淺析預熱預分解系統常見技術問題及改造措施

王景平

（內蒙古建筑材料工業科學研究設計院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

20 世紀70 年代，預分解窯問世。90 年代，在國家建材局的指導下，我國水泥工業大力發展“低投資、國產化”預分解窯水泥生產線，天津、南京和成都三大甲級設計院分別負責4000t/d、2000t/d、1000t/d 熟料規模生產線低投資國產化的設計方案。進入21 世紀，我國水泥工業進入以“裝備大型化、工藝節能化、管理自動化、環保生態化”[1]為特征的快速發展期，與此同時，我國在國際上承攬的水泥工程項目數量也越來越多。

21 世紀初期，我國建設了多條預分解窯水泥生產線，運行到2010 年前后，技術指標上就開始出現明顯的落后，再加上低碳背景下，能源消耗指標和諸多環境保護指標的升級，這些生產線要么選擇關閉淘汰，要么選擇技術改造優化升級。

2015 年前后，工業技術的飛速進步將預分解窯水泥生產線“降成本”和“補短板”的空間暴露出來，我國水泥工業從此進入了存量生產線技術升級優化改造的密集時期，很多水泥企業集團和科研院所紛紛行動起來，并創造了一個又一個意想不到的業績，為水泥生產能耗指標的進一步降低作出了貢獻。這些生產線的改造主要集中在燒成系統（預熱預分解系統、煤粉燃燒系統及熟料冷卻機）、粉磨系統（立式輥磨、輥壓機、管磨機等設備及配套工藝）、環境保護系統（廢氣排放治理、噪聲、礦山植被恢復等）和自動化智能化系統等方面。鑒于預熱預分解技術是新型干法水泥生產技術的核心，是生產管理關注的重點之一，本文僅就燒成系統之預熱預分解系統常見技術問題及升級改造措施進行簡要分析。

1 預分解窯燒成系統最新指標要求

我國目前擁有預分解窯水泥熟料生產線1600 余條，較多生產線的能耗水平處于2000～2010 年時期。在2010 年前后，一條總承包建設的5000t/d 熟料新型干法水泥生產線，其性能保證指標之一熟料燒成熱耗≤750×4.18kJ/kg，熟料綜合電耗≤54kWh/t，粉塵排放濃度≤50mg/Nm3[2]。到了2020 年，一條新建5000t/d 熟料新型干法水泥生產線的業主提出的性能指標要求（按六級預熱器工作,余熱發電在線,脫硝系統在線狀態進行考核）如表1 所示。

表1 2020 年新建5000t/d 熟料預分解窯燒成系統業主要求性能指標

從表1 可知，對熟料燒成熱耗的要求已從10 年前的750×4.18kJ/kg 降到658×4.18kJ/kg，對熟料綜合電耗的要求已從54kWh/t 降到46kWh/t。不僅如此，對廢氣排放提出了更為苛刻的要求。這些要求，離不開技術的進步，也離不開天時、地利、人和的支撐。當然，前兩個指標要求是不是偏高，還有待于實踐驗證；而環保指標，如果不計投入和考慮科學合理性，應該能夠達到。

2 既有預熱預分解系統常見問題

預熱預分解系統主要由預熱器和分解爐構成，附屬設備或裝置有撒料板、撒料盒（箱）、下料管道、翻板閥、預熱器內筒、鵝頸管、燃燒器等。其任務就是完成生料的預熱和分解。具體地講，預熱器系統就是利用來自回轉窯及分解爐的高溫氣流加熱生料，使生料的溫度從幾十度上升到800℃左右，實現部分碳酸鈣等鹽類的分解；分解爐的任務，不僅要完成燃料燃燒，還要完成碳酸鹽的深度分解，前者用出爐燃料的燃盡率來考核，后者用入窯物料分解率來考核。

對諸多早期建設的預分解窯進行統計,并與近期建設或者技改投產的生產線相比，不難發現，這類窯的預熱預分解系統總體上表現為系統換熱效率不夠高，旋風筒料氣分離效率不夠高，系統阻力高，C4、C5 預熱器下料管及分解爐存在結皮，生料在分解爐停留時間不足，NOx、SO2排放控制難度加大等等。這些問題會直接導致燒成系統熟料熱耗高、系統運行電耗高、廢氣排放指標不達標等問題。

2.1 系統換熱效率不夠高

生料和煙氣在預熱器系統內的換熱效率不高，一般來說是系統結構不完美引起的生料分散不均，生料無法與氣流充分接觸并進行充分換熱。生料和煙氣在預熱器系統內的換熱效率一般以C1 預熱器出口的溫度和廢氣量來衡量。熱工專家陶從喜先生對我國早期建設的預分解窯C1 預熱器出口的溫度有一個統計，入表2 所示。

表2 C1 預熱器出口溫度及廢氣量的比較[3]

從表1 來看，對于早期建設的五級旋風預熱器系統，C1 預熱器出口廢氣溫度的國內水平是大于300℃的，系統換熱當屬較差。之所以要用C1 預熱器出口的溫度和廢氣量來衡量，是因為系統漏風和用風偏大都可以使C1 預熱器出口廢氣溫度表現為低，這一點筆者稱之為虛低。C1 預熱器出口溫度虛低，也有可能是預熱器系統保溫出了問題，表面散熱太多造成的。

2.2 預熱器旋風筒料氣分離效率不夠高

預熱器旋風筒料氣分離效率不夠高，會影響料氣換熱效率，導致C1 預熱器出口廢氣溫度偏高，浪費燃煤，而且還會增加系統阻力，增加窯尾收塵器的負擔，導致系統運行電耗偏高。如果煤粉制備所用熱風來自預熱器系統出口廢氣，廢氣中高濃度物料會引起燃煤熱值貧化。

2.3 系統阻力高

從生產一線來看，C1 預熱器出口負壓超過6000kPa的不在少數。引起系統阻力高的原因，除了預熱器結構、連接形式外，還與C4、C5 預熱器下料管及分解爐存在結皮，煙室結皮以及分解爐結構有關。另外，系統漏風也會影響到系統的阻力。

2.4 生料在分解爐和鵝頸管內的停留時間不足

早期設計的生產線，在稍微提產的情況下，生料在分解區（分解爐和鵝頸管）停留的時間就顯得不足，暴露出新的產能下分解區結構不合理或者是空間不足。這種情況會致使整個系統的阻力增大，料氣流場不順暢；甚至會導致C1 預熱器出口廢氣溫度CO 濃度升高；C5 預熱器出口溫度和其它各級預熱器出口溫度偏高；分解爐出口與C5 預熱器出口和下料管溫度存在倒掛現象；相關位置結皮。在生產線實施技改時，就常常會遇到這種問題：分解爐爐容偏小，難以滿足生料分解所需的停留時間，也難以滿足煤粉完全燃燒的要求，這不僅會造成熟料煤耗偏高，還會導致C1 預熱器出口溫度偏高，還會帶來燒成系統工況不穩定。

2.5 NOx、SO2 排放控制要求高

2013 年，水泥行業頒發了（GB4915-2013）《水泥工業大氣污染物排放標準》，其中對燒成系統的要求如表3 所示。

表3 現有與新建燒成系統大氣污染物排放限值(單位：mg/Nm3)

將表3 與表1 對比，不難看出表1 所列業主的要求遠遠高于國家標準。這是一些地區出臺“嚴控標準”和“超低排放標準”[5]的一個表現,加重了當前水泥企業治理NOx、SO2排放的難度。

3 常用的改造措施

水泥工業技術工作者追求資源低消耗的努力從來就沒有停止過，2015 年以后，許多優化創新成果用在新建水泥生產線和既有水泥生產線的技改上，都表現出令人比較滿意的效果，不僅降低了熟料單位煤耗，還降低了系統電耗，減少了CO2、SO2以及NOx的排放。對于預熱預分解系統存在的問題，本文結合工作經驗就常用的改造措施進行簡略地介紹。

3.1 提高系統換熱效率的措施

預分解窯配置五級預熱器系統，其C1 預熱器出口廢氣理論溫度為278℃[4]，從表1 可知，大多數窯C1 預熱器出口溫度都在320℃左右，系統換熱效果不理想。眾所周知，下一級預熱器氣體出口與上一級預熱器料氣進口之間的連接管道就是換熱管道，物料經下料管流出進入換熱管道，必須選擇一個合適的位置，選擇一個合適的撒料裝置，才能保證物料在換熱管內的均勻狀態、分散程度和濃度大小。西南科技大學齊硯勇教授指出，如果物料在進入換熱管之前便通過合理布置的下料管和撒料裝置，由簡單的機械碰撞的方式使其充分分散，料團尺寸顯著減小，物料濃度的空間分布更加均勻，不但可顯著減小預熱器換熱管內的壓力損失，同時可使物料同高溫氣流之間的換熱、傳質過程在懸浮態下完成的更加迅速、高效，防止物料發生沖料現象，有效地提高懸浮預熱系統的熱效率[4]。

基于此，筆者認為，提高預熱器系統換熱效率的措施有：（1）改進物料進入換熱管道的位置和撒料裝置的結構；（2）優化各級預熱器下料管的角度；（3）優化換熱管道的直徑與長度，保證有適宜的風速與必要的停留時間；（4）增加預熱器系統旋風筒級數，比如表1 所列熱耗指標就是基于六級預熱器系統提出的，這是目前備受關注的熱點。

3.2 提高旋風筒料氣分離效率的措施

預熱器旋風筒料氣分離效率不夠高，主要是旋風筒結構不合理。設計單位在不改變風速的前提下力求提高料氣分離效率，一方面優化旋風筒內筒的直徑與高度，另一方面還對旋風筒進風口徑的大小與形狀進行改進。近年來，設計院十分注重C1 預熱器的料氣分離效率。在具體改造項目中，不只是將C1 換成新型高效低阻預熱器，還將C2～C5 預熱器的進口擴大。

預熱器旋風筒料氣分離效率不夠高，也與翻板閥關閉不嚴或料柱不足以鎖風有關。在模擬流場中，當翻板閥關閉不嚴或料柱不足以鎖風時，旋風筒負壓將風從撒料箱、下料管吸入，引起物料飛揚，使本應進入下料管的物料被帶入內筒，嚴重降低料氣分離效率。因此，優化翻板閥也能在一定程度上提高旋風筒料氣分離的效率。

3.3 降低系統阻力的措施

在理論研究中，可利用計算機技術，利用CFD 進行分析，對分解爐的認識就會越來越深入，包括分解爐錐體角度的變化，三次風入爐位置的變化，對窯風、三次風、生料和煤粉混合的影響是什么樣的，效果如何。很多方面與實踐結合起來，一方面印證了這種結果的推理，另一方面也啟發了新的技改方法。

近年來，不管是設計院還是生產企業，在降低系統阻力上都取得了不少經驗。除了以上在提高系統換熱效率和料氣分離效率上的措施有利于優化流場降低阻力外，在分解爐、C4 和C5 下料管以及煙室上面的優化改造也大大地降低了系統阻力。

對分解爐進行改造，不只是某一個目的，有可能會帶來諸多效果。比如優化C4 下料管與分解爐之間的撒料盒，優化三次風管進爐的方向，優化燃燒器在分解爐中的位置、角度。這些優化的結果，不僅會帶來系統阻力的降低，還能改善物料在分解爐內的分布狀態，改善生料的分解效率，減少關鍵位置的結皮等。

預熱預分解系統漏風，不僅增加系統阻力，還會增加熟料燒成煤耗，引起下料管、分解爐和煙室結皮。對此，一般會對煙室清灰孔、翻板閥、預熱器人孔門等處進行清查，尤其是變形的要維修，要更新，確保密封效果。

對于下料管、分解爐和煙室的結皮，為了便于清理，在技改中可選用微晶板，甚至選用內表面鋪微晶板的預制結構。

3.4 延長生料在分解爐及鵝頸管停留時間的辦法

為了延長生料在分解爐及鵝頸管停留時間，最常用的方法就是不改變分解爐的直徑，直接利用預熱塔架的空間將分解爐和鵝頸管向上延伸，達到擴容的目的即可。鵝頸管的轉彎處要注意結構的優化，防止物料堆積。

3.5 降低NOx、SO2 排放的措施

水泥企業面對更高要求的NOx、SO2排放控制要求，水泥企業不得不投入資金對預熱預分解系統進行治理。

面對嚴格的要求，在降低NOx 排放方面，大多數企業采取分級燃燒+SNCR 組合脫氮技術，也有的采取分級燃燒+SNCR+SCR 組合脫氮技術，后者投入很大。鑒于此，有專業隊伍在分級燃燒技術上下功夫，原理上就是給予煙室更大的空間（包括采用管道延伸），合適的缺氧用煤，制造更好的還原空間，使來自燒成帶的NOx 降到最低，為后續的SNCR 系統減輕負擔，降低運行費用。

在降低SO2排放方面，只有部分企業有壓力。主要原因在于預熱預分解系統排除SO2的量多取決于原料中硫的含量。目前在業內探討的關于燒成系統脫硫的技術很多，比如齊硯勇的預分解窯內循環煙氣脫硫技術，其不需購買脫硫劑，封閉運行，無廢氣排放，不增加窯系統能耗[6]；還有干粉脫硫、濕法脫硫、超聲波霧化脫硫、復合脫硫等技術。這些技術各有特點，企業技改時要充分結合自身的情況，科學合理地選擇。

4 結束語

綜上所述，在過去的10 多年里，預分解窯熟料燒成指標和綜合電耗指標有了很大的進步。存量生產線與新建生產線或者近期已改造的生產線相比，存在能耗高、能效低、排放高等問題。這些企業要實現高質量運轉，可通過技術改造升級優化來實現。在預熱預分解系統，技術上一定要考察系統換熱效率、旋風筒料氣分離效率、系統阻力等工況，要看看C4、C5 預熱器下料管及分解爐是否存在結皮，生料在分解爐內（分解空間）停留時間是否充足，NOx、SO2排放是否滿足要求，要根據實際情況，選擇學合理的技術對系統進行改造，以實現先進的能效指標和最低排放指標。