超高溫生料入窯提產(chǎn)改造的實(shí)踐

湖南某公司2?500t/d干法水泥生產(chǎn)線，配套Φ4m×60m回轉(zhuǎn)窯，建成投產(chǎn)至今已近15年。歷經(jīng)多年的精細(xì)化管理和技術(shù)優(yōu)化提升，2018年1月~2020年6月回轉(zhuǎn)窯熟料平均臺(tái)時(shí)產(chǎn)量達(dá)到128t/h。但是受設(shè)備配置陳舊、初建時(shí)設(shè)計(jì)理念落后等影響，與新建二代新型干法水泥生產(chǎn)線相比綜合競(jìng)爭(zhēng)力明顯不足。受區(qū)域政策和產(chǎn)能過(guò)剩大環(huán)境的影響，已經(jīng)沒有新建二代新型干法生產(chǎn)線的可能性。決定于2020年6月開始對(duì)原生產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)改造，以期降低生產(chǎn)線能耗，提高錯(cuò)峰生產(chǎn)時(shí)的熟料產(chǎn)能。針對(duì)生產(chǎn)線瓶頸問(wèn)題進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)多方面研究，基于提高預(yù)燒成工藝的工程化研究理論基礎(chǔ)，決定采取提高入窯生料溫度的措施來(lái)提高產(chǎn)能。在大幅提升熟料產(chǎn)量的同時(shí)，期望將噸熟料綜合電耗從54kWh/t降到52kWh/t以下，噸熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗從109kg/t降到102kg/t以下。1、升級(jí)改造理論基礎(chǔ)實(shí)踐證明，提高生料入窯分解率可以降低回轉(zhuǎn)窯熱力負(fù)荷，對(duì)穩(wěn)定熱工控制和提高熟料產(chǎn)量方面，有立竿見影的效果。研究表明，用提高生料入窯溫度來(lái)提產(chǎn)的方法，有顯著優(yōu)勢(shì)。徐迅曾通過(guò)煅燒條件的對(duì)比模擬發(fā)現(xiàn)，生料在1?100℃左右的懸浮狀態(tài)下煅燒，獲得的碳酸鹽礦物新生物相活性比900℃下煅燒的碳酸鹽礦物新生物相活性高1.31~1.45倍。入窯的生料溫度在1?000℃與900℃時(shí)比較，其固相反應(yīng)可以有十倍的速率差，其中C2S反應(yīng)速率差達(dá)2.6~10.7倍，C3A反應(yīng)速率差達(dá)2.0~10.0倍，生料速率差達(dá)2.8倍；入窯生料溫度1?100℃較1?000℃時(shí)，固相反應(yīng)速率可以提高到二十倍，其中C2S反應(yīng)速率提高9.0~19.3倍，C3A反應(yīng)速率提高2.7~26.6倍，生料反應(yīng)速率提高4.0倍；更高溫的入窯生料在進(jìn)行燒成反應(yīng)時(shí)，熟料各礦物形成反應(yīng)速率提升幅度更大。以數(shù)學(xué)模型研究分解爐溫度場(chǎng)分布規(guī)律，當(dāng)分解爐喂煤比例由60%提高到70%時(shí)，入窯物料溫度可以從886℃提高到1?070℃，生料表觀分解率可達(dá)97.1%，此時(shí)產(chǎn)量能夠大幅提高，熟料理論熱耗也可以降低53.0kJ/kg，熟料形成工藝熱耗可以降低236.1kJ/kg，熱效率可以提高3.6%。2、存在的問(wèn)題改造前主要有以下問(wèn)題：預(yù)熱器系統(tǒng)阻力大，C1出口壓力在-7?000Pa左右，導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)單臺(tái)設(shè)備單位熟料電耗高；窯頭罩內(nèi)風(fēng)速快，帶起飛砂影響火焰燃燒，煤耗與先進(jìn)企業(yè)比還有差距；物料在上升煙道中因老式的撒料盒分散效果差，管道內(nèi)熱交換效率偏低；各級(jí)下料管鎖風(fēng)效果不好，內(nèi)漏風(fēng)嚴(yán)重，導(dǎo)致旋風(fēng)筒分離效率低；窯尾煙室及縮口通風(fēng)阻力大，二次揚(yáng)塵大；回轉(zhuǎn)窯填充率高；窯系統(tǒng)對(duì)物料的易燒性要求高。根據(jù)模擬計(jì)算，當(dāng)熟料產(chǎn)量提到4?200t/d時(shí)燒成系統(tǒng)主要設(shè)備能力受限的有：分解爐預(yù)燃室+分解爐+鵝頸管總?cè)莘e約980m3，明顯不足；煙室拱頂?shù)挠行娣e為2.4m2，提產(chǎn)后斷面風(fēng)速高達(dá)25m/s；窯頭罩容積145.8m3，提產(chǎn)后截面風(fēng)速達(dá)到11m/s；三次風(fēng)管外徑為2?300mm，提產(chǎn)后截面風(fēng)速將達(dá)到42m/s；篦冷機(jī)冷卻面積66.66m2，提產(chǎn)后單位面積熱負(fù)荷高達(dá)63t/（d·m2）；提產(chǎn)后廢氣處理能力以及設(shè)備輸送能力均不足。3、確定改造項(xiàng)目及方案3.1預(yù)熱器改造1）C0改造在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行“5改6”，并非傳統(tǒng)改造方式（僅增加一級(jí)旋風(fēng)筒），而是在原C1之上增加一級(jí)C0旋風(fēng)筒，在原C5之下增加C6旋風(fēng)筒，提高換熱效果和氣固分離效率，以抑制因?yàn)椴扇√岣呷敫G生料溫度措施造成的出預(yù)熱器系統(tǒng)廢氣增加的問(wèn)題，降低熱損失。新增2個(gè)C0下出風(fēng)式旋風(fēng)筒，其直徑為4?820mm，內(nèi)筒直徑為2?300mm，出風(fēng)管直徑為2?300mm，高度13?720mm，下料管直徑900mm。測(cè)算增加壓損在800~1?000Pa。2）C1改造為降低預(yù)熱器阻力和系統(tǒng)壓損，對(duì)C1旋風(fēng)筒進(jìn)行擴(kuò)容、降阻改造，改造方案為：C1旋風(fēng)筒柱體直徑4?700mm和出口管道直徑2?300mm保持不變，柱體高度由5?745mm縮短至3?745mm（縮短2?000mm），內(nèi)筒同步縮短2?000mm；C1旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口方向由中間進(jìn)風(fēng)改為兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，進(jìn)口管道寬高比調(diào)整后進(jìn)口截面積由3.53m2增加至4.3m2，進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)向下傾角45°；增設(shè)阻流導(dǎo)向板防止入口切向氣流與筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流相互碰撞，減少氣流紊流狀態(tài)影響，改善筒內(nèi)三維流場(chǎng)，預(yù)計(jì)可降低壓損800Pa。改造前后風(fēng)速測(cè)算如表1所示。表1C1旋風(fēng)筒改造前后進(jìn)出口風(fēng)速m/s3）C2~C5各級(jí)旋風(fēng)筒出口管道改造產(chǎn)量提高后，原各級(jí)旋風(fēng)筒連接管道內(nèi)的固氣比大幅增加，會(huì)造成系統(tǒng)壓損大，對(duì)C2~C5各級(jí)旋風(fēng)筒出風(fēng)管進(jìn)行擴(kuò)徑，增大通風(fēng)截面積，降低進(jìn)口風(fēng)速，降低阻力。將C2~C5各級(jí)旋風(fēng)筒入口進(jìn)行增大調(diào)整，將平段改為向下傾角45°的斜坡，以降低通風(fēng)阻力。在耐火材料選擇方面，需充分考慮提高入窯生料溫度造成高溫和抗結(jié)皮的系列影響。各旋風(fēng)筒出口擴(kuò)徑改造尺寸及測(cè)算風(fēng)速見表2。4）預(yù)熱器鎖風(fēng)閥和撒料箱的改造為提高鎖風(fēng)效率，減少竄風(fēng)，提高旋風(fēng)筒分離效率，對(duì)C1~C5各級(jí)下料管鎖風(fēng)閥進(jìn)行改造；為改善物料在管道內(nèi)分散效果，增加換熱時(shí)間，對(duì)各級(jí)撒料箱及其位置進(jìn)行改造。表2旋風(fēng)筒出口擴(kuò)徑改造尺寸及測(cè)算風(fēng)速拆除C1~C5所有下料管原鎖風(fēng)閥，下料管角度改為60°，安裝新型雙翻板鎖風(fēng)閥；更換C1~C5旋風(fēng)筒出口撒料箱及分解爐撒料箱，調(diào)整下料角度，改善撒料效果。經(jīng)測(cè)算，確保不形成物理塌料的情況下，可以將散料盒高度下移，降低撒料盒至旋風(fēng)筒頂蓋高度，提高物料換熱時(shí)間。各級(jí)撒料箱距離旋風(fēng)筒頂蓋高度如表3所示。表3各級(jí)撒料箱位置調(diào)整mm3.2分解爐及三次風(fēng)管改造分解爐按4?200t/d窯產(chǎn)能改造，原分解爐預(yù)燃室拆除棄用，爐體容積減少210m3；原分解爐柱體Φ5?600mm，容積448m3，主體不動(dòng)；原分解爐至五級(jí)旋風(fēng)筒鵝頸管道直徑由4.1m擴(kuò)至5m，容積增加至1?566m3。技改后分解爐總?cè)莘e由980m3擴(kuò)至2?014m3，產(chǎn)量容積為2.08t/（m3·d）。去除預(yù)燃室后，三次風(fēng)直接從分解爐錐部切向進(jìn)入分解爐。經(jīng)測(cè)算，未焚燒垃圾與替代燃料時(shí)，氣體在爐內(nèi)停留時(shí)間由5.2s提高到8.29s。為滿足提高入窯物溫度而增加窯尾用煤量要求，將三次風(fēng)風(fēng)量（工況按三次風(fēng)風(fēng)溫950℃時(shí)計(jì)算）從250?000m3/h提高到430?000m3/h，三次風(fēng)管道擴(kuò)徑到2?800mm，有效截面積由2.83m2增至4.52m2，管內(nèi)風(fēng)速由24.5m/s變?yōu)?6.4m/s。三次風(fēng)管進(jìn)口切向進(jìn)入分解爐，利用原有支撐基礎(chǔ)，水平斜度由23.8°改為10.9°。3.3煙室改造原拱門最窄處的有效面積為2.4m2，斷面風(fēng)速為24.68m/s，增加拱門有效面積到3.8m2，測(cè)算斷面風(fēng)速為15.58m/s。將煙室左右兩側(cè)各往外擴(kuò)大480mm，煙室長(zhǎng)度由3?600mm擴(kuò)至4?560mm，煙室寬度由2?827mm擴(kuò)至3?827mm。煙室下料斜坡的角度由51°變?yōu)?8°。進(jìn)煙室下料管角度由60°調(diào)整為50°，物料的交匯點(diǎn)定在斜坡與溜板交接處。改造后窯尾煙室處的風(fēng)速為5.6m/s，減少了窯尾壓損，減少入窯物料二次飛揚(yáng)。3.4窯轉(zhuǎn)速提速改造原回轉(zhuǎn)窯最高轉(zhuǎn)速為4.0r/min，根據(jù)提產(chǎn)后窯內(nèi)填充率計(jì)算，窯轉(zhuǎn)速需達(dá)到5.0r/min，在窯整體改造時(shí)將窯主電機(jī)由315kW改為420kW，將窯主減速機(jī)速比由35.5改為28.01。3.5窯頭罩?jǐn)U容改造熟料產(chǎn)量提升后，二、三次風(fēng)風(fēng)量的需求上升，窯頭罩取風(fēng)面積偏小，截面風(fēng)速過(guò)高，容易引起揚(yáng)塵及飛砂，對(duì)火焰燃燒影響大，為此，需對(duì)窯頭罩進(jìn)行擴(kuò)容改造。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置結(jié)合篦冷機(jī)改造，將窯頭罩截面風(fēng)速由11m/s降到6m/s。窯頭罩寬度4?720mm保持不變，點(diǎn)火孔側(cè)直墻高度由3?568mm提高至5?700mm，進(jìn)三次風(fēng)管的斜坡側(cè)水平高度由6?781mm提高至7?973mm。3.6篦冷機(jī)改造原三代篦冷機(jī)熱回收效率低，提產(chǎn)改造后滿足不了冷卻和輸送的需求，將其更換成第四代中置輥破篦冷機(jī)，保障出篦冷機(jī)熟料溫度低于環(huán)境溫度+65℃，熱回收效率≥75%。冷卻面積以93m2設(shè)計(jì)，裝機(jī)風(fēng)量為1.8Nm3/kg，配風(fēng)315?000Nm3，拆換原來(lái)所有冷卻風(fēng)機(jī)，更換為高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，確保單機(jī)冷卻電耗低于6.0kWh/t。改造參數(shù)對(duì)比見表4。表4篦冷機(jī)改造參數(shù)對(duì)比3.7窯尾收塵器及風(fēng)機(jī)改造1）廢氣管道原C1出口管道直徑為2?800mm，通風(fēng)截面積6.15m2，截面風(fēng)速18.12m/s，窯提產(chǎn)至4?200t/d后，測(cè)算截面風(fēng)速將達(dá)到20.21m/s，風(fēng)速過(guò)快阻力較大。更換C0出口匯合管道至高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道，通過(guò)管道擴(kuò)徑降低進(jìn)口風(fēng)速，降低阻力。將管道直徑由2?800mm擴(kuò)至3?200mm，通風(fēng)截面積為8.04m2，截面風(fēng)速降至18m/s。2）窯尾袋收塵器改造改造后窯尾收塵器處理風(fēng)量由500?000m3/h提升到600?000m3/h（產(chǎn)量達(dá)4?200t/d的處理風(fēng)量，富裕計(jì)算了燃料替代和垃圾焚燒的用風(fēng)量），粉塵須滿足＜10mg/m3的排放要求。將收塵器兩側(cè)拓寬1?200mm，原兩側(cè)外墻板割除，分室板拓寬，新增外墻板，灰斗兩側(cè)拓寬增加支腿、法蘭框，凈氣室拓寬1?200mm，收塵器兩側(cè)各增加5排布袋，共增加布袋880條。改造前后對(duì)比見表5。表5窯尾袋收塵器改造對(duì)比3）高溫風(fēng)機(jī)和窯尾排風(fēng)機(jī)改造經(jīng)標(biāo)定，高溫風(fēng)機(jī)和窯尾排風(fēng)機(jī)效率偏低，不能滿足窯系統(tǒng)提產(chǎn)改造后的需求，決定同步進(jìn)行改造。熟料產(chǎn)量達(dá)4?200t/d時(shí)，測(cè)算分解爐標(biāo)況風(fēng)量206?500Nm3/h，風(fēng)機(jī)入口全壓-9?500Pa，溫度250℃，高溫風(fēng)機(jī)入口總風(fēng)量436?541m3/h，預(yù)熱器系統(tǒng)以1.15漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算得所需風(fēng)量為500?000m3/h?？紤]后期窯系統(tǒng)使用RDF替代燃料和CKK垃圾焚燒，風(fēng)量需求各增加2×4?600m3/h和15?000m3/h，高溫風(fēng)機(jī)按富裕15%計(jì)算為600?000m3/h。高溫風(fēng)機(jī)和窯尾排風(fēng)機(jī)選型風(fēng)量取600?000m3/h。風(fēng)機(jī)改造參數(shù)對(duì)比見表6。表6高溫風(fēng)機(jī)及窯尾排風(fēng)機(jī)改造參數(shù)對(duì)比3.8其他設(shè)備的改造經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)線所有設(shè)備性能參數(shù)的評(píng)估，除入窯膠帶提升機(jī)、頭煤轉(zhuǎn)子秤、窯頭燃燒器、熟料輸送機(jī)滿足不了提產(chǎn)以后的生產(chǎn)要求外，其他設(shè)備均利舊。（1）依據(jù)預(yù)熱器改造方案，增加入窯膠帶提升機(jī)提升高度至104m，對(duì)斗距等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使用原有驅(qū)動(dòng)裝置，輸送能力達(dá)300t/h以上，可滿足技改后物料提升需求。（2）頭煤轉(zhuǎn)子秤偏小，購(gòu)買一臺(tái)新秤（菲斯特DRW4.12）替換。（3）窯頭燃燒器更換為4?200t/d配套產(chǎn)能燃燒器（預(yù)留RDF通道）。（4）原熟料斜槽式輸送機(jī)能力為133t/h，不能滿足窯系統(tǒng)提產(chǎn)后需求，輸送機(jī)需具備175t/h的輸送能力。為保障設(shè)備正常安全運(yùn)行，在原基礎(chǔ)及動(dòng)力機(jī)構(gòu)不變情況下，更換更大容量料斗。4、生產(chǎn)管理調(diào)整4.1原料用材及配料方案調(diào)整以超高溫生料入窯的控制，物料碳酸鹽礦物新生物相活性成倍增加，對(duì)選擇原料范圍局限性就小了，可以選擇易燒性相對(duì)較差、價(jià)格較低的材料，同時(shí)也大幅度提升了石灰石的利用率。較高的硅酸鹽礦物總量也會(huì)帶來(lái)熟料28d強(qiáng)度的提升。這些都為提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定了基礎(chǔ)。技改后，由于控制慣性思維限制，原料選擇沒有及時(shí)改變，生料配料三率值仍按KH=0.89±0.02，n=2.5±0.1，P=1.65±0.1控制。生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了結(jié)皮嚴(yán)重、堵塞頻繁的現(xiàn)象，以至于操作時(shí)，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不敢采用超高溫控制入窯生料溫度。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的磨合，發(fā)現(xiàn)確實(shí)如理論分析的一樣，系統(tǒng)對(duì)易燒性的適應(yīng)范圍很廣，逐步將生料配料三率值調(diào)整為KH=0.91±0.02，n=2.8±0.1，P=1.5±0.1。結(jié)皮堵塞現(xiàn)象消失，可以將入窯生料溫度控制在950℃以上。4.2改造前后生產(chǎn)情況改造前后主要操作參數(shù)對(duì)比如表7所示。5、改造效果及投資改造后熟料產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗都得到改善，改造前后產(chǎn)量及能耗指標(biāo)對(duì)比見表8。熟料強(qiáng)度約提升5MPa，改造前P·O42.5水泥中熟料摻比基本在76%以上；改造后，為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將P·O42.5水泥的28d抗壓強(qiáng)度從48MPa左右提升到50MPa左右，使用同樣的非活性混合材，熟料摻比降至73%。表7窯系統(tǒng)主要控制參數(shù)對(duì)比表8燒成系統(tǒng)產(chǎn)量和主要能耗指標(biāo)注：使用代替材料及垃圾焚燒時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)煤耗