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

近年來在現(xiàn)有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上通過工藝和設(shè)備的優(yōu)化、改造達到提產(chǎn)降耗的目的，已經(jīng)是許多水泥企業(yè)實現(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)降耗改造實踐，該線燒成系統(tǒng)由五級單系列旋風預(yù)熱器、在線分解爐、Φ4.0m×60m回轉(zhuǎn)窯和LBT3.2×20.6第三代冷卻機組成，冷卻機有效冷卻面積為62.4m2，經(jīng)過多年的技術(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，提出通過技術(shù)優(yōu)化升級，達到提高熟料產(chǎn)量、降低熟料標準煤耗及電耗，最終實現(xiàn)企業(yè)碳減排的目的。1、生產(chǎn)線提產(chǎn)瓶頸改造前通過對現(xiàn)場情況的深入了解以及與企業(yè)的充分交流，對現(xiàn)有主機設(shè)備進行了系統(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)通過對現(xiàn)有預(yù)熱器系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)分析及計算，在目前產(chǎn)量下，C1旋風筒的斷面風速已達到4m/s以上，C4、C5旋風筒的斷面風速達到6m/s，分解爐的斷面風速也已經(jīng)超過11m/s。整體來看，現(xiàn)有預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)已達到設(shè)計能力的極限，常規(guī)設(shè)計需保證C1旋風筒的斷面風速在3~4m/s，C2~C5旋風筒的斷面風速在5~6m/s，分解爐主爐的斷面風速為10m/s。2）回轉(zhuǎn)窯和三次風管該窯設(shè)計熟料產(chǎn)量為2?500t/d，最大轉(zhuǎn)速4.07r/min，主電機功率315kW，在3?000t/d的熟料產(chǎn)量下，計算回轉(zhuǎn)窯容積產(chǎn)量為4.9t/（m3·d），斷面熱負荷為4.5MW/m2，該數(shù)值對于Φ4.0m×60m的回轉(zhuǎn)窯已屬于偏高水平，同時窯內(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，三次風管內(nèi)的通風風速已偏高，繼續(xù)提產(chǎn)后三次風管的通風阻力將增加，影響窯爐用風的平衡。3）冷卻機現(xiàn)有第三代冷卻機的有效冷卻面積為62.4m2，在3?000t/d的熟料產(chǎn)量下存在出冷卻機熟料溫度高、熱回收效率差等問題。在現(xiàn)有燒成系統(tǒng)設(shè)備都已超過最大設(shè)計能力的情況下，低品質(zhì)的二、三次風會降低窯、爐內(nèi)的燃料燃燒速度，極大增加窯、爐的煅燒負荷，因而冷卻機的改造對燒成系統(tǒng)的提產(chǎn)降耗至關(guān)重要。4）高溫風機現(xiàn)有高溫風機額定風量為40萬m3/h，額定風壓為8?896Pa，在3?000t/d的熟料產(chǎn)量下已經(jīng)接近滿負荷運行，因此，高溫風機需相應(yīng)改造，以滿足燒成系統(tǒng)提產(chǎn)降耗的要求。5）其他輔機設(shè)備根據(jù)改造目標和現(xiàn)有燒成系統(tǒng)輔機設(shè)備能力核算，現(xiàn)有燃燒器、熟料斜拉鏈機、生料轉(zhuǎn)子秤、生料入窯提升機等設(shè)備均需進行相應(yīng)的優(yōu)化改造。2、改造方案1）C1旋風筒C1旋風筒在設(shè)計上要求具有較高的分離效率（≥95%），本次改造中由于C1的斷面風速已經(jīng)超過設(shè)計極限風速，通過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?？紤]到其重要性，將C1旋風筒整體更換，直徑由4.6m更換為5.4m，改造后旋風筒的設(shè)計斷面風速在3.5m/s左右，增加了粉塵在旋風筒中的沉降時間，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。同時增加了內(nèi)筒整流降阻器和錐部尾渦隔離器，再通過旋風筒各關(guān)鍵尺寸的合理、優(yōu)化設(shè)計，可保證95%以上的分離效率（常規(guī)入窯生料情況下），旋風筒本體阻力亦可小于800Pa。2）C2~C5旋風筒雖然C2~C5的斷面風速偏高（6~8m/s），考慮到下級旋風筒對分離效率的要求低于C1，因此僅做局部改造，目標主要為降低旋風筒阻力，保證適宜的分離效率（86%~90%），同時提高預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率。（1）通過擴大進口面積和內(nèi)筒直徑實現(xiàn)C2~C5降阻改造。在擴大旋風筒進口面積時，需保證旋風筒進口的寬高比在0.5~0.65之間，因此C2~C5旋風筒進口的改造需將蝸殼外擴增加進口寬度，同時提高旋風筒頂蓋增加進口高度。若僅增加進口寬度，在旋風筒斷面風速偏高時，會增加短路氣流量，影響旋風筒的收塵效率；若僅提高頂蓋，則會降低上升管道內(nèi)的有效換熱時間，影響預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率。（2）C2~C5分離效率的改造。在上述旋風筒降阻改造的同時已兼顧了旋風筒的分離效率，但增加旋風筒的內(nèi)筒直徑后，縮短了含塵氣體進入旋風筒后的短路距離，增加了含塵氣流的短路風險，易導(dǎo)致旋風筒分離效率的降低。因此，在擴大旋風筒內(nèi)筒直徑的同時，需保證旋風筒進口與旋風筒內(nèi)筒的距離，這是旋風筒設(shè)計中的關(guān)鍵性尺寸，如圖1所示。旋風筒改造中需重點考慮蝸殼的流場優(yōu)化，一定程度上保證旋風筒的分離效率，圖2為旋風筒蝸殼改造示意。圖1旋風筒關(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)計算，改造后各級旋風筒上升管道處的風速偏高，不僅會降低物料在上升管道內(nèi)的換熱時間，同時上升管道物料加速區(qū)內(nèi)動量傳遞的阻力損失也會大幅增加，因此在不影響預(yù)熱器框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將各級旋風筒上升管道做擴徑改造，改造前后上升管道尺寸對比見表1。圖2旋風筒蝸殼改造示意表1改造前后上升管道尺寸對比3）分解爐擴容及流場優(yōu)化改造現(xiàn)有分解爐總爐容約763m3，根據(jù)計算，分解爐內(nèi)氣體的停留時間將不足4s，無法滿足對應(yīng)產(chǎn)量下生料的分解以及煤粉燃燒的時間要求，因此分解爐的擴容改造是系統(tǒng)提產(chǎn)降耗的關(guān)鍵。本次改造中通過增加分解爐出口鵝頸管高度的方式對分解爐進行擴容改造，將鵝頸管從窯尾框架5L平臺繞出預(yù)熱器框架，在框架外加高至7L平臺后下行回到預(yù)熱器框架內(nèi)，與C5進口對接。另經(jīng)計算，現(xiàn)有分解爐主爐的通風風速將達到13m/s以上，過高的主爐風速會降低入窯生料與燃料在主燃燒區(qū)的停留時間，導(dǎo)致爐內(nèi)強制對流的換熱效果變差。雖然通過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荷，但截面熱負荷偏高（1.88×107kJ/（m2·h））也會影響到分解爐內(nèi)物料的換熱和分解，因此對分解爐主爐進行擴徑改造，降低分解爐的截面熱負荷，增加生料和燃料在主燃燒區(qū)的停留時間。4）煙室及縮口窯尾煙室及縮口的通風量是影響熟料產(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，通過局部改造難以達到設(shè)計尺寸要求，因此將煙室整體更換，增加煙室最小通風截面積。同時，在保證分解爐錐部不發(fā)生塌料的前提下，適當擴大煙室縮口尺寸，保證窯爐用風的阻力平衡。5）回轉(zhuǎn)窯和三次風管改造根據(jù)改造目標要求，更換窯主減速機和主電機，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)窯輔助減速機和輔助電機利舊，回轉(zhuǎn)窯主電機功率由315kW增加至355kW。此外，三次風管直徑由2.2m整體擴徑至2.4m。6）冷卻機改造將第三代冷卻機整體更換為第四代中置輥破冷卻機，有效冷卻面積90.1m2，改造后冷卻機風機由12臺減少至9臺，風機裝機功率比改造前略有增加，改造后第四代冷卻機的風機配置參數(shù)如表2所示，改造前后冷卻機主要參數(shù)對照見表3。表2改造后的冷卻機風機參數(shù)表3改造前后冷卻機參數(shù)7）高溫風機改造本次改造中增加高溫風機風量和風壓，以滿足提產(chǎn)降耗的改造需求，改造后的風機選型壓力9?200Pa，額定風量60萬m3/h，電機功率1?800kW。8）其他輔機設(shè)備改造改造前后燒成系統(tǒng)主要輔機設(shè)備參數(shù)見表4。表4改造前后的主要輔機設(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，歷時約53d，改造前后窯尾預(yù)熱器塔架照片見圖3。圖3改造前后窯尾預(yù)熱器塔架對照點火投料以后經(jīng)過調(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），斷面熱負荷為5.79MW/m2。目前普遍認為小型回轉(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)量下對應(yīng)的斷面熱負荷和容積產(chǎn)量對照如表5所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，對于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)窯斷面熱負荷和容積產(chǎn)量對照3.2生產(chǎn)指標改造前后的生產(chǎn)參數(shù)對比見表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時預(yù)熱器出口壓力約-6?300Pa，相對于新設(shè)計的五級預(yù)熱器系統(tǒng)來說，該數(shù)值不算最佳的指標，但本次改造中C2~C5旋風筒斷面風速已經(jīng)遠超設(shè)計值，在保證旋風筒分離效率和預(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、速度場、濃度場分布均勻，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)窯的煅燒負荷，為燒成系統(tǒng)的提產(chǎn)降耗創(chuàng)造了有利條件?？傮w來說，本次針對預(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)對比冷卻機系統(tǒng)改造后，熱回收效率有大幅度的提升，二、三次風溫有明顯的升高，出冷卻機熟料溫度可保證不高于環(huán)境溫度+65℃。由于二、三次風溫的提高，單位體積熱風帶入窯系統(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，進而改善了窯、爐內(nèi)的煤粉燃燒工況，熱力強度更加集中。故而冷卻機的改造雖不會直接影響到回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熟料產(chǎn)量，但其帶來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)計的最大極限，大幅度的提產(chǎn)降耗是一個系統(tǒng)的工程，首先要針對生產(chǎn)線特定的原、燃料條件，對燒成系統(tǒng)的預(yù)熱器、分解爐、冷卻機、回轉(zhuǎn)窯及其他輔機設(shè)備進行系統(tǒng)性的改造，消除各單體設(shè)備自身的限制瓶頸，再從燒成系統(tǒng)整體目標出發(fā)，實現(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，實現(xiàn)燒成系統(tǒng)大幅度提產(chǎn)降耗的目的。