水泥窯旁路放風系統及其工藝設計

黃海林，姜樹豐，郝利煒，劉鵬飛，王小文

隨著水泥工業的快速發展，原燃材料資源日趨緊張，水泥生產迫切需要適應堿、氯、硫等揮發性有害成分含量高的原燃料；另外，隨著水泥窯協同處置固體廢棄物、生活垃圾、飛灰等各類廢棄物量的增加，進入回轉窯內的硫、氯、堿等揮發性有害成分也相應增加。這些揮發性成分在燒成系統內循環富集，造成窯尾煙室縮口、下料斜坡、C5 旋風筒錐體等部位結皮堵塞嚴重，影響了燒成系統的穩定運行及熟料質量。

為減少揮發性有害成分在燒成系統內的循環富集，一般采用旁路技術進行控制。旁路技術主要分為三類[1]：一類是窯灰旁路技術。該技術是指將窯尾收塵器收集的窯灰另作他用，不再入窯，以此減弱有害成分的外循環。該技術較為簡單，但減少窯內有害成分的作用不太明顯。另一類是熱生料旁路技術，該技術是指將部分富含可形成再循環冷凝化合物的入窯熱生料旁路。該技術減少窯內有害成分的作用較明顯，但會導致系統熱耗、料耗增加。第三類是旁路放風技術，該技術是指從窯尾煙室放出部分含有大量硫、氯、堿的煙氣，從而減少硫、氯、堿在燒成系統內的富集和循環。該技術是目前使用最多，也是減少揮發性有害成分在燒成系統內循環富集效果最好的技術。本文根據實際設計經驗，就旁路放風技術的工藝流程選擇和工程設計要點進行介紹。

1 不同粉塵捕集方式下的旁路放風系統工藝流程

旁路放風技術是指抽取窯尾煙室中部分含有高濃度揮發性有害成分的煙氣，將有害成分冷凝在粉塵表面，利用收塵裝置捕集后排出，并另行處置的技術。此技術可降低硫、氯、堿等有害成分在燒成系統的富集和循環，避免或減緩結皮堵塞對燒成系統的影響。在抽取的氣體中，含塵濃度和有害成分含量均較高，需作進一步處理方可排放至大氣中或匯入原窯尾煙氣系統中。

由于窯尾煙室排出的煙氣溫度較高，一般在1 050℃～1 150℃，取風管道內壁需敷設耐火材料或使用耐高溫材質管道；另外，取風管道內有害成分較多時易導致結皮堵塞，需盡量縮短取風管道長度。為了使旁路煙氣中的有害成分迅速冷凝，防止二噁英再次合成，降低進入收塵裝置的煙氣溫度，煙氣從窯尾煙室抽出后，需用冷卻風機將其強制急冷至300℃左右。后續的粉塵捕集主要采用旋風收塵器和袋收塵器兩種方式進行。

1.1 使用旋風收塵器捕集粉塵

使用旋風收塵器捕集粉塵的工藝流程如圖1所示，窯尾煙氣在驟冷室經急冷風機冷卻后，先通過一個旋風收塵器捕集煙氣中的粗顆粒后返回窯尾煙室，再通過另外一組旋風收塵器捕集煙氣中的細粉，細粉另行處置。處理后的煙氣由窯尾C1 出口匯入高溫風機管道，利用高溫風機的抽力將氣體抽走，匯入原窯尾煙氣系統。

圖1 旁路放風系統工藝流程-旋風筒方案

此種方案中，煙氣中粗顆粒冷凝后的有害成分較少，捕集后的粗顆粒可再次喂入窯內，以減少燒成系統的料耗和熱耗；同時，利用窯尾高溫風機的負壓抽取煙氣，可節省風機設備投資。但配置兩級旋風收塵器會增加系統阻力，同時，因旁路放風系統沒有配備風機，只能依靠調節風管上的閥門開度調整所需抽取的風量，無法精確控制放風量。

1.2 使用袋收塵器捕集粉塵

袋收塵器濾袋的可承受溫度一般<200℃，>200℃的耐高溫濾袋成本較高，因此需對急冷后仍有300℃左右的高溫煙氣進行二次冷卻，使之能夠保持在200℃以下，以保證袋收塵器的安全運行。根據實際運行情況，高溫煙氣的二次冷卻可選擇冷風閥、熱交換器、噴霧冷卻塔等形式。當二次冷卻的煙氣溫度降至氯化物的凝結溫度以下時，煙氣中的氯化物將大量凝結并附著于細小顆粒表面。袋除塵器捕集附著有氯化物的細小顆粒，除去旁路放風煙氣中的氯化物，形成高含氯窯灰。

1.2.1 冷風閥二次冷卻

冷風閥二次冷卻方案如圖2 所示。使用冷風閥進行二次冷卻，工藝流程簡單，無需新增設備，不會增加系統阻力，是首選的高溫煙氣二次冷卻方案。其缺點是，吸入冷風后，系統所需處理的總風量增加，導致后續旁路收塵器和收塵風機的處理能力也需相應加大。

圖2 旁路放風系統工藝流程-冷風閥二次冷卻方案

1.2.2 熱交換器二次冷卻

熱交換器二次冷卻方案如圖3 所示。使用熱交換器進行二次冷卻，沒有摻加額外的冷風，無需加大后續旁路收塵器和收塵風機的處理能力，但需新增一臺熱交換器，熱交換器風扇電機的電耗及新增的系統阻力，將會增加整個旁路系統的電耗。目前，國內有些設計單位采用多管冷卻器替代熱交換器，雖降低了熱交換器風扇電機的電耗，使用效果與熱交換器類似，但其阻力也相應增加。

圖3 旁路放風系統工藝流程-熱交換器二次冷卻方案

1.2.3 噴霧冷卻塔二次冷卻

噴霧冷卻塔二次冷卻方案如圖4 所示。使用噴霧冷卻塔進行二次冷卻，由于沒有摻加額外的冷風，所以無需加大后續旁路收塵器和收塵風機的處理能力，但增加了一座噴霧冷卻塔，噴霧系統泵驅動電機的電耗加上新增的系統阻力，也會增加整個旁路系統的電耗。

圖4 旁路放風系統工藝流程-噴霧冷卻塔二次冷卻方案

在進行旁路放風系統設計時，可根據實際運行情況，選擇以上冷卻方式中的一種或幾種進行組合。如，某工廠為了降低系統料耗和熱耗，在煙氣急冷后，先用旋風收塵器將粗顆粒物料捕集并重新送回窯內后，又采用熱交換器進行二次冷卻，并采用袋收塵器進行粉塵捕集；同時，為了保護濾袋，在管道上加設了冷風閥作為應急閥門。

2 旁路放風系統放風量的選擇

當生料中的總堿量（K2O+Na2O）>1%，氯（Cl-）含量>0.015%或生料中的硫堿摩爾比SO3/（K2O+0.5Na2O）>1 時，就可能會影響燒成系統的正常操作[2]，需采取旁路放風措施，解決有害組分循環富集的問題，降低熟料中堿、氯、硫等的含量，滿足生產優質低堿熟料的需要。

采用旁路放風會損失部分熱量，增加系統熱耗，因此旁路放風量并非越大越好，需要通過Weber公式計算確定。

Weber 基于有關假設，推導出的堿循環系數K的計算公式如下[2]：

堿減少量的計算公式如下：

式中（假定堿全部來自生料）：

（K-1）——堿循環量

ε1——生料中堿的揮發系數

ε2——循環堿的揮發系數

V——旁路放風量（%），占窯尾煙室煙氣量的百分比

ΔA——熟料中堿的減少量

式（1）、式（2）同樣適用于硫化物和氯化物的計算。

幾種典型物質的揮發系數見表1，幾種典型揮發性有害物質在入窯熱生料中的含量上限值見表2，硫與氯共存系統的結皮程度見圖5[3]。

表1 幾種典型物質的揮發系數

表2 幾種典型揮發性有害物質在入窯熱生料中的含量上限值，%

從圖5 可以看出，采取旁路放風后，計算入窯熱生料中的Cl-和SO3的質量百分含量時，若入窯生料中只有Cl-沒有SO3時，只需查看Cl-的質量百分含量落在圖中縱坐標上的判點在哪個區域；若入窯熱生料中只有SO3而沒有Cl-時，只需查看SO3的質量百分含量落在橫坐標上的判點在哪個區域；若入窯熱生料中Cl-和SO3共存，則需查看以SO3的質量百分含量為橫坐標、以Cl-的質量百分含量為縱坐標的判點落在哪個區域[3]。若判點在重度結皮區域，則需繼續加大放風比例并重新計算，直到判點落在可接受結皮區域或輕度結皮區域，此時的放風比例即可作為設計放風比例。

圖5 硫與氯共存系統的結皮程度

通過驗算不同放風比例下入窯熱生料及熟料中堿、氯、硫的含量，可確保結皮程度在可控范圍內，確定窯尾煙室最小放風比例，確保系統正常運行的同時，將熱耗、電耗、料耗等的影響降至最低。

3 旁路放風系統設計要求

由于窯尾煙氣中含有較高的Cl-、K、SO2等有害成分，在進行旁路放風系統工藝設計時，需分別對其取風位置、取風截面積、高溫風管、驟冷室風管及其安全設計等進行限制性設置，以確保旁路放風系統安全有效運行。

3.1 取風點設置

為了能夠抽取到更多有害成分濃度較高的窯尾煙室煙氣，并盡可能地降低所抽取煙氣中的粉塵濃度，根據流場分析及實踐經驗，取風點宜設置在窯尾煙室縮口稍下部位，緊鄰回轉窯一側，且與窯中心線重合，如圖6所示。

圖6 旁路放風最佳取風點位置

現場條件受限時（尤其是改造項目），取風點可適當偏移至回轉窯一側、窯中線的兩側（喂料點之前）或煙室側面。

放風比例<25%時，取風點宜設置在回轉窯一側中心位置，只有在放風比例>25%或布置空間受限時，才會考慮將其設置在煙室后端。

當取風點設置在窯尾煙室后側時，放風效果會有一定的弱化，需適當提高放風量。目前尚無法準確量化其弱化的程度，根據實際生產經驗，約需增加1%～2%的放風比例，可通過在設計階段適當提高設計富余系數解決此問題。

3.2 各工況點的風速及設計要求

3.2.1 位于窯尾煙室的取風點

為減少所抽取煙氣中的粉塵濃度（尤其是較大顆粒），國內標準要求取風點風速≯11m/s，國外一般要求取風點風速≯7～8m/s，并確保取風點與C5卸料點有一定的距離。

3.2.2 驟冷室進口管道

從取風點至驟冷室進口的風管長度應盡可能短，以防止該區域出現積料、結皮等情況，確保系統平穩運行。

旁路放風所抽取的煙氣溫度一般在1 050℃～1 150℃，在進入驟冷室之前，風管管道內壁需敷設230mm 厚度的澆注料（國外有要求澆注料厚度為345mm的情況）。

驟冷室進口處的風速一般按20m/s 設計，需同時考慮多個放風比例時，最好能將各放風比例下的風速值均設置在16～25m/s。

3.2.3 驟冷室本體

（1）根據取自窯尾煙室的高溫煙氣與冷風機提供的冷風混合后的風量，確定驟冷室的截面風速。截面風速一般按12m/s 設計，考慮多個放風比例時，風速宜為9～15m/s。

（2）驟冷室所需冷風由風機強制鼓入，冷風進口處風速一般為25～30m/s，沿切線形式進入驟冷室。通過設置在驟冷室出口后端（一般要求距離5～8m）的測溫點，反向調控風機轉速或風機進口閥門開度，確定冷風供應量。

（3）一般按驟冷室有效內徑的1.0～1.5 倍考慮驟冷室有效長度。

（4）驟冷室內壁澆注料的厚度為100～150mm。考慮到旁路放風系統停止運行時，窯尾煙室的煙氣溫度或熱輻射會對驟冷室產生傷害，安全需求較高時，該處的澆注料厚度可設置為230mm。

（5）離開驟冷室的混合煙氣溫度一般設定為300℃左右。驟冷室出風口風速一般按照18m/s 設計，風速運行區間宜為16～23m/s。

3.3 安全設計要求

3.3.1 驟冷室強制冷卻風進口管道

驟冷室強制冷卻風進口管道與冷卻風機連接，二者之間需通過高溫密封閥（開關型閥門，電動或氣動均可）進行隔斷。設計上，要求該閥門靠近驟冷室，同時，閥門與驟冷室直接連接的管道，包括閥門本身及閥門后端（靠近風機一側）約0.5m 長的管道，均需設置100～150mm 厚度的澆注料。安全需求較高時，該處的澆注料厚度可設置為230mm，以防止旁路放風系統停止運行時，窯尾煙室的高溫煙氣溢出。

3.3.2 驟冷室出風口管道

驟冷室出風口管道，即與冷空氣混合后的煙氣，離開驟冷室后所運行的管道。在距驟冷室出風口<0.5m 的位置，設置高溫密封閥（開關型閥門，電動或氣動均可）進行隔斷。設計上，要求該閥門靠近驟冷室，同時，閥門與驟冷室直接連接的管道，包括閥門本身及閥門后端（靠近風機一側）約0.5m長的管道，均需設置100～150mm厚度的澆注料。安全需求較高時，該處的澆注料厚度可設置為230mm，以防止旁路放風系統停止運行時，窯尾煙室的高溫煙氣溢出。

3.3.3 旁路煙氣二次冷卻

確保進入收塵器的風溫降至濾袋的安全運行溫度，并設置收塵器進風口處的溫度測點。根據不同的二次風冷形式，通過調節冷風閥開度、啟動熱交換器冷卻風扇的數量、控制噴霧冷卻塔的噴水量等，反向控制二次冷卻后的煙氣溫度。

3.3.4 混合風管

理論上要求混合風管的管道角度應盡可能接近90°，而實際設計時，要求上升段管道角度≮70°，下降段管道≮60°，以防止管道積灰。

3.3.5 驟冷室至收塵器進風口的煙氣管道

驟冷室至收塵器進風口的煙氣管道長度須≮20m，氣體在進入袋收塵器前運行時間>1s，冷風與高溫煙氣充分混合降溫，確保收塵器濾袋安全。

圖7為旁路放風工程設計示例。

圖7 旁路放風實際工程示例

4 結語

綜上所述，在增設旁路放風系統時，需根據企業的實際情況選擇旁路放風工藝流程和取風點，同時，根據原燃料成分中堿、氯、硫的含量進行詳細計算，合理確定放風比例并進行設備選型，在保證熟料質量和系統正常運行的同時，降低系統熱耗、料耗及電耗。需注意的是，即使設置了旁路放風系統，也并不能完全避免結皮和堵塞現象，應精細操作回轉窯和預熱器，保持系統溫度、風壓及喂料量的穩定，在易結皮位置設置空氣炮清掃裝置，并加強現場巡檢，這樣才能將結皮堵塞風險控制到最小，確保系統工況的穩定。