Φ4.0 m×60 m回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)提產(chǎn)降耗改造實(shí)踐

近年來(lái)在現(xiàn)有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上通過(guò)工藝和設(shè)備的優(yōu)化、改造達(dá)到提產(chǎn)降耗的目的，已經(jīng)是許多水泥企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的首選。本文介紹某2?500t/d水泥生產(chǎn)線提產(chǎn)降耗改造實(shí)踐，該線燒成系統(tǒng)由五級(jí)單系列旋風(fēng)預(yù)熱器、在線分解爐、Φ4.0m×60m回轉(zhuǎn)窯和LBT3.2×20.6第三代冷卻機(jī)組成，冷卻機(jī)有效冷卻面積為62.4m2，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)探索，熟料產(chǎn)量在3?000t/d。鑒于目前水泥企業(yè)發(fā)展需要，提出通過(guò)技術(shù)優(yōu)化升級(jí)，達(dá)到提高熟料產(chǎn)量、降低熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗及電耗，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)碳減排的目的。1、生產(chǎn)線提產(chǎn)瓶頸改造前通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的深入了解以及與企業(yè)的充分交流，對(duì)現(xiàn)有主機(jī)設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)的提產(chǎn)降耗改造分析，目前生產(chǎn)線提產(chǎn)降耗的瓶頸如下：1）預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有預(yù)熱器系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)分析及計(jì)算，在目前產(chǎn)量下，C1旋風(fēng)筒的斷面風(fēng)速已達(dá)到4m/s以上，C4、C5旋風(fēng)筒的斷面風(fēng)速達(dá)到6m/s，分解爐的斷面風(fēng)速也已經(jīng)超過(guò)11m/s。整體來(lái)看，現(xiàn)有預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)已達(dá)到設(shè)計(jì)能力的極限，常規(guī)設(shè)計(jì)需保證C1旋風(fēng)筒的斷面風(fēng)速在3~4m/s，C2~C5旋風(fēng)筒的斷面風(fēng)速在5~6m/s，分解爐主爐的斷面風(fēng)速為10m/s。2）回轉(zhuǎn)窯和三次風(fēng)管該窯設(shè)計(jì)熟料產(chǎn)量為2?500t/d，最大轉(zhuǎn)速4.07r/min，主電機(jī)功率315kW，在3?000t/d的熟料產(chǎn)量下，計(jì)算回轉(zhuǎn)窯容積產(chǎn)量為4.9t/（m3·d），斷面熱負(fù)荷為4.5MW/m2，該數(shù)值對(duì)于Φ4.0m×60m的回轉(zhuǎn)窯已屬于偏高水平，同時(shí)窯內(nèi)物料填充率也偏高，不利于窯內(nèi)物料的熱交換。此外，三次風(fēng)管外徑2.2m，有效內(nèi)徑1.8m，在3?000t/d的熟料產(chǎn)量下，三次風(fēng)管內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速已偏高，繼續(xù)提產(chǎn)后三次風(fēng)管的通風(fēng)阻力將增加，影響窯爐用風(fēng)的平衡。3）冷卻機(jī)現(xiàn)有第三代冷卻機(jī)的有效冷卻面積為62.4m2，在3?000t/d的熟料產(chǎn)量下存在出冷卻機(jī)熟料溫度高、熱回收效率差等問(wèn)題。在現(xiàn)有燒成系統(tǒng)設(shè)備都已超過(guò)最大設(shè)計(jì)能力的情況下，低品質(zhì)的二、三次風(fēng)會(huì)降低窯、爐內(nèi)的燃料燃燒速度，極大增加窯、爐的煅燒負(fù)荷，因而冷卻機(jī)的改造對(duì)燒成系統(tǒng)的提產(chǎn)降耗至關(guān)重要。4）高溫風(fēng)機(jī)現(xiàn)有高溫風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為40萬(wàn)m3/h，額定風(fēng)壓為8?896Pa，在3?000t/d的熟料產(chǎn)量下已經(jīng)接近滿負(fù)荷運(yùn)行，因此，高溫風(fēng)機(jī)需相應(yīng)改造，以滿足燒成系統(tǒng)提產(chǎn)降耗的要求。5）其他輔機(jī)設(shè)備根據(jù)改造目標(biāo)和現(xiàn)有燒成系統(tǒng)輔機(jī)設(shè)備能力核算，現(xiàn)有燃燒器、熟料斜拉鏈機(jī)、生料轉(zhuǎn)子秤、生料入窯提升機(jī)等設(shè)備均需進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改造。2、改造方案1）C1旋風(fēng)筒C1旋風(fēng)筒在設(shè)計(jì)上要求具有較高的分離效率（≥95%），本次改造中由于C1的斷面風(fēng)速已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)極限風(fēng)速，通過(guò)改造的方式不僅很難有效降低C1的阻力，更有可能降低其分離效率。考慮到其重要性，將C1旋風(fēng)筒整體更換，直徑由4.6m更換為5.4m，改造后旋風(fēng)筒的設(shè)計(jì)斷面風(fēng)速在3.5m/s左右，增加了粉塵在旋風(fēng)筒中的沉降時(shí)間，保證改造后C1最佳的工作狀態(tài)，為提產(chǎn)降耗改造創(chuàng)造有利條件。同時(shí)增加了內(nèi)筒整流降阻器和錐部尾渦隔離器，再通過(guò)旋風(fēng)筒各關(guān)鍵尺寸的合理、優(yōu)化設(shè)計(jì)，可保證95%以上的分離效率（常規(guī)入窯生料情況下），旋風(fēng)筒本體阻力亦可小于800Pa。2）C2~C5旋風(fēng)筒雖然C2~C5的斷面風(fēng)速偏高（6~8m/s），考慮到下級(jí)旋風(fēng)筒對(duì)分離效率的要求低于C1，因此僅做局部改造，目標(biāo)主要為降低旋風(fēng)筒阻力，保證適宜的分離效率（86%~90%），同時(shí)提高預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率。（1）通過(guò)擴(kuò)大進(jìn)口面積和內(nèi)筒直徑實(shí)現(xiàn)C2~C5降阻改造。在擴(kuò)大旋風(fēng)筒進(jìn)口面積時(shí)，需保證旋風(fēng)筒進(jìn)口的寬高比在0.5~0.65之間，因此C2~C5旋風(fēng)筒進(jìn)口的改造需將蝸殼外擴(kuò)增加進(jìn)口寬度，同時(shí)提高旋風(fēng)筒頂蓋增加進(jìn)口高度。若僅增加進(jìn)口寬度，在旋風(fēng)筒斷面風(fēng)速偏高時(shí)，會(huì)增加短路氣流量，影響旋風(fēng)筒的收塵效率；若僅提高頂蓋，則會(huì)降低上升管道內(nèi)的有效換熱時(shí)間，影響預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率。（2）C2~C5分離效率的改造。在上述旋風(fēng)筒降阻改造的同時(shí)已兼顧了旋風(fēng)筒的分離效率，但增加旋風(fēng)筒的內(nèi)筒直徑后，縮短了含塵氣體進(jìn)入旋風(fēng)筒后的短路距離，增加了含塵氣流的短路風(fēng)險(xiǎn)，易導(dǎo)致旋風(fēng)筒分離效率的降低。因此，在擴(kuò)大旋風(fēng)筒內(nèi)筒直徑的同時(shí)，需保證旋風(fēng)筒進(jìn)口與旋風(fēng)筒內(nèi)筒的距離，這是旋風(fēng)筒設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性尺寸，如圖1所示。旋風(fēng)筒改造中需重點(diǎn)考慮蝸殼的流場(chǎng)優(yōu)化，一定程度上保證旋風(fēng)筒的分離效率，圖2為旋風(fēng)筒蝸殼改造示意。圖1旋風(fēng)筒關(guān)鍵性尺寸示意（3）提高預(yù)熱器系統(tǒng)換熱效率的改造。經(jīng)計(jì)算，改造后各級(jí)旋風(fēng)筒上升管道處的風(fēng)速偏高，不僅會(huì)降低物料在上升管道內(nèi)的換熱時(shí)間，同時(shí)上升管道物料加速區(qū)內(nèi)動(dòng)量傳遞的阻力損失也會(huì)大幅增加，因此在不影響預(yù)熱器框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將各級(jí)旋風(fēng)筒上升管道做擴(kuò)徑改造，改造前后上升管道尺寸對(duì)比見(jiàn)表1。圖2旋風(fēng)筒蝸殼改造示意表1改造前后上升管道尺寸對(duì)比3）分解爐擴(kuò)容及流場(chǎng)優(yōu)化改造現(xiàn)有分解爐總爐容約763m3，根據(jù)計(jì)算，分解爐內(nèi)氣體的停留時(shí)間將不足4s，無(wú)法滿足對(duì)應(yīng)產(chǎn)量下生料的分解以及煤粉燃燒的時(shí)間要求，因此分解爐的擴(kuò)容改造是系統(tǒng)提產(chǎn)降耗的關(guān)鍵。本次改造中通過(guò)增加分解爐出口鵝頸管高度的方式對(duì)分解爐進(jìn)行擴(kuò)容改造，將鵝頸管從窯尾框架5L平臺(tái)繞出預(yù)熱器框架，在框架外加高至7L平臺(tái)后下行回到預(yù)熱器框架內(nèi)，與C5進(jìn)口對(duì)接。另經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)有分解爐主爐的通風(fēng)風(fēng)速將達(dá)到13m/s以上，過(guò)高的主爐風(fēng)速會(huì)降低入窯生料與燃料在主燃燒區(qū)的停留時(shí)間，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的換熱效果變差。雖然通過(guò)增加鵝頸管高度的方式增加了總爐容，一定程度上降低了分解爐的容積負(fù)荷，但截面熱負(fù)荷偏高（1.88×107kJ/（m2·h））也會(huì)影響到分解爐內(nèi)物料的換熱和分解，因此對(duì)分解爐主爐進(jìn)行擴(kuò)徑改造，降低分解爐的截面熱負(fù)荷，增加生料和燃料在主燃燒區(qū)的停留時(shí)間。4）煙室及縮口窯尾煙室及縮口的通風(fēng)量是影響熟料產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，因此在提高熟料產(chǎn)量的要求下，必須增加煙室及縮口的最小截面積。由于煙室結(jié)構(gòu)限制，通過(guò)局部改造難以達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸要求，因此將煙室整體更換，增加煙室最小通風(fēng)截面積。同時(shí)，在保證分解爐錐部不發(fā)生塌料的前提下，適當(dāng)擴(kuò)大煙室縮口尺寸，保證窯爐用風(fēng)的阻力平衡。5）回轉(zhuǎn)窯和三次風(fēng)管改造根據(jù)改造目標(biāo)要求，更換窯主減速機(jī)和主電機(jī)，使回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速由0.41~4.07r/min提高至0.50~4.5r/min，回轉(zhuǎn)窯輔助減速機(jī)和輔助電機(jī)利舊，回轉(zhuǎn)窯主電機(jī)功率由315kW增加至355kW。此外，三次風(fēng)管直徑由2.2m整體擴(kuò)徑至2.4m。6）冷卻機(jī)改造將第三代冷卻機(jī)整體更換為第四代中置輥破冷卻機(jī)，有效冷卻面積90.1m2，改造后冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)由12臺(tái)減少至9臺(tái)，風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率比改造前略有增加，改造后第四代冷卻機(jī)的風(fēng)機(jī)配置參數(shù)如表2所示，改造前后冷卻機(jī)主要參數(shù)對(duì)照見(jiàn)表3。表2改造后的冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)參數(shù)表3改造前后冷卻機(jī)參數(shù)7）高溫風(fēng)機(jī)改造本次改造中增加高溫風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓，以滿足提產(chǎn)降耗的改造需求，改造后的風(fēng)機(jī)選型壓力9?200Pa，額定風(fēng)量60萬(wàn)m3/h，電機(jī)功率1?800kW。8）其他輔機(jī)設(shè)備改造改造前后燒成系統(tǒng)主要輔機(jī)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表4。表4改造前后的主要輔機(jī)設(shè)備參數(shù)t/h3、改造效果3.1熟料產(chǎn)量本次改造于2021年年初開始施工，歷時(shí)約53d，改造前后窯尾預(yù)熱器塔架照片見(jiàn)圖3。圖3改造前后窯尾預(yù)熱器塔架對(duì)照點(diǎn)火投料以后經(jīng)過(guò)調(diào)試優(yōu)化，熟料平均產(chǎn)量可穩(wěn)定在4?100t/d，回轉(zhuǎn)窯的容積產(chǎn)量為6.71t/（m3·d），斷面熱負(fù)荷為5.79MW/m2。目前普遍認(rèn)為小型回轉(zhuǎn)窯的提產(chǎn)難度更高，尤其是小型回轉(zhuǎn)窯的斷面熱負(fù)荷總要小于大型回轉(zhuǎn)窯。不同規(guī)格回轉(zhuǎn)窯在目前最高產(chǎn)量下對(duì)應(yīng)的斷面熱負(fù)荷和容積產(chǎn)量對(duì)照如表5所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，對(duì)于Φ4.0m×60m的回轉(zhuǎn)窯，4?100t/d的熟料產(chǎn)量已是非常高的產(chǎn)量。表5回轉(zhuǎn)窯斷面熱負(fù)荷和容積產(chǎn)量對(duì)照3.2生產(chǎn)指標(biāo)改造前后的生產(chǎn)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。由于改造后石灰石礦山變化，石灰石的CaO含量由48%下降至45%左右，熟料飽和比和硅率均有所降低，熟料28d強(qiáng)度也有小幅下降。預(yù)熱器系統(tǒng)改造后阻力下降明顯，在熟料產(chǎn)量4?100t/d時(shí)預(yù)熱器出口壓力約-6?300Pa，相對(duì)于新設(shè)計(jì)的五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，該數(shù)值不算最佳的指標(biāo)，但本次改造中C2~C5旋風(fēng)筒斷面風(fēng)速已經(jīng)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，在保證旋風(fēng)筒分離效率和預(yù)熱器換熱效率良好的情況下，預(yù)熱器系統(tǒng)阻力已在較為合理的水平。預(yù)熱器系統(tǒng)改造后，C1出口平均溫度降幅為15℃，預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率有一定的提升。分解爐系統(tǒng)改造后，生料和煤粉在分解爐內(nèi)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布均勻，分解爐內(nèi)傳熱效率有所提高，煤粉在分解爐內(nèi)完全燃燒，分解爐出口溫度降低，同時(shí)入窯生料的分解率也可穩(wěn)定在95%以上，降低了回轉(zhuǎn)窯的煅燒負(fù)荷，為燒成系統(tǒng)的提產(chǎn)降耗創(chuàng)造了有利條件。總體來(lái)說(shuō)，本次針對(duì)預(yù)熱器系統(tǒng)的改造是較成功的。表6改造前后生產(chǎn)參數(shù)對(duì)比冷卻機(jī)系統(tǒng)改造后，熱回收效率有大幅度的提升，二、三次風(fēng)溫有明顯的升高，出冷卻機(jī)熟料溫度可保證不高于環(huán)境溫度+65℃。由于二、三次風(fēng)溫的提高，單位體積熱風(fēng)帶入窯系統(tǒng)的熱量增加，窯、爐內(nèi)用煤量減少，煤粉燃燒速度相應(yīng)提高，進(jìn)而改善了窯、爐內(nèi)的煤粉燃燒工況，熱力強(qiáng)度更加集中。故而冷卻機(jī)的改造雖不會(huì)直接影響到回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熟料產(chǎn)量，但其帶來(lái)的熱回收效率的增加，又為窯系統(tǒng)提產(chǎn)降耗創(chuàng)造了條件。熟料煤耗下降5kg/t，降耗效果顯著。主要體現(xiàn)在C1出口廢氣溫度、廢氣量和含塵濃度的降低，冷卻機(jī)熱回收效率的提高以及提產(chǎn)后高溫設(shè)備單位熟料表面散熱量的降低。目前該窯的容積產(chǎn)量已經(jīng)突破現(xiàn)有設(shè)計(jì)的最大極限，大幅度的提產(chǎn)降耗是一個(gè)系統(tǒng)的工程，首先要針對(duì)生產(chǎn)線特定的原、燃料條件，對(duì)燒成系統(tǒng)的預(yù)熱器、分解爐、冷卻機(jī)、回轉(zhuǎn)窯及其他輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性的改造，消除各單體設(shè)備自身的限制瓶頸，再?gòu)臒上到y(tǒng)整體目標(biāo)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)前后段燒成設(shè)備的性能匹配，各設(shè)備相輔相成，最終才能深挖系統(tǒng)潛能，實(shí)現(xiàn)燒成系統(tǒng)大幅度提產(chǎn)降耗的目的。