4 500t/d水泥熟料生产线节能降耗优化措施

崔洪坤，刘志强

1 引言

水泥工业是资源和能源消耗型行业，能耗占全国建材行业总能耗的75%左右。面对日益严格的环保标准和减碳压力，特别是GB 16780-2021《水泥单位产品能源消耗限额》的出台实施，水泥行业节能减排势在必行。在水泥熟料生产过程中，生料预热、碳酸钙分解、窑内煅烧及熟料冷却等4个阶段对熟料烧成系统的节能降耗起着关键的作用。对预热器、分解炉、烟室和冷却机等进行优化改造是烧成系统节能降耗的有效途径。

本文以某4 500t/d水泥熟料生产线为例，分析了预热器、分解炉、回转窑、冷却机等系统对熟料烧成的影响，从降低预热器阻力、优化分解炉煤粉燃烧与生料分解、优化窑内通风及提高熟料冷却效率等方面进行改造，实现了提产降耗的目的。

2 生产现状

某4 500t/d水泥熟料生产线，配套有φ4.8m×74m回转窑、φ7.5m×30m在线双喷腾分解炉、φ5.6m×38m鹅颈管、双系列五级旋风预热器及第三代篦式冷却机。其烧成系统主要设备参数见表1，烧成系统运行参数见表2。

表1 烧成系统主要设备参数

表2 烧成系统运行参数

该生产线于2009年投产运行，至今已运行十多年。技改前熟料产量为5 900t/d，烧成实物煤耗为144.9kg/t.cl，氮氧化物含量＞600mg/m3（脱硝系统处理前），产量及能耗等指标均落后于当前水泥生产线的平均水平。

3 存在的问题分析

（1）窑内通风不良，分解炉内煤粉燃烧不完全、碳酸钙分解率较低，预分解系统易结皮，烧成系统煤耗偏高。

（2）各级旋风筒进口截面积偏小，预热器压力损失较大，预热器整体阻力偏高，从而造成系统电耗增加。

（3）撒料箱磨损变形，失去了应有的撒料作用，换热效率较低。受结皮影响，各锁风阀漏风量偏大，降低了旋风筒分离效率，加大了生料系统的内循环量，导致熟料产量下降，煤耗上升。

（4）C1旋风筒收尘效率偏低，增加了生料系统内循环量，部分热量被生料带走，增加了系统热耗。

（5）NOX初始浓度偏高，导致NOX末端治理脱硝过程中的喷氨量偏高，脱硝成本增加。

（6）窑头煤粉燃烧器净风量偏大，压头偏低，推力不足，窑内烧成状况不好，不利于节能降耗。

（7）冷却机规格偏小，出冷却机熟料温度偏高，物料输送能力较差，热回收效率较低，二、三次风温度偏低。

4 技改方案

4.1 分解炉和鹅颈管改造

表3为技改前后分解炉和鹅颈管参数对比。由表3可见，原分解炉、鹅颈管的有效容积分别为1 154m3、864m3，风速分别为8.64m/s、17.84m/s。改造前，当熟料产量为5 900t/d时，气体在分解炉和鹅颈管内的停留时间为5.84s，煤粉和生料在分解炉和鹅颈管内的悬浮时间较短。当熟料产量提高到6 600t/d时，随着分解炉和鹅颈管内烟气量的增加，烟气在分解炉和鹅颈管内的停留时间进一步缩短，分解炉内的煤粉燃烧、碳酸钙分解和气固换热效率进一步降低，影响窑内熟料煅烧效果。

改造措施：利用预热器框架内部的有效空间，扩大分解炉容积。受预热器框架尺寸限制，无法对分解炉进行扩大直径的改造，通过理论计算并结合框架承载力，本次技改将原分解炉加高了18.35m，鹅颈管向上穿过79.60m平面后，向下连接到原鹅颈管。分解炉和鹅颈管改造示意如图1所示。

图1 分解炉和鹅颈管改造示意

从表3还可以看出，技改后，分解炉和鹅颈管的有效总容积为2 926m3，比技改前2 018m3增加了45%。改造后，当熟料产量为6 600t/d时，气体在分解炉和鹅颈管内的停留时间为7.80s，比技改前（5.84s）增加了1.96s。虽然风速有不同程度提高，但分解炉和鹅颈管总容积的扩大，使得气体在分解炉和鹅颈管内的停留时间延长。因此，分解炉和鹅颈管的扩容改造对煤粉燃烧、碳酸钙分解及气固换热等有较大提升效果。

表3 技改前后分解炉和鹅颈管参数对比

4.2 旋风筒改造

表4为技改前后各级旋风筒进口参数对比情况。从表4可以看到，原C1～C5旋风筒进口截面积偏小，进口风速在16.20～20.41m/s，风速均很高，系统阻力大，C1出口负压高达5 750Pa。

表4 技改前后各级旋风筒进口参数对比

改造措施：扩大C1～C5进口通风面积，同时取消进口底部平段，以降低风速，减小旋风筒进口阻力损失。其中，C1旋风筒进口向两侧加宽；C2～C4旋风筒进口加宽加高；C5旋风筒进口加高且降低直筒高度，增加上蜗壳高度，同时对鹅颈管出口作相应改造。旋风筒改造示意如图2、图3所示。另外，在不破坏旋风筒顶盖及上升管结构的情况下，扩大内筒直径，更换C4和C5旋风筒内筒。

图2 C1～C4旋风筒进口改造示意

图3 C5旋风筒进口改造示意

从表4可以看出，技改后，各级旋风筒进口风速均有不同程度降低，其中，C1旋风筒进口风速为15.66m/s，比技改前降低了3.3%；C2～C5旋风筒进口风速在14.91～17.79m/s，比技改前降低了约12%，降阻效果明显。

4.3 窑尾烟室缩口改造

原窑尾烟室缩口尺寸为φ2.3m，烟室通风面积偏小，上升气流速度较快，窑内煤粉燃烧及窑内火焰的热力强度较差，高温风机需拉大风才能满足窑内通风，影响窑内通风和入炉三次风的分配比例。

改造措施：将窑尾烟室缩口直径由φ2.3m扩大到φ2.5m，通风面积由4.15m2增大到4.91m2。改造后，改善了窑内通风，降低了系统阻力，有效避免了窑内二次扬尘及窑尾结皮等问题，对烧成系统提产降耗起到了关键作用。

4.4 窑尾低氮燃烧和三次风管改造

利用分解炉自适应低NOX煅烧技术，降低NOX浓度和末端NOX治理过程中的喷氨量，降低NOX治理运行成本。改造三次风管，抬高三次风管入炉位置，同时在分解炉下方锥部设置4台燃烧器，对C4下料入炉位置进行相应调整，使风、煤、料形成最佳匹配状态，分解炉锥部气流流场和温度场更合理。

4.5 撒料箱、锁风阀和下料管改造

撒料箱将来自上一级旋风筒的生料分散，以保证气固换热效率，生料在换热管道中的分散效果将直接影响预热器的换热效率。撒料箱磨损变形，失去了应有的撒料作用，换热效率低。同时，受结皮及长时间使用影响，锁风阀动作不灵活，加大了生料系统内循环量，降低了旋风筒的分离效率。

改造措施：将C1～C4撒料箱更换为易结皮系统专用撒料箱。其中，C4撒料箱由2个改为3个，下料管相应增加，并对位置进行调整，进一步改善撒料效果，提高换热效率，有效降低C1出口温度，降低烧成热耗；将C1～C5锁风阀更换为易清洁结皮的专用锁风阀，减少系统内漏风，降低烧成热耗；将C4、C5下料管直径由φ900mm扩大为φ1 000mm，增设空气炮，减少结皮清理次数，降低结皮对系统的影响，提高系统适应性。

4.6 回转窑和燃烧器改造

本次改造后，系统产量达到6 600t/d，但窑内物料填充率较高，不能满足提产要求。原回转窑设计转速为0.35～4r/min，通过改造电气装置，使回转窑最高转速达到4.2～4.4r/min，保证了窑内填充率合理，达到了薄料快烧的目的。

为匹配高产量和高窑速，窑头燃烧器能力及热力强度需同步提高。在窑头原有配套悬挂式移动小车、燃油系统、一次风机，煤磨车间原有计量秤、送煤风机及送煤管道基础上，采用了一套全新的HP强涡流型多通道煤粉燃烧器，最大燃煤量20t/h，以满足技改后烧成系统的生产工艺要求。HP强涡流型多通道煤粉燃烧器的主要特点如下：

（1）采用离散型小喷嘴。燃烧器头部没有活动部件，外风由排成环的离散型小喷嘴形成，火焰不易发生变形和偏火冲刷窑皮。离散型外风喷嘴可以吸入更多的高温二次风，喷射速度比三、四通道燃烧器更高，有利于劣质煤、低挥发分煤、无烟煤等不同种类煤的燃烧。

（2）采用双层耐磨保护并设置检查孔。在燃烧器的煤粉入口处，采用双层耐磨保护，设置检查孔，提高燃烧器使用寿命。

（3）采用易更换的风翅和外风喷嘴。新风翅和外风喷嘴更换非常方便，能够适应不同种类煤粉、煤质的变化，保证了熟料质量与窑系统稳定运行。

（4）采用大速差原理和多重强度结构。一次风量＜7%，具有良好的节能降耗效果，高温烟气回流效应强，火焰集中有力、形状调节方便，对燃料适应性强，窑皮均匀稳定，可以延长耐火砖的使用寿命。

4.7 冷却机改造

原冷却机篦床有效面积为131m2，出冷却机的熟料温度为110℃～120℃，二次风温为1 060℃左右，三次风温为900℃左右，热回收效率较低。

改造措施：将原冷却机及附属的液压站、破碎机、冷却风机等拆除，整体更换为一台带中置辊式破碎机的第四代高效篦冷机（规格WHEC-6600型），有效冷却面积为162.4m2，篦床宽度为4.8m。技改后的冷却机主要设计参数和风机配置情况如表5和表6所示。篦冷机主要改造内容如下：

表5 技改后的冷却机主要设计参数

表6 技改后的冷却机风机配置情况

（1）采用中心区独立供风KID系统。将冷却机中心区供风改为独立供风，提高了熟料急冷效果，保证了较高且稳定的二次风温和三次风温，热回收效率≥75%。

（2）采用中置辊式破碎机。将尾部锤式破碎机改为中置辊式破碎机，提高了熟料内部热回收效率，保证了熟料出料粒度的均匀性，有利于熟料的后续冷却。

（3）采用液压自动控制系统。新冷却机采用液压驱动，以调节每个输送管道行程，提高了熟料输送效率，避免了“红河”现象发生。

（4）采用特殊的密封。在冷却机侧部以及相邻的两个输送管道间采用特殊的密封，避免熟料漏入风室。同时，取消冷却机下方的料斗和输送装置，降低了冷却机的高度。

（5）采用可独立调节输送管道。在冷却机每个输送管道上设置若干个供风单元，每个供风单元进风量通过空气调节阀单独控制，各输送管道的移动速率均可调节，以保证熟料的冷却效果。同时，单位风量比第三代冷却机低10%～20%，减少了余风收尘量，降低了收尘器规格，减少了设备投资。

（6）采用带填充盒的充气单元。新冷却机输送管道采用充气单元，每个充气单元配有熟料填充盒，有效避免了充气单元的磨损，提高了篦板使用寿命，维修费用仅为第三代冷却机的15%～20%。

（7）采用智能化控制系统。新冷却机各个输送管道的工作模式由IMCC（INT Motion Control Center）智能控制中心控制，可以采取多种组合模式控制各输送管道的运动次序和冲程长度，提高了冷却机运转效率。

5 技改效果

技改前后烧成系统主要参数对比情况如表7所示。从表7可见，改造后，烧成系统运行平稳，各项运行指标明显改善。熟料产量从5 900t/d提高到6 600t/d，提产11.8%，C1出口负压由5 750Pa降低至5 000Pa，NOX浓度（处理前）控制在450mg/m3左右；出冷却机熟料温度为＜65℃+环境温度，二次风温为1 150℃，三次风温为950℃，实物煤耗由144.9kg/t.cl降低至136.5kg/t.cl，降低了8.4kg/t.cl。

表7 技改前后烧成系统参数对比

系统改造后，企业运行成本大幅降低，按年运转300d，燃煤710元/t，熟料利润100元/t，年节省备件及人工费用80万元计，每年可实现直接经济效益3 300余万元。