浅析烧成系统主要装备优化改造的途径

2021-03-30刘春杨

建材与装饰 2021年5期

刘春杨

（合肥水泥研究设计院有限公司，安徽合肥 230051）

0 引言

随着水泥工业生产工艺、机械设备和电气自动化技术的发展，水泥熟料燃烧技术和设备水平的飞速发展，水泥生产技术具有生产率高的特点。高能耗、低能耗、自动化、低污染，逐步向绿色智能水泥制造方向发展，水泥工业设备属于大型生产设备，采用先进的水泥技术，建设具有先进节能环保指标的生产线，重大投资组合以及减少土地利用的原则，拆除旧线路仍需成本。

1 烧成装备对熟料提产降耗的影响

1.1 熟料烧成热耗影响因素

水泥烧结系统是新型干法水泥生产的主要环节，也是主要的能耗环节，主要是热耗和能耗。关于热量消耗，主要是预热原料分解、熟料煅烧、系统各设备散热等。能耗主要包括输气风机进出口能耗。材料运输设备和煅烧设备熟料，预分解系统的热量主要来自燃料。新型旋风预热器干燥生产线部分零件热校验数据分析烘干生产线的炉膛系统热利用率一般在51%～60%之间。

通过表中数据可知，熟料成型的热耗主要是燃料燃烧产生的热量，主要是热熟料成型排放系统所需的热耗，以及预热器排气、废热等余热耗。冷却器出口设备的表面热量和冷、热熟料的损失，降低热耗，节约燃料，是实现目标的关键。因此，应尽量减少余热预热器出口的热损失。从熟料和尾气到冷却器出口和表面冷却系统，找出降低熟料生产线热消耗的方法。

1.2 熟料烧成产量影响因素

影响水泥生产线运行的因素、水泥生产系统（如原料燃料特性、设备容量和适用性）、操作参数（如点火系统中的任何环节）都可能影响熟料的生产。因此，在原有燃料参数的基础上，对现有设备进行优化改造，尽可能达到二次消耗的目的，烧结系统设备主要由预热器、分解炉等组成。从烟气室、炉膛系统、燃烧器、三次风管、冷却器等方面分析各关键设备对烧结系统的影响。

1.2.1 回转窑及燃烧器

水泥回转窑生产过程中熟料燃烧和保温的关键设备。水泥回转窑的装填速度、窑体的热强度和传热性能直接影响回转窑的生产能力。保证熟料燃烧煤粉是保证炉膛合理装填率的关键。如果装填率过大，炉膛通风会降低，不利于提高煤粉燃烧和煅烧的温度。充填速率开始导致熟料停留时间过短，熟料矿物反应不足，且难以实现。合理设计和优化炉膛燃烧器也是影响炉膛生产率的关键因素。传热火焰炉是一个非常复杂的综合传热过程。但最终的结果是燃烧火焰通过辐射和对流直接或间接（通过炉内壁）传播到炉料上，从而完成熟料窑的排放。例如，在燃煤回转窑中，煤粉燃烧火焰和吸收的辐射能不包括氮、氧和空气等透明介质。二氧化碳和水的原子气体排放量是炭的2～3 倍，焦炭颗粒对火焰的影响远大于炭颗粒。根据火焰的黑度和煤的燃烧率，最大火焰黑度与燃烧率的关系为0.4～0.5。因此，对火焰形状进行调整。减少煤粉燃烧时间，提高烧结区火焰温度和传热能力是增强熟料煅烧效果保证[1]。

1.2.2 预热器

窑外预分解技术回转窑系统的熟料产量，大大降低了回转窑系统的热耗，水泥浆与高温煤气预热器之间的换热可以最大限度提高土壤的温度。各级旋风管的范围合理。优化烟气旋流管的流场，改善原料和均匀措施，提高旋流管的传热效率。预热器强度与高温风机参数的匹配也是影响熟料收率的关键因素。在当前预热器结构参数条件下，熟料窑系统出口的增加将增加预热器烟气量、预热器关键部件风速和预热器强度。这可能导致高温风机容量与产后预热器参数的增加不匹配。因此，预热器运行参数与高温风机容量之间的对应关系是保证机组正常运行的重要保证。减少水泥窑的消耗，在进行能源技术改造、结构优化和生产工艺改造时，应考虑预热器的作用，以适应高温风机的同步改造。

1.2.3 分解炉及烟室

煅烧炉是水泥烧成系统的主要设备之一，主要负责水泥窑尾燃料的燃烧和碳酸钙的分解，主要效率指标是燃料燃烧率，原料的热分布和碳酸钙的分解速率。同时，煅烧炉的性能指标直接影响熟料的产量、烧结能耗和系统的经济性，有效通风面积是平衡二、三次风的重要因素。二次风量直接影响煤粉燃烧过程中火焰的热强度。由于烟室面积小，炉后可能出现炉内通风不良、二次扬尘、结皮等问题。合理增加炉膛有效通风面积，对提高炉膛系统产量，降低炉膛系统能耗起着关键作用。

2 水泥烧成装备熟料降耗优化途径

烧成系统主要从降低预热器阻力、增强预热器换热效果、提高冷却机热回收效率等方面着手分析，设计出合理的改造方案，从而达到优化烧成系统的目的。

2.1 降低预热器阻力

预热器强度对提高熟料产量起着重要作用，预热器完成了水泥原料与窑尾高温烟气的换热。合理的固气比更高的分离效率预热器内的高热量是降低熟料。随着熟料产量的增加，通过预热器的烟气量增加。在保证旋风分离器分离效率的前提下，预热系统的阻力将大大提高。预热器强度与高温风机参数的匹配也是影响熟料产量的关键因素。因此，通过优化预热系统的结构参数，降低高温风机的负荷是提高熟料产量、节约能源的有效途径之一。预热器强度是预热器风速和气固比共同作用的结果。但气固比降低旋风阻力往往是改造预热器的关键。影响预热器筒体强度的主要因素有：入口尺寸、结构形式、预热汽缸尺寸、涡流气体浓度、烟气粉尘浓度、预热汽缸变形、粘附或积聚等优化进口尺寸、结构形式和旋风管尺寸，通过合理控制风速，设计无积垢、管内流体流动的结构，可以降低各预热系统的阻力。

2.2 增强预热器换热效果

在水泥生产线的实际运行中，在优化生产运行参数的前提下，影响预热器传热效果的因素主要有以下方面：

2.2.1 预热器

水泥原料和高温气体之间的热交换在预热器中，换热次数增加，预热器烟气温度降低。一般预热系统，计算和实践得到预热器的预热阶段与预热器出口温度，提高预热器可以提高传热效率，但阻力也会增加，从而增加相应的耗氧量，必须在传热效果和系统能耗之间取得平衡。

2.2.2 粉料在管道内的悬浮状况

在旋风预热器中进行气固两相悬浮换热，由于排气温度不高，辐射换热不太重要。主要的传热是通过对原料粉从进料口加入料堆中，如果部分粉末未完全展开，则该部分粉末不能悬浮在热空气中，落入一级旋风分离器中。较低的水平，因此失去较高单位换热的机会，从而减少预热器内的传热，这肯定会影响气体固体的热效率。

2.2.3 散热损失和漏风量

设备表面热损失和漏风是影响设备预热效果的因素，更多预热系统表面散热大，需要更多的热量补充预热材料的温度，以保持更高的温度，能量消耗通常通过更大的燃烧来补偿燃料。此外，预热系统漏风量越大通过预热器漏气加热消耗热量，导致系统热消耗增加，随着分散效果、分离效率、热损失和漏风量的增加，材料的预热效果可以在一定程度上得到改善，这些因素的影响逐渐减小。预热器旋风分离器的优化改造应在全面分析预热器热影响因素的基础上进行。改造后的预热器应尽可能增强物料的分散效果，增加物料与热风的换热时间，提高旋风分离器的分离效率，减少漏风，增强隔热效果，以提高热效率整个预热器。

2.3 提高冷却机热回收效率

高温熟料进入冷却器后，通过移动冷却器的板料，逐渐分散在篦床上。同时，冷却空气从下到上通过格栅进入熟料层，热量通过气体系统传递固体。熟料冷却，冷空气加热，加热的热风为窑头、窑尾燃料燃烧提供热风。在熟料颗粒冷却气流相交垂直。根据传热理论，只有当气固两相流对流，在一定的格栅和缓冲条件下，保持适当的冷却风量和压力是保证传热效率的重要因素。烧结条件、高温、空气温度度大，传热速度快，熟料烧结温度和冷空气温度梯度降低产品，特别是当冷却达到一半时，熟料的冷却趋势变得非常慢。因此，在设计冷却器时，冷却器前部的风量应增加到一定程度，以保证熟料的快速冷却和二次风温度的升高。二、三次风温度升高的原因是机组热风量引入炉膛增加热量，降低炉膛耗煤量，在保持相同余风系数的前提下，煤粉燃烧所需的二、三次风相应减少。在热平衡理论计算的基础上，给出了提高冷却器热回收效率、二、三次风温度与熟料烧结热耗的关系，二、三次风温度越高，熟料烧结热耗越大。冷却器的热回收效率越高，相应的热耗越低，冷却器改造后降低熟料烧成热耗的效果主要是二次、三次风进风热量的增加在系统中。因此，二、三次风温升高是衡量冷却器改造效果的重要指标。

在水泥生产企业中，通过对预分解窑预热系统效率的分析和物料平衡，掌握窑系统能耗的分布情况，找出影响预分解窑预热系统节能原因。找出炉膛系统的消耗量，确定炉膛系统的改造方向和确定方法，并通过改造实现炉膛系统的消耗量。