形成大量NOx，此部分NOx與高溫廢氣通過煙室進入分解爐，廢氣氧含量約在2%左右，若分解爐底部能夠形成大量的還原物質，則可高效還原回轉窯高溫煅燒形成的熱力型NOx。

自還原脫硝技術是在分解爐錐部從煙室縮口至三次風管之間建立還原燃燒區，還原燃燒區長度要保證氣體在其內停留時間約1s；將分解爐用煤在煙室縮口上方噴入，使其缺氧燃燒以便產生CO、CH4、H2、HCN 和C 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產生，從而減少了水泥生產過程中的NOx排放。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C4 旋風筒下料的一部分生料喂入還原燃燒區。

其主要反應如下：

（2）窯尾燃燒器技術改造要求

本次技改中采用了無外風節能型強旋流入爐燃燒裝置，使煤粉以一定速率旋流進入強力還原區，保證煤粉的分散效果。通過調整空氣量，保持燃燒器噴口具有一定比例的空氣與煤粉，提高煤粉與廢氣的混合效果，提高煤粉分解率，增強還原氣氛。

（3）三次風管接入位置方案

自還原脫硝技術強力還原區在分解爐底部形成，其區域范圍在三次風管與窯尾煙室縮口之間。三次風管的位置須設在分解爐形成強力還原區的上部，風管側旋接入分解爐，利于C4下料管生料的分散。

（4）C4旋風筒下料管位置的布置要求

重新調整C4 旋風筒下料管的下料點，一部分生料喂入還原燃燒區，吸收還原區內高溫，凝聚窯氣中析出的堿硫等有害成分，防止發生結皮堵塞；一部分生料喂入分解爐中部，下料點位于三次風管之上。

自還原脫硝技術可有效降低NOx排放，NOx脫除率可達70%以上；無運行成本，對水泥生產無不利影響；無二次污染，脫硝過程中沒有任何固體或液體的污染物或副產物生成。

4.2.4 窯尾高溫風機運行現狀

當前使用的高溫風機風量為750 000m3/h，全壓8 000Pa，電機功率2 500kW。按技改后熟料產量5 300t/d 計算，理論上高溫風機風量需要達到730 000m3/h，當前風機性能滿足要求，可不改造。

4.2.5 生料入窯及計量現狀

入窯采用TGD800 型斗式提升機，設備表上標注的輸送能力為280～330t/h，主傳動電機功率2×90kW，現在實際喂料量可達371t/h，按技改后熟料產量5 300t/d計算，入窯生料喂料量需要363t/h，入庫斗式提升機能滿足技改后需求，可不改造。

生料入窯及計量采用轉子秤，規格為TWF60，計量能力400t/h，能滿足技改后生料計量要求，可不改造。

4.3 燒成窯中系統運行現狀及技改情況

4.3.1 回轉窯傳動設備現狀

回轉窯規格為φ4.5m×66m，斜度3.5%，主傳電機功率560kW，窯設計最大轉速4.0r/min，實際使用轉速為4.4r/min，能滿足技改后需求，可不改造。

4.3.2 窯尾密封改造

技改前，窯尾密封采用石墨塊式密封，存在漏風、漏料的缺陷，大量冷空氣進入預分解系統，導致能耗增加。本次技改將石墨塊式密封更換為更先進的重錘壓緊式窯尾密封，見圖3。

圖3 窯尾密封技改前后對比

4.4 燒成窯頭系統運行現狀及技改情況

4.4.1 篦冷機現狀及改造情況

目前使用的是第三代篦冷機，篦床有效面積106m2，采用液壓驅動。按技改后5 300t/d 產量計算，單位面積負荷為50t/d·m2，負荷偏高。考慮技改時間較短，此次改造中，暫不將第三代篦冷機更換為第四代篦冷機，但對其配風進行了優化，出篦冷機熟料溫度略有降低。

4.4.2 窯頭排風機及收塵器現狀

現有窯頭袋收塵器處理風量為600 000m3/h，窯頭排風機處理風量為500 000+110 000m3/h，全壓3 200/4 100Pa，功率600+185kW。

按技改后5 500t/d 的產能要求，技改后窯頭余風的處理能力需要達到580 000m3/h，現有收塵器和窯頭排風機的能力均能滿足技改后的生產要求，本次改造將不對此做技改。

4.5 煤粉制備運行現狀及技改情況

現有生產線采用的φ3.4m×（6.0+3.0）m風掃式煤磨，產量32t/h 左右，煤粉細度80μm 篩篩余＜3.0%，水分1.0%。煤粉計量采用菲斯特轉子秤（DRW4.12），窯頭最大計量能力14t/h，正常9t/h；窯尾最大計量能力19t/h，正常14t/h。根據當前實際使用情況，窯尾煤粉秤已達能力極限。

按窯系統熟料產量5 500t/d，煤低位發熱值26 668.4kJ/kg，煤磨能力富余10%計算，煤粉產量需達27.6t/h，現有煤磨產量能夠滿足技改后需求。

技改后頭煤計量需要10.1t/h，窯尾煤計量需要15.1t/h。因此，需將窯尾煤粉秤更換為DRW4.14，窯尾煤粉輸送管道按自還原脫硝技術的要求進行重新布置。

4.6 熟料輸送現狀

現在使用的熟料鏈斗輸送機型號為SCD1000×131 334mm，設備表上標注的輸送能力為200t/h，最大輸送能力320t/h，主傳動電機功率為90kW。按技改后窯產量5 500t/d 計算，熟料鏈斗輸送機能力須達到229.2t/h，現有鏈斗輸送機能滿足技改后的要求。

5 技改效果

停窯前，安排施工人員進廠進行設備及非標的制作，停窯后進行拆除和安裝作業，在現場項目部的合理安排下，二線50d即具備點火條件，一線60d具備點火條件，兩條生產線均在錯峰生產結束前完成了改造施工，預熱器技改前后效果見圖4。

公司兩條熟料生產線分別于2019年1月15日與2019年1月25日一次點火成功，運行一年多來，熟料生產穩定，技改前后的指標對比見表2。

改造后，窯平均產量＞5 300t/d，年平均產量高出改造前400t/d，年均電耗下降1.62kW·h/t，標煤耗下降3.15kg/t；熟料質量和易磨性明顯提高，水泥磨產量同步上升，年均產量提高22t/h；在NOx排放控制指標日益嚴格的情況下，氨水消耗量明顯降低，年均3.56kg/t熟料，下降44.5%。

表2 技改前后指標對比

圖4 預熱器技改前后對比

6 結語

本次改造達到了預期技改效果。具體如下：

（1）降低了氮氧化物排放濃度，排放值＜100mg/m3（標），達到了河南省超低排放限值的要求。

（2）提高了熟料的產質量和易磨性，生產系統運行更加穩定。

（3）降低了熟料綜合熱耗和電耗。

（4）提高了預熱器C1旋風筒收塵效率，降低了預熱器回料量，減輕了入窯提升機負荷。

（5）一線和二線鵝頸管布置不同，導致系統壓損不同，但分解爐系統有效容積和氣體停留時間并無差距，兩條生產線的產量基本一致。

本次技改充分挖掘了原有設備潛力，設備投資少，降低了生產成本。由于改造時間較短等因素，本次改造未對篦冷機進行更新換代，在后續的生產過程中，熟料冷卻能力不足，造成入AQC鍋爐熱風溫度偏高。若更換為第四代篦冷機，可增加熱回收效率，降低系統熱耗。