高粘湿性白垩原料粉磨热源设计应用

（中信建设有限责任公司 北京 100027）

0 引言

白俄罗斯KN 5000 t/d新型干法水泥生产线以白垩矿为钙质原料，白垩在当地采取的是地下开采的方式，刚刚开采出来的白垩水分含量高达35%以上，因此原料粉磨的主要工艺技术问题是白垩原料的烘干。KN工厂原料粉磨工艺采用德国非凡公司的MPS5300B辊式立磨，设计入磨风温500℃，风量约720 000 Nm3/h。立磨热量需求按国内一般工艺设计采用窑尾的废热来解决立磨热源是不够的，根据工艺设计上热平衡计算，来自窑尾废热、窑头废热等热源不到所需热源不足一半，热源缺口很大，为此工艺设计上必须补充外部热源。但是，采用燃烧天然气提供外部热源必然大大增加燃料能源的消耗，进而增加单位生料的热耗成本，那么是否存在一种工艺方式可以降低原料单位产品的能耗水平？本文介绍KN工厂热风炉与燃气透平的配合使用，探讨高粘湿性白垩原料粉末热源供应如何实现节能降耗。

1 原料粉磨系统的热平衡工艺设计

由于入磨原料的综合水分高达28%，因此为了烘干原料，必定需要足够的热源供应。除了工艺设计上采用四级窑尾预热器提供较高温度的窑尾废气热量，增加窑头接力风机将来自窑头的余热尾气引入原料磨系统等方式外，还需要通过外加热风炉等补充不足的热源。但如果完全采用燃烧热风炉的供应热源方式，会增加单位产品的生产成本，因此需要考虑是否能够利用其他设备的尾气余热。在工厂设计过程中，考虑到工厂附近的供电不稳定，而且相较电网供电电费，自备燃气透平发电成本更低，因此业主方增加了一套16 MW的燃气透平设备，以配套新建水泥厂项目的生产用电。最终，原料粉磨工艺设计上联通并利用燃气透平设备的余热尾气，降低了原料粉磨系统热风炉的燃料消耗和原料生产成本。

根据Pfeiffer设计的原料粉磨系统热平衡需求表1所示，要满足额定产量420 t/h（干基）原料的产量，进入立磨原料的综合水分按28%计算，烘干原料需要的热值应达到512 646 MJ/h以上，应保持立磨的入口风量在720 000 Nm3/h左右，温度保持在502℃左右。根据四级预热器烧成系统产生的废气热源计算，窑头窑尾及其他物料带来的能供应的总热量约为232 137 MJ/h，烧成系统所能提供的热源仅仅为原料粉磨系统热源需求量的45.28%。因此为了完全烘干白垩土原料，从外部引入的热源是必要的，热供流程见图1。设计的基本原理是在一般石灰石作为原料生产的基础上增加热风炉系统，同时为了降低能源消耗，在热风炉的后方增加了汇风箱，可以根据工况要求收集混合新风或新风和燃气透平的高温尾气混合气作为热风炉燃烧所需的空气供应，而高温的燃气透平尾气在满足原料粉磨系统热源需求的基础上又可以降低热风炉的燃烧出力，从而减少燃料的消耗。

表1 原料粉磨系统工艺设计热量平衡表

2 热风炉系统设计介绍

根据热平衡表，需要引入的外部热源最小热值不应小于245 042 MJ/h[1]。工厂拟使用的天然气热值约为35 998 kJ/Nm3。因此，采用纯热风炉提供热源的工况条件下，需要的天然气流量至少为6 817 Nm3/h。考虑到窑、磨系统的冷态启动工况下，窑尾及窑头的热风量为零，以及其他影响系统的可靠性因素，为保证热源的稳定提供，热风炉系统出风口最大热风流量289 231 Nm3/h，出口风温800℃，输出热功率94.482 MW。

外部热源供应设计上，需要考虑热风炉系统和燃气透平系统的两个热源如何连接起来，并最终输入到立磨热风入口。考虑到热风炉和燃气透平的设备特点和工况要求，两者工艺连接上只能选择热风炉作为最终的热源输出设备，燃气透平的热源必须通过热风炉后再输出。通过对各类热风炉设备选型考察，法国fivesPillard公司生产的110 MW热风炉可以实现工艺要求，热功率输出也满足要求。

依据此工艺需求，并结合整个工厂冷态启动所需的总热源情况，本项目选择了热功率输出能力110 MW的法国fivesPillard热风炉，设备最大天然气流量为11 950 Nm3/h，最大提供热源为429 578 MJ/h，设备工艺参数完全满足立磨热源供应需求，且拥有较大的富余量为立磨系统的热源需求提供了充足的调节范围。系统主要由热风炉炉体、框架矩阵式燃烧器、天然气阀组、新风风机以及附属点火、冷却风机组等构成。

根据热风炉设备工艺参数要求，热风炉本体及进出口风道如图2所示，设计计算热风炉出口管道内径3.3 m，热风炉体为圆锥筒型，最大处直径6.5 m，为了使新风和燃气透平热风在进入热风炉炉体前能够充分进行预混合热交换均匀，热风炉系统设计了一个内径3.5 m，长度为19 m直线段稳流风管。稳流管的末端设计有一个汇风箱见图2右侧，汇风箱的两端分别连接两个进风通道，连接新风风机和燃气透平尾气，并通过调节阀进行风量的调节。

3 燃气透平系统设计

由于白俄罗斯电力供应不稳定，大型工业工厂均需自备一套燃气发电电站。白俄罗斯紧邻天然气资源丰富的俄罗斯，天然气的价格也较低，因此KN工厂在设计之初根据工厂的用电量需求，配套设计了一套发电能力16 MW，采用卡特彼勒公司旗下的“索拉”Titian 130燃气透平设备，额定工况下燃气机组的废气排气温度为490℃，流量约275 000 Nm3/h，计算热值约为138 600 MJ/h。为了充分利用该部分热能，将热源直接连接至热风炉的进气端汇风箱，也不会产生额外的尾气排放，正常额定工况燃气透平投入运行增加保证了熟料生产线连续运行的可靠性，排放尾气的充分利用也减少了热风炉天然气消耗。

4 节能分析

根据工艺设计流程图，来自燃气透平490℃的尾气在汇风箱和常温新风空气进行混合热交换，形成约360℃左右的热源气流，该气流再通过稳流管提供给热风炉燃烧所需的氧气。平稳的新风和燃气透平的尾气混合气体既提供了热风炉燃烧需要的氧气，也提供了热风炉框架矩阵式燃烧器稳定燃烧所需的稳定均匀的气流，保障了燃烧的稳定和可靠，从而提高了燃烧器的燃烧效率。同时，由于引入了燃气透平的热源可以降低热风炉的热源输出。而整个系统输出的总热值也能满足立磨系统入口热值的需求，燃气透平的运行也可以为工厂提供约16 MW/h用电量，减少支付从电网获得电能的电费，并且提高了整个工厂电力系统的稳定性。项目投入运行后，经测定，烧成系统稳定额定工况供热情况下，原料粉磨系统原料喂料量设定 520 t/h（干基约 380 t/h）时[2]，在燃气透平未投入使用情况下，热风炉的天然气消耗量为6 200 Nm3/h左右；燃气透平投入并在额定工况下，热风炉天然气的消耗量为4 400 Nm3/h，减少的天然气消耗量约1 800 Nm3/h，能耗降低率约29%。考虑到管道传输的热损失，这种燃气透平余热尾气利用方式基本达到了预期的节能目标。

5 结论

KN工厂利用高粘湿性的原料进行水泥熟料生产，工艺要求不同于国内一般水泥生产情况。水泥工艺首先要解决原料的烘干问题，如果烘干所需热源不能完全靠烧成系统提供解决全部热源，就必须引入外部热源。在此情况下，单纯从外部引入热源将大幅增加整个工厂的单位产品热耗，增加生产成本，因此可以选择在具备天然气供应优势且又存在电力需求不稳定或缺口的某些国家区域，设计采用燃气透平和热风炉联合的方案，既保证电力的稳定，同时又能降低单位产品的热耗，为类似项目的方案推广提供借鉴。