印尼海德堡万吨生产线烧成系统设计优化与运行

陈昌华，马娇媚，武晓萍，彭学平，陶从喜

P14-印尼海德堡10 000t/d生产线项目位于印尼爪哇岛，当地海拔约50m，年平均环境温度约30℃。该项目采用EPC总承包模式实施，业主为印尼水泥集团和海德堡集团，总承包方为天津水泥工业设计研究院有限公司（以下简称天津院）。其中，烧成系统采用天津院新一代技术与装备，生产线于2016年投产，目前系统运行状态正常，日产熟料量稳定在10 000t以上，烧成系统能耗指标（煤耗、电耗）以及各项环保指标（NOx、CO、粉尘排放等）均达到同规模生产线的先进水平。

1 原燃料情况

1.1 高水分褐煤

该生产线燃料主要考虑使用当地褐煤，褐煤的工业分析结果见表1。由表1可知，原煤的内水高达21.8%，热值仅19 750kJ/kg，属于高水分、低热值褐煤。

按照天津院煤粉燃烧特性的试验方法，对来样褐煤进行了试验，从测试结果来看，P14项目褐煤燃尽时间（燃尽度达到90%所需的时间）为6.6s。一般易燃烟煤的燃尽时间为7.0s左右，而难燃无烟煤的燃尽时间长达60s以上。由于褐煤的挥发分较高，容易起燃，燃尽时间也相应较短。本项目褐煤与其他项目褐煤相比（见表2），燃尽时间较短，说明其燃尽特性较好。

表1 褐煤的工业分析，%

表2 几种典型褐煤的燃尽时间对比

表3 熟料的化学成分，%

1.2 原料特点

1.2.1 原料水分高

本项目原料主要为石灰石、粘土、砂粘土、铁砂岩和砂岩等5种。其中，石灰石的水分为4%～7%，粘土、铁砂岩等水分一般在10%以上，生料综合水分最大值达8.5%。

1.2.2 原料MgO含量偏高

熟料的化学成分见表3，其中MgO的含量为3.0%～3.5%，主要来源于石灰石原料。为了保证熟料强度，高镁原料对应的熟料率值往往比较高，熟料形成热也往往偏高。根据该生产线原料成分进行计算，熟料的形成热为1 755.6kJ/kg熟料左右。

2 烧成系统主机配置

烧成系统窑尾采用天津院自主开发的万吨级规模的窑尾预分解系统。旋风筒及分解炉等采用了天津院最新开发思路，对多处细节进行了优化。其中，预热器为高效低阻型5级预热器系统，分解炉为旋喷结合的TDF型在线分解炉。回转窑由天津院设计和供货，为天津院供货的首台万吨级规模的回转窑，其规格为ϕ6.0m×90m三档窑。烧成系统主机配置见表4。

3 烧成系统主要技术特点

3.1 正常燃用褐煤的安全生产技术

由于褐煤水分大、挥发分高、热值低，燃烧产生的烟气量相对偏大，理论燃烧温度较低，因此，万吨线开发的重点为：如何在确保燃用褐煤的情况下正常安全生产。主要采取的技术措施有：

（1）优化分解炉结构，对入炉的三次风、燃烧器、物料下料点位置等进行合理匹配，C4分料设置，保证分解炉煤粉喷入高温操作区间，确保褐煤的燃烧效果。

（2）窑头主燃烧器调节性要好，能根据窑内燃烧情况灵活地调整火焰形状，确保合理的窑皮长度。

表4 P14项目烧成系统主机配置

（3）采用小窑门罩，提高二次风温度，有助于提高窑头火焰温度。

（4）煤磨烘干从窑尾取热风，入煤磨烟气用电收尘器收尘，减少煤粉贫化。

3.2 带4/5级切换的预热器系统

根据建厂原料情况，生料的最大综合水分含量按照8.5%考虑，将窑尾预热器系统设计成4/5级切换的型式，可根据原料水分的情况调整窑尾预热器系统。

在下列情况下，烧成窑尾切换至五级预热器状态运行：

（1）生料综合水分＜6%；

（2）生料磨停磨状态。

3.3 旋喷结合的TDF改进型分解炉（图1）

由于万吨级生产线分解炉直径较大（ϕ9.0m），为了促进风、煤、料在炉内的均匀分布，该生产线分解炉采用了特殊的设计，TDF分解炉由常规的喷腾型改进为旋喷结合型，优化内容主要包括三次风偏置进风（图2），窑尾喂煤点偏置，三次风管布置在窑正上方，从篦冷机两点取风等。同时，设计过程中针对不同的优化方案，对分解炉进行了大量的数值模拟工作，以提高分解炉内物料和煤粉的均匀分布，避免局部高温，同时促进煤粉燃尽。不同偏置距离的温度、O2和CO浓度云图见图3。

3.4 优化的回转窑

3.4.1 窑尾端扩大

对于大规模的生产线，为了促进窑内通风状况，本项目回转窑采用尾端扩大技术，尾端直径由ϕ6.0m扩大至ϕ6.4m。回转窑尾端扩大示意图见图4。窑尾端扩大主要有以下几个优点：

（1）可以有效扩大烟室最小断面，降低阻力，改善窑内通风，减少烟室飞灰，最大限度地发挥窑的潜能；

（2）三次风管阀门开度可适当加大，避免三次风管阀门开度太小造成的阀体较快磨损。3.4.2 窑头收缩

由于回转窑的倾斜布置，窑头耐火砖和窑口浇注料的结合处往往是应力集中的区域。对于大规模的回转窑，窑内耐火砖的重量大，窑头应力集中对耐火材料的使用寿命影响更大。本项目回转窑采用窑头收缩技术，窑口段回转窑的直径由ϕ6.0m逐步过渡至ϕ5.8m，使窑内耐火砖下滑的应力在区域内分散，避免应力集中对耐火材料的损坏。窑头收缩示意见图5。

4 烧成系统运行情况

图1 旋喷结合的TDF改进型分解炉

图2 三次风管偏置进风型式

图3 不同偏置距离的温度、O2和CO浓度云图

图4 回转窑尾端扩大示意图

投产以来，预热器系统未出现塌料、结皮堵塞等问题，生料喂料和喂煤系统稳定，分解炉及各级旋风筒温度、压力波动较小，整个预热器系统运行稳定正常。由于燃料为褐煤，内水较高，预热器出口的风量相对正常烟煤偏大。在设计产量下，预热器出口温度在315℃左右，压力为-5 000Pa左右，出预热器粉尘含量＜60g/m3（标）。

旋喷结合的改进型TDF分解炉运行稳定，炉内煤粉着火和燃烧情况正常，无爆燃现象，煤粉燃尽度高，分解炉出口几乎无CO（气体分析仪显示CO含量在0.02%以下），C5出口与炉出口温度无倒挂现象，现场观察，C5料管及烟室无未燃尽的煤粉火星。该分解炉对印尼高水分褐煤有很好的适应性。

由天津院自主研发的万吨级回转窑，自投产以来运行稳定，双齿轮系统运行同步性好，托轮瓦温正常，窑电流一般控制在500～700A。窑内通风正常，无窑内结球、结圈现象，窑皮长度正常。采用尾端扩大技术后，回转窑内压损较小，烟室负压一般在-200Pa左右。

图5 窑头收缩示意图

图6 典型的中控操作画面

IKN篦冷机性能表现卓越，设备可靠性高，熟料冷却效果好，对应冷却风机电耗低。中控操作画面见图6。

5 现场热工测试与热平衡计算

5.1 温度、压力、气体成分

现场测试了烧成系统主要部位的温度、压力、气体成分，结果见表5。从测试结果看，出预热器烟气温度在315℃左右，预热器系统的换热效率正常。分解炉出口CO含量很低，煤粉燃尽度较高。二次风温达到1 200℃以上，三次风温930℃，篦冷机的热回收效率较好。另外，预热器出口与分解炉出口O2含量相差较小，预热器系统漏风较少。

表5 温度、压力、气体成分测试数据

表6 表面散热测试结果

5.2 含尘浓度

考核期间，分两次测试了出预热器烟气含尘浓度，结果分别为41.0g/m3（标）和47.5g/m3（标），根据含尘浓度测试结果计算，预热器系统的收尘效率达到95%以上。

5.3 表面散热

大规模的生产线，单位熟料对应的表面积相对较小，表面散热也相对较低。以回转窑为例，万吨级生产线回转窑（ϕ6.0m×90m）较之5 500t/d规模的回转窑（ϕ4.8m×72m），单位熟料对应的表面积相对减少约15%，表面散热相应可减少约15%。P14项目考核期间，测试了设备表面温度，并计算了表面散热，结果见表6。

5.4 热平衡计算

基于热工测试数据，对P14项目烧成系统进行了热平衡计算，结果见表7。平衡计算结果显示，烧成系统热耗在2 900.92kJ/kg熟料左右，与生产运行过程中的煤耗统计结果基本吻合。

表7 烧成系统热量平衡表

表8 烧成系统2×72h性能考核结果

6 性能考核

窑系统性能考核于2016年9月进行，考核前采用实物标定，修正了生料秤和煤粉秤。按照合同要求，分两次72h连续运行考核。考核期间，生料投料量为680～700t/h，煤粉热值为 20 900～22 990kJ/kg，两次72h考核结果见表8。

7 结语

印尼海德堡P14万吨线烧成系统，采用天津院新一代技术与装备，窑尾预分解系统和回转窑均为天津院自主研发的万吨级设备。针对大型化生产线的特殊性，并结合高水分原料和高水分褐煤的特点，生产线在设计上采用了4/5级切换的第三代预热器系统、旋喷结合的改进型TDF分解炉、带尾端扩大和窑头收缩的大规模回转窑等技术。从运行考核结果看，熟料产量、烧成煤耗、电耗、NOx排放等各项指标均优于合同要求，烧成系统一次性顺利通过达产达标考核，系统性能指标为目前国际先进水平。