浅析预热预分解系统常见技术问题及改造措施

王景平

（内蒙古建筑材料工业科学研究设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

20 世纪70 年代，预分解窑问世。90 年代，在国家建材局的指导下，我国水泥工业大力发展“低投资、国产化”预分解窑水泥生产线，天津、南京和成都三大甲级设计院分别负责4000t/d、2000t/d、1000t/d 熟料规模生产线低投资国产化的设计方案。进入21 世纪，我国水泥工业进入以“装备大型化、工艺节能化、管理自动化、环保生态化”[1]为特征的快速发展期，与此同时，我国在国际上承揽的水泥工程项目数量也越来越多。

21 世纪初期，我国建设了多条预分解窑水泥生产线，运行到2010 年前后，技术指标上就开始出现明显的落后，再加上低碳背景下，能源消耗指标和诸多环境保护指标的升级，这些生产线要么选择关闭淘汰，要么选择技术改造优化升级。

2015 年前后，工业技术的飞速进步将预分解窑水泥生产线“降成本”和“补短板”的空间暴露出来，我国水泥工业从此进入了存量生产线技术升级优化改造的密集时期，很多水泥企业集团和科研院所纷纷行动起来，并创造了一个又一个意想不到的业绩，为水泥生产能耗指标的进一步降低作出了贡献。这些生产线的改造主要集中在烧成系统（预热预分解系统、煤粉燃烧系统及熟料冷却机）、粉磨系统（立式辊磨、辊压机、管磨机等设备及配套工艺）、环境保护系统（废气排放治理、噪声、矿山植被恢复等）和自动化智能化系统等方面。鉴于预热预分解技术是新型干法水泥生产技术的核心，是生产管理关注的重点之一，本文仅就烧成系统之预热预分解系统常见技术问题及升级改造措施进行简要分析。

1 预分解窑烧成系统最新指标要求

我国目前拥有预分解窑水泥熟料生产线1600 余条，较多生产线的能耗水平处于2000～2010 年时期。在2010 年前后，一条总承包建设的5000t/d 熟料新型干法水泥生产线，其性能保证指标之一熟料烧成热耗≤750×4.18kJ/kg，熟料综合电耗≤54kWh/t，粉尘排放浓度≤50mg/Nm3[2]。到了2020 年，一条新建5000t/d 熟料新型干法水泥生产线的业主提出的性能指标要求（按六级预热器工作,余热发电在线,脱硝系统在线状态进行考核）如表1 所示。

表1 2020 年新建5000t/d 熟料预分解窑烧成系统业主要求性能指标

从表1 可知，对熟料烧成热耗的要求已从10 年前的750×4.18kJ/kg 降到658×4.18kJ/kg，对熟料综合电耗的要求已从54kWh/t 降到46kWh/t。不仅如此，对废气排放提出了更为苛刻的要求。这些要求，离不开技术的进步，也离不开天时、地利、人和的支撑。当然，前两个指标要求是不是偏高，还有待于实践验证；而环保指标，如果不计投入和考虑科学合理性，应该能够达到。

2 既有预热预分解系统常见问题

预热预分解系统主要由预热器和分解炉构成，附属设备或装置有撒料板、撒料盒（箱）、下料管道、翻板阀、预热器内筒、鹅颈管、燃烧器等。其任务就是完成生料的预热和分解。具体地讲，预热器系统就是利用来自回转窑及分解炉的高温气流加热生料，使生料的温度从几十度上升到800℃左右，实现部分碳酸钙等盐类的分解；分解炉的任务，不仅要完成燃料燃烧，还要完成碳酸盐的深度分解，前者用出炉燃料的燃尽率来考核，后者用入窑物料分解率来考核。

对诸多早期建设的预分解窑进行统计,并与近期建设或者技改投产的生产线相比，不难发现，这类窑的预热预分解系统总体上表现为系统换热效率不够高，旋风筒料气分离效率不够高，系统阻力高，C4、C5 预热器下料管及分解炉存在结皮，生料在分解炉停留时间不足，NOx、SO2排放控制难度加大等等。这些问题会直接导致烧成系统熟料热耗高、系统运行电耗高、废气排放指标不达标等问题。

2.1 系统换热效率不够高

生料和烟气在预热器系统内的换热效率不高，一般来说是系统结构不完美引起的生料分散不均，生料无法与气流充分接触并进行充分换热。生料和烟气在预热器系统内的换热效率一般以C1 预热器出口的温度和废气量来衡量。热工专家陶从喜先生对我国早期建设的预分解窑C1 预热器出口的温度有一个统计，入表2 所示。

表2 C1 预热器出口温度及废气量的比较[3]

从表1 来看，对于早期建设的五级旋风预热器系统，C1 预热器出口废气温度的国内水平是大于300℃的，系统换热当属较差。之所以要用C1 预热器出口的温度和废气量来衡量，是因为系统漏风和用风偏大都可以使C1 预热器出口废气温度表现为低，这一点笔者称之为虚低。C1 预热器出口温度虚低，也有可能是预热器系统保温出了问题，表面散热太多造成的。

2.2 预热器旋风筒料气分离效率不够高

预热器旋风筒料气分离效率不够高，会影响料气换热效率，导致C1 预热器出口废气温度偏高，浪费燃煤，而且还会增加系统阻力，增加窑尾收尘器的负担，导致系统运行电耗偏高。如果煤粉制备所用热风来自预热器系统出口废气，废气中高浓度物料会引起燃煤热值贫化。

2.3 系统阻力高

从生产一线来看，C1 预热器出口负压超过6000kPa的不在少数。引起系统阻力高的原因，除了预热器结构、连接形式外，还与C4、C5 预热器下料管及分解炉存在结皮，烟室结皮以及分解炉结构有关。另外，系统漏风也会影响到系统的阻力。

2.4 生料在分解炉和鹅颈管内的停留时间不足

早期设计的生产线，在稍微提产的情况下，生料在分解区（分解炉和鹅颈管）停留的时间就显得不足，暴露出新的产能下分解区结构不合理或者是空间不足。这种情况会致使整个系统的阻力增大，料气流场不顺畅；甚至会导致C1 预热器出口废气温度CO 浓度升高；C5 预热器出口温度和其它各级预热器出口温度偏高；分解炉出口与C5 预热器出口和下料管温度存在倒挂现象；相关位置结皮。在生产线实施技改时，就常常会遇到这种问题：分解炉炉容偏小，难以满足生料分解所需的停留时间，也难以满足煤粉完全燃烧的要求，这不仅会造成熟料煤耗偏高，还会导致C1 预热器出口温度偏高，还会带来烧成系统工况不稳定。

2.5 NOx、SO2 排放控制要求高

2013 年，水泥行业颁发了（GB4915-2013）《水泥工业大气污染物排放标准》，其中对烧成系统的要求如表3 所示。

表3 现有与新建烧成系统大气污染物排放限值(单位：mg/Nm3)

将表3 与表1 对比，不难看出表1 所列业主的要求远远高于国家标准。这是一些地区出台“严控标准”和“超低排放标准”[5]的一个表现,加重了当前水泥企业治理NOx、SO2排放的难度。

3 常用的改造措施

水泥工业技术工作者追求资源低消耗的努力从来就没有停止过，2015 年以后，许多优化创新成果用在新建水泥生产线和既有水泥生产线的技改上，都表现出令人比较满意的效果，不仅降低了熟料单位煤耗，还降低了系统电耗，减少了CO2、SO2以及NOx的排放。对于预热预分解系统存在的问题，本文结合工作经验就常用的改造措施进行简略地介绍。

3.1 提高系统换热效率的措施

预分解窑配置五级预热器系统，其C1 预热器出口废气理论温度为278℃[4]，从表1 可知，大多数窑C1 预热器出口温度都在320℃左右，系统换热效果不理想。众所周知，下一级预热器气体出口与上一级预热器料气进口之间的连接管道就是换热管道，物料经下料管流出进入换热管道，必须选择一个合适的位置，选择一个合适的撒料装置，才能保证物料在换热管内的均匀状态、分散程度和浓度大小。西南科技大学齐砚勇教授指出，如果物料在进入换热管之前便通过合理布置的下料管和撒料装置，由简单的机械碰撞的方式使其充分分散，料团尺寸显著减小，物料浓度的空间分布更加均匀，不但可显著减小预热器换热管内的压力损失，同时可使物料同高温气流之间的换热、传质过程在悬浮态下完成的更加迅速、高效，防止物料发生冲料现象，有效地提高悬浮预热系统的热效率[4]。

基于此，笔者认为，提高预热器系统换热效率的措施有：（1）改进物料进入换热管道的位置和撒料装置的结构；（2）优化各级预热器下料管的角度；（3）优化换热管道的直径与长度，保证有适宜的风速与必要的停留时间；（4）增加预热器系统旋风筒级数，比如表1 所列热耗指标就是基于六级预热器系统提出的，这是目前备受关注的热点。

3.2 提高旋风筒料气分离效率的措施

预热器旋风筒料气分离效率不够高，主要是旋风筒结构不合理。设计单位在不改变风速的前提下力求提高料气分离效率，一方面优化旋风筒内筒的直径与高度，另一方面还对旋风筒进风口径的大小与形状进行改进。近年来，设计院十分注重C1 预热器的料气分离效率。在具体改造项目中，不只是将C1 换成新型高效低阻预热器，还将C2～C5 预热器的进口扩大。

预热器旋风筒料气分离效率不够高，也与翻板阀关闭不严或料柱不足以锁风有关。在模拟流场中，当翻板阀关闭不严或料柱不足以锁风时，旋风筒负压将风从撒料箱、下料管吸入，引起物料飞扬，使本应进入下料管的物料被带入内筒，严重降低料气分离效率。因此，优化翻板阀也能在一定程度上提高旋风筒料气分离的效率。

3.3 降低系统阻力的措施

在理论研究中，可利用计算机技术，利用CFD 进行分析，对分解炉的认识就会越来越深入，包括分解炉锥体角度的变化，三次风入炉位置的变化，对窑风、三次风、生料和煤粉混合的影响是什么样的，效果如何。很多方面与实践结合起来，一方面印证了这种结果的推理，另一方面也启发了新的技改方法。

近年来，不管是设计院还是生产企业，在降低系统阻力上都取得了不少经验。除了以上在提高系统换热效率和料气分离效率上的措施有利于优化流场降低阻力外，在分解炉、C4 和C5 下料管以及烟室上面的优化改造也大大地降低了系统阻力。

对分解炉进行改造，不只是某一个目的，有可能会带来诸多效果。比如优化C4 下料管与分解炉之间的撒料盒，优化三次风管进炉的方向，优化燃烧器在分解炉中的位置、角度。这些优化的结果，不仅会带来系统阻力的降低，还能改善物料在分解炉内的分布状态，改善生料的分解效率，减少关键位置的结皮等。

预热预分解系统漏风，不仅增加系统阻力，还会增加熟料烧成煤耗，引起下料管、分解炉和烟室结皮。对此，一般会对烟室清灰孔、翻板阀、预热器人孔门等处进行清查，尤其是变形的要维修，要更新，确保密封效果。

对于下料管、分解炉和烟室的结皮，为了便于清理，在技改中可选用微晶板，甚至选用内表面铺微晶板的预制结构。

3.4 延长生料在分解炉及鹅颈管停留时间的办法

为了延长生料在分解炉及鹅颈管停留时间，最常用的方法就是不改变分解炉的直径，直接利用预热塔架的空间将分解炉和鹅颈管向上延伸，达到扩容的目的即可。鹅颈管的转弯处要注意结构的优化，防止物料堆积。

3.5 降低NOx、SO2 排放的措施

水泥企业面对更高要求的NOx、SO2排放控制要求，水泥企业不得不投入资金对预热预分解系统进行治理。

面对严格的要求，在降低NOx 排放方面，大多数企业采取分级燃烧+SNCR 组合脱氮技术，也有的采取分级燃烧+SNCR+SCR 组合脱氮技术，后者投入很大。鉴于此，有专业队伍在分级燃烧技术上下功夫，原理上就是给予烟室更大的空间（包括采用管道延伸），合适的缺氧用煤，制造更好的还原空间，使来自烧成带的NOx 降到最低，为后续的SNCR 系统减轻负担，降低运行费用。

在降低SO2排放方面，只有部分企业有压力。主要原因在于预热预分解系统排除SO2的量多取决于原料中硫的含量。目前在业内探讨的关于烧成系统脱硫的技术很多，比如齐砚勇的预分解窑内循环烟气脱硫技术，其不需购买脱硫剂，封闭运行，无废气排放，不增加窑系统能耗[6]；还有干粉脱硫、湿法脱硫、超声波雾化脱硫、复合脱硫等技术。这些技术各有特点，企业技改时要充分结合自身的情况，科学合理地选择。

4 结束语

综上所述，在过去的10 多年里，预分解窑熟料烧成指标和综合电耗指标有了很大的进步。存量生产线与新建生产线或者近期已改造的生产线相比，存在能耗高、能效低、排放高等问题。这些企业要实现高质量运转，可通过技术改造升级优化来实现。在预热预分解系统，技术上一定要考察系统换热效率、旋风筒料气分离效率、系统阻力等工况，要看看C4、C5 预热器下料管及分解炉是否存在结皮，生料在分解炉内（分解空间）停留时间是否充足，NOx、SO2排放是否满足要求，要根据实际情况，选择学合理的技术对系统进行改造，以实现先进的能效指标和最低排放指标。