新一代高能效低氮预热预分解系统示范应用 -5500t/d带六级预热器水泥烧成系统的开发应用

马娇媚, 郭天代, 陶从喜, 彭学平 （天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400） 摘要： 最新投产的5500t/d生产线集成了公司最新的技术路线， 尤其是六级预热器和低氮分解炉的开发 研究， 达到了理想的技术指标， 代表了高能效低氮预热预分解及先进烧成技术的水平。 综合前期开发 思路和后续调试过程， 本文总结了5500t/d生产线的节能减排措施， 为水泥生产线烧成系统的设计和生 产调试提供了参考。 关键词： 六级预热器； 脱硝； 烧成系统； 节能减排 中图分类号：TQ172.622. 文献标识码：A 1． 概述 目前水泥生产企业面临激烈竞争， 必须需通过采用新型节能技术及装备来降低生 产线的能源消耗， 减少影响环境的废弃物排放（ 包括CO2、NOx等） 。 孟电减量置换5500t/d水泥熟料线为该企业落实国家行业准入条件及节能减排环保要求， 在原有几条水泥 熟料生产线进行拆除基础上建设。 该线为天津水泥工业设计研究院有限公司设计， 集成 了公司自主研发设计的高效低阻型六级预热器、 二档短窑、 带中置辊破的行进式稳流 冷却机、 大推力煤粉燃烧器、 煤粉立磨等， 代表了我公司最新的技术和装备水平， 尤 其代表了高能效低氮预热预分解及先进烧成技术水平。 笔者参与了该项目前期开发设 计、 施工安装、 调试运行及达产达标的整个过程， 本文对该生产线的技术进行提炼总 结,为日后水泥工艺开发提供参考。 我公司作为总设计方和主机供货商， 针对全厂制定了最佳的技术方案， 为该生产 线的良好运行创造了条件。 该生产线烧成系统主机设备全部国产化， 在低阻低耗、 能 效指标不断提高的前提下， 降低了废气中NOx、SO2等有害组分的排放， 同时该生产 线采用了大功率变频调速技术、 余热发电技术、 低温除尘技术、 设计上考虑了水泥窑 协同处置工业废弃物和城市垃圾技术， 实现了资源的综合利用和节能减排， 全面提升 了生产线的性能。 该线采用石灰石、 粘土、 砂岩、 硫酸渣配料， 烟煤做为燃料， 烧成车 间设备见表1。1 表1 烧成系统主要设备 车间名称 主机名称 规格 能力 烧成系统 双系列六级旋风预热器C1:4-Ф4700mm C2:2-Ф6800mm C3:2-Ф6800mm C4:2-Ф6800mm C5:2-Ф6800mm C6:2-Ф6800mm 5500t/d TDF分解炉Φ7600 mm 1 水泥技术；刊号：ISSN1001-6171 CN12-1071/TB；日期：2017年7月25日15 车间名称 主机名称 规格 能力 两档支撑回转窑Ф5×60m 行进式稳流冷却机 型号：SCLW4-12×14-CM 篦床实际面积:142. 38m2 出料温度:65℃ +环境温度2. 主要节能减排技术2.1新型六级预热器预分解炉系统 预热预分解技术是预分解烧成工艺的核心技术。 窑尾预热器系统的作用是对生料进行 预热， 并使大部分碳酸盐分解， 出分解炉生料经最下级预热器分离后入窑煅烧。 因此预分 解系统的级数及性能对烧成系统热耗和预热器系统出口压力有很大影响。 当原料综合水分 较低时， 国外水泥企业普遍倾向于采用六级预热器系统以降低烧成系统热耗。 而国内由于 余热发电技术的推广， 六级预热器系统难以得到大力发展[1]。 采用六级预热器系统与采用 五级预热器系统相比， 生料磨停时， 六级预热器系统可降低管道喷水难度并节约喷水量三 分之一左右。 六级预热器系统适合于原料水分不是很高的工程， 尤其对能源短缺和水资源 短缺的地区是很好的选择。 六级预热器系统采用高效低压损的旋风筒， 可有效降低预热器系统出口温度和阻 力， 整个窑尾系统结构布置紧凑， 降低了窑尾框架高度和大小， 有利于节省投资。 旋 风筒采用270°两心大蜗壳结构， 通过优化的结构型式， 降低旋风筒压损， 并提高旋风 筒分离效率， 最上级旋风筒分离效率达到95%以上； 除C1旋风筒外， 其他级内筒采用 耐热钢分片式结构， 便于安装和检修更换； 为吸收热膨胀， 旋风筒顶盖采用预拉处理， 结构布置上充分采取径向和轴向热补偿措施， 各级料管设置独立的膨胀节； 根据预热 器系统布置， 旋风筒采取歪锥结构， 有效降低塔架高度， 同时有效防止锥部积料堵塞。 图1 C1旋风筒 图2 中间级旋风筒 采用固定式撒料装置， 确保生料在管道中均匀分散， 提高管道换热效果， 孟电项 目在以往风管和撒料盒数值模拟研究[2]的基础上再次进行优化， 合理的风速前提下，16 撒料盒能够进一步下移， 加强了气固换热。 下料管道上采用翻板阀进行锁风， 在运行 投产前， 逐一调整了每个配重杆的配重至最佳位置， 运行期间定期检查包括锁风阀等 各处部位的密封情况， 进行必要的堵漏工作， 保证系统的锁风和密封效果， 为降低预 热器出口温度、 废气风量和系统热耗创造了条件。 表2为六级预热器与五级预热器系统设计指标， 进行对比分析可以得出： （1） 从 指标看： 六级预热器系统相对五级预热器系统， 热耗降低～30kcal/kg熟料， 电耗基本不 变。 （2） 从投资成本看： 六级预热器系统窑尾设备和土建投资相对五级预热器增加， 但余热发电锅炉和汽轮机配置变小[3]，整体上带六级预热器系统的生产线综合投资少。 表2 六级预热器与五级预热器系统对比 序号 项 目 单位 参 数 五级预热器 六级预热器1 系统能力t/d 5500 2 预热器C1 m 4-Φ4.7 4-Φ4.7 C2 m 2-Φ6.8 2-Φ6.8 C3 m 2-Φ6.8 2-Φ6.8 C4 m 2-Φ6.8 2-Φ6.8 C5 m 2-Φ6.8 2-Φ6.8 C6 m / 2-Φ6.8 3 分解炉 型式TDF 喷腾型 规格m Φ7.6 4 预热器塔架尺寸m 16×25.5×79 16×25.5×92 5 出C1废气温度℃ 300~320 250~270 6 C1出口压力Pa 4400～4800 4800～5200 7 出C1废气量Nm3 /kg 1.4~1.5 1.3~1.4 8 出预热器热量kcal/kg熟料 相对五级预热器降低 ～30 9 高温风机电耗kWh/t熟料7.5 7.5 （ 与五级预热器相当）2.2低氮分解炉系统 通过分料控制分解炉柱体结构的温度梯度， 创造高温区， 有利于分解炉内燃料的 燃烧， 提高燃料的燃尽率， 避免未燃尽的燃料在预热器内后燃， 节约了煤耗。 分解炉 中柱段预留设置废弃物处置口， 可满足一定要求的废弃物处置。 分解炉通过脱硝风管 采用三次风分级燃烧的措施， 燃烧空气分级加入， 形成一个低于化学当量燃烧系数的 还原燃烧区域， 在这个区域里， 一方面由于不完全燃烧形成了大量的一氧化碳可以对 已经形成的氮氧化物进行还原， 另外一方面抑制燃料中的氮元素向氮氧化物转化， 降 低系统NOx的排放。 从运行数据来看， 通过调节C5分料比例、 三次风三个阀门的开度， 可以稳定窑况， 不影响产质量。 调试过程中， 三次风管主管的阀门一定要与脱硝风管的阀门配合使用， 避免窑系 统的通风收到影响。 脱硝阀门加大开度时， 要同步降低主管的阀门开度。 脱硝风管创 造还原区的同时， 在监测分解炉和塔内三次风管的不结皮得前提下， 还要通过C4料管17 的分料阀提高分解炉主燃区的温度至1050-1200℃ 范围内。 烧成气氛上， 在分解炉完全 燃烧的基础上， 控制分解炉出口的氧含量＜2%， 预热器出口的氧含量＜3%。 通过脱硝风管进行三次风的分级设置， 分解炉的中柱体及下柱段有较大脱硝空 间， 调节脱硝风管使其形成高温还原气氛， 可满足NOx小于550 mg/Nm3（10%O2） 的 要求， 脱硝效率45%以上， 同时分解炉出口管道预留SNCR喷氨位置， 根据实际情况可 满足更严格的环保排放要求， 目前氮氧化物排放指标低于320 mg/Nm3， 实际控制值为260±30 mg/Nm3。2.3两档支撑短窑 两档支撑短回转窑， 采用L/D为12的两支承短窑， 由于筒体长度有较大减短， 其 散热损失相应减少， 相同规模窑的散热损失相差约21kJ/kg熟料（5kcal/kg熟料） ， 此外还 具有装备、 土建费用低等一系列优点。 配套高性能大推力燃烧器， 一次风量为8%， 提 高了高温风的用量， 降低了系统热耗。 考虑到两档窑尾温较高， 烟室使用了料幕技术， 通过控制烟室温度减少结皮的生成。 如图3所示， 料幕系统将生料分一股通过风机及风翅打散进入烟室， 生料的分解吸热可以 迅速降低烟室温度， 减少液相出现， 提升了系统的适应性， 也为日后废弃物处置预留了可 能， 当烧成系统出现硫、 碱、 氯等元素内循环时易造成局部结皮， 烟室料幕也有一定缓解 作用。 图3 烟室料幕系统2.4带中置辊破第四代行进式稳流冷却机 第四代行进式稳流冷却机纵向单元通风， 避免了熟料经篦床下落造成纵向层阻力 变化， 有利于均匀通风， 第四代冷却机的热回收效率超过75%， 回收热量按照入冷却 机的热料温度计算， 全部热量约为1547kJ/kg熟料（370kcal/kg熟料） ， 每提高1%的热回收 效率则回收热增加15.5kJ/kg熟料（3.7kcal/kg熟料） ， 考虑到燃烧器改进后入窑二次风量相 应增加的因素， 采用第四代行进式稳流冷却机热回收率较现有冷却机的热回收效率平 均提高4%以上的热量， 相当热耗降低于62kJ/kg熟料（14.8 kcal/kg熟料） 。 冷却机系统的电耗统计为5.5 kWh/t熟料， 较常规冷却机节电1.0 kWh/t熟料。 同时， 中置辊破提高了窑头余热发电的发电量， 有效利用了余风热量。 料幕18 3． 生产运行状况 孟电减量置换5500t/d水泥生产线作为先进烧成技术示范线已投产运行五个月。生产线 运行月度产质量统计表3显示， 点火以来熟料月均产量为5655t/d， 月均标煤耗为97kg/t 熟料， 熟料电耗月均值为56 kWh/t熟料，3d熟料强度31MPa，28d熟料强度56MPa。 表3 生产线产质量月报表 年月 产量(t/月) 日产（t/d） 运转率 （%） 标准煤 耗kg/t 热耗kcal/kg 熟料电耗kWh/t 强度MPa 3d 28d 2016.07 88775 5352 63 97 679 48.1 30.7 54.3 2016.08 146709 5856 81 98 686 59.3 30.5 56.1 2016.09 174748 5842 99.7 97 679 58.2 31.1 56.5 2016.10 100334 5568 92.2 96 672 58.5 31.4 56.9 平均127642 5655 84.0 97 679 56.0 30.9 56.0 八月底进行了系统热工标定， 测试期间窑系统熟料日均产量达5944t/d， 大大超过 了设计指标， 两档窑单位容积产量达6.07 t/d.m3， 远高于三档窑的单位容积产量； 熟料 烧成热耗为663 kcal/kg熟料， 优于设计指标， 烧成电耗为20.15 kWh/t， 电耗低于设计值。 图4为烧成窑尾的典型中控画面。 预热器出口的温度较五级预热器低30-50℃ ， 压损与 五级相当， 高温风机的电耗约7.0kWh/t熟料， 各项技术经济指标均为国际先进水平。 标 定该冷却机的总鼓风量为1.8720 Nm3 /kg熟料， 小于第三代篦冷机的正常用风量（1.9～2.1 Nm3 /kg.cl） ， 篦冷机的热回收效率＞75%。 图4 烧成系统中控操作画面 采用三次风分风的方式可实现脱硝效率45％ 以上， 分解炉出口在喷氨前NOx浓度 约为500ppm， 折算成10%氧含量为600mg/Nm3，SNCR系统氨水用量从脱硝风管投运 前的2.0降低到0.5m3/h， 吨熟料节约了3元的运行成本， 可见窑尾脱硝风管可有效降低 系统NOx的排放浓度。19 4. 技术经济效益分析 孟电5500t/d生产线于2016年6月成功运行，在较短时间内成功实现了稳定运行与生 产达标。 回转窑产量稳定， 取得了明显的经济效益和社会效益。 经热工标定5500t/d减 量置换一线单位熟料热耗为663.4kcal/kg熟料， 标准煤耗95kg/t熟料以下， 烧成电耗为20.15 kWh/t熟料， 氮氧化物排放达到290mg/Nm3以下， 喷氨量0.5m3 /h， 粉尘排放15 mg/Nm3以下， 能耗水平先进。 与能耗限额标准的新建水泥生产线限额准入值相比， 一条生产线投产后预 计每年可节省标准煤2.7万吨， 节约电~3000万度， 回收余热发电~4500万kWh， 每年实现CO2减排~8.1万吨， 脱硝风管实现NOx减排~2300吨， 同时还能够有效降低粉尘等污染物排 放， 对生态环境的持续改善具有积极的推动作用。 该新一代节能、 环保、 高效水泥熟料生 产线的推出， 集成采用天津设计院有限公司先进、 成熟的国产化新技术、 新装备， 为水泥 工业的技术进步和节能减排提供了示范作用， 推动了水泥工业从产品质量、 污染物控制、 绿色环保等诸方面质的提升。5. 结语 经过调试生产，5500t/d带六级预热器生产线烧成系统运行平稳， 验证了之前的科研开 发思路， 归纳技术要点主要有：1） 六级预热器通过增加一级换热降低了预热器出口的温度， 起到了很好的节能效果， 电耗不增加的前提下， 热耗大大降低。 公司六级预热器系统目前已在孟电项目、 沙特UCIC 项目、 印尼BOSOWA项目等多条生产线上得到应用， 使用效果良好。2） 低氮分解炉通过三次风管分出一支作为脱硝风管进行分级燃烧， 达到了很好的脱 硝效果。3） 六级预热器、 低氮分解炉， 配套两档支撑短窑、 第四代中置辊破冷却机， 代表了 公司先进的工艺装备技术水平。4） 新开发的5500t/d带六级预热器烧成系统经过生产调试， 烧成系统的电耗、 煤耗和NOx排放较低， 各项指标良好， 实现了显著的节能减排效果， 代表了新一代高能效低氮预 热预分解系统的技术水平。 参考文献[1] 陶从喜， 孙洁. 浅析6级预热器的推广与应用[J]. 水泥技术，2009（6） ：31-34. [2] 陶从喜， 赵林， 俞为民， 张凯， 胡芝娟.六级预热器优化的数值模拟[J].天津大学学报，2011,44 （4）:369-376. [3] 俞为民.六级预热器系统开发的探讨[J]. 水泥技术, 2007（4）: 25-26. 作者简介: 马娇媚， 中材国际研究总院高级工程师， 毕业于天津大学无机非金属专业研究生学历， 工作 领域为水泥及相关材料烧成热工技术研究开发，2015年《 大型立式燃煤热风炉》 获天津市科学技术进 步奖三等奖， 电子信箱majiaomei@sinoma-tianjin.cn。